输电线路电磁环境

输电线路电磁环境篇1

近年来,随着我国的经济不断发展,无论是工业用电还是民用电电量都呈直线上升的趋势。本质上来说我国还是一个电力发展存在地域差异性的国家,而且各地经济实力的差距也会造成用电量存在一定的差异性。我国在“十三五”规划中提出应当大力发展清洁能源,但是我国的大范围电网建设仍然是“十三五”规划中需要完善的国民基础建设设施之一。“可持续发展”战略是我国经济发展中必须要遵守的一项国策,超高压输电线路中的电磁环境影响问题严格意义上也属于“可持续发展”战略中需要考虑的一个因素。本次研究针对输电电磁环境影响的产生原因和基本类型进行分析,进而探讨一些解决策略,希望能够给广大电力工作者提供一定的参考借鉴作用。

1输电线路电磁环境影响产生的原因

超高压输变电设备是为了避免电力能源在长距离传输过程中的能量损失而产生的一种输变电形式。输变电设备在电流通过的过程中导线表面会出现“电晕”现象,超高压电线表面点位梯度相较于高压线更大,会在通电过程中不断向空气放电,进而和地面产生静电感应,就会出现交变电、磁辐射场,进而产生电磁波辐射。输电线与地面之间间距越大,通常电场强度越小。

根据“EPRI”的研究报告,导线表面电位梯度越大,产生的电晕损失越多。以高压直流输电线路为例,导线表面电位梯度在16~26 k V/cm,新建线路的导线表面电位梯度值有向低发展的趋势。电晕开始时的电位梯度形象地称为“起始表面梯度”或简称“起晕梯度”。分裂导线的表面电位梯度是由线路电压、线路高度、极间距离和分裂导线的物理结构决定的。对于简单的结构,可以采用下式计算。

导线平均表面场强可根据式(1)计算:

导线平均最大表面场强可根据式(2)计算:

双极水平布置的直流线路可根据式(3)计算:

式中:

Gav和Gmax———导线表面平均场强和最大场强,单位为kV/cm

q———电荷

n———导线分裂根数

d———子导线直径,单位为cm

D———分裂导线圆周直径,单位为cm

V———相导线对地电压,单位为k V

H———导线对地高度,单位为m

P———极导线间距,单位为m

deq———分裂导线等效直径,单位为m

由导线表面最大电场强度计算结果可知:

1)导线表面最大场强随极导线截面和子导线分裂数的增加而减小。如图1所示,该图以P=18 m为例。

2)对于任意一种导线选择形式,在某极距下,导线表面最大场强随导线对地高度的增大而减小,但减小的速度很慢,见图2所示。

3)对于任意一种导线选择形式,在某一对地最小高度下,导线表面最大场强随极间距的增大而减小,见图3所示。

2输电线路电磁环境影响的种类

从本质上来说,输电设备电磁环境影响应当包含两个大方向:其一是工频磁场和工频电场对周边环境的影响。其二是在输电线设备施工和后期维护过程中对自然环境的影响。但是在具体的环境影响上细化又分为很多类别,下面笔者将对输电设备的电磁环境影响种类进行分析和探讨。

2.1心理影响

心理影响并不是笔者夸大其词,我们经常看到输电线路设备建设在城市郊区或者荒无人烟的地带,但是仍然有部分人居住地距离输电设备较近,这些居民普遍对输电设备抱有一定的心理负担,包括输电设备的漏电、电场、磁场等多种问题都会造成居民的心理负担。尤其是现代社会的媒体导向作用非常明显,部分媒体在报道过程中为博得眼球,普遍采用了具备一定导向性的舆论报道,例如夸大事故、以偏概全等报道,都会加大社会普通人群对电磁环境影响的心里副作用。

2.2电磁波污染

电磁波污染通常在长距离高压输电线路周围产生,由于电晕放电现象造成输电线路一定范围内出现高频电磁场,尤其是超高压输电线路这种现象就更加明显,电磁波的产生会对人们日常生活中一些肉眼难以辨别的信号产生影响,例如手机信号、无线电广播、电视信号等等,这些信号的干扰会对居民正常生活产生直观的影响。另外,输电线路一定范围内由于放电现象会产生部分电磁噪声,这些噪声的频率是人类厌烦的声音频率,导致输电设备周边居住的人群会对这种噪声反感较大。

2.3化学物质污染

由于输电线路通常采用超高压进行输送,而空气中或者部分垃圾中所含的物质会在高压作用下产生一定的化学反应进而生成具备化学污染性质的物质。首先,高压输电线路会让空气中的部分气体发生化学反应,氧气和氮气在高压作用下会生成臭氧或氮氧化物气体,气体的产生量与输电电压呈正比关系。人们允许接触的臭氧浓度应不大于0.2mg/m3,但是相关研究表明[,超高压(大于750 k V)情况下可能产生超过该浓度的臭氧气体。氮氧化物则是引发酸雨的主要因素,所以超高压输电线路周边的雨水p H值普遍小于其他地区。

2.4静电污染

在电场的影响下,人或者物体会由于电场作用而出现局部电荷聚集或者分布不均现象,虽然静电现象对人类的伤害并不大,但是仍然会造成轻微的不适,静止电荷聚集时人体并没有明显的表现,但是在进行流动时就会造成短暂的“针刺”不适感。如果电场过大,就会造成持续的电流流动,引发一定的危险或者不适。静电现象虽然危害不大,但是如果电场内物体面积较大也会造成电击现象,电击现象可能造成易燃物燃烧或爆炸、电气设备失灵、信号设备干扰等问题,构成设备财产的隐患。

2.5自然环境破坏

在输电设备的施工过程中普遍会破坏原有的自然环境,例如工业爆破、树林砍伐、农田征用、施工弃土、植被破坏等,这些问题与一些基础设施建设一样,都是人类工业化进程对自然环境的影响表现之一,会对沿线的自然环境和生态平衡产生一定的损伤。同时在输电线路附近很难看到动物生存的痕迹,虽然尚未有明确研究表明输电线路的电场、磁场会对生物产生危害,但是会强迫动物迁徙,也是一种损伤生态平衡的表现。尤其近年来,我国大力修建超高压输电线路之后,生态损伤问题表现得越来越明显。

2.6城市景观影响

我国现行的输电设备多种多样,输电电压标准也很多,其中部分输电设备已经使用了多年,更有超过50年的输电设备,虽然经过改造和升级能够适应技术标准,但是其老旧的外形仍然对城市形象造成了损伤。通常输电设备都在城市郊区或者农村,虽然对城市中心景观影响不大,但是对城市的短期规划或者整体形象仍有影响。

3输电线路电磁环境影响的对策

3.1控制声音污染

输电线路的设计和施工应当严格按照国家相应的噪声标准进行设计(GB 3096-1993《城市区域环境噪声标准》、GB123348《工业企业厂界噪声标准》、GB 12523-1990《建筑是工厂界噪声限值》等),由于上述标准为多年前制定,可在此基础上依据各地规范标准或者行业标准加以进一步限制。

3.2控制电场干扰

利用铁塔屏蔽是当前较为可行并且效果较好的电场控制方案,超高压或者特高压输电线路应当单独设定,设定标准严格执行国家标准,针对特殊地段采用特殊的设置方案,目的是保证静电影响及仪器安全。

3.3优化规划方案

输电线路方案规划设计工作应当遵循如下几个原则:尽量不损伤沿线的生态平衡、尽量避免穿越居住区、尽量绕过野生动物活动区域、设置施工弃土回收、避免爆破施工、利用技术手段减弱电晕等。并且笔者认为可以在规划工作中适当引入一定的生态学知识,参考部分高压输电线路经过景区的规划方案加以应用,让更多的输电线路方案具备环保性。

3.4加强知识宣传

输电线路的知识宣传是消除居民心理负担的重要手段,一定要立足于科学,并且将专业知识进行通俗化,让群众能够了解输电线路电场、磁场产生的原因和基本危害,以及一些保护手段。只有具备公信力和科学性的宣传才能够让群众的心理负担得到有效的缓解。

4结语

电力企业是服务于人类的企业,更是具备社会责任的企业。所以在输电线路电磁环境影响上,电力企业仍然需要立足于环保的角度,通过技术引用、科普宣传、规划方案优化等方式,让输电线路电磁环境影响得到有效的缓解,保证居民的正常生活和财产安全。

参考文献

[1]毕强.输电线路对环境的影响及措施[J].科技致富向导,2014,16(23):101-103.

输电线路电磁环境篇2

一、工作开展情况

依据上级公司要求，我单位组织线路运维单位对所辖的35千伏及以上输电线路通道逐线、逐档、逐塔开展设备状况排查，主要隐患治理有树障、交跨不足、违章施工等。

电力设施保护工作方面：发放电力宣传单500余份，竖立警示牌115块，签订安全事项告知书35份，张贴杆塔反光膜47处，安装拉线护套20个，张贴大型施工车辆电力安全小贴示25份。

二、隐患排查发现的主要问题

1.运行时间较长线路，其廊道环境变化较大，由以前戈壁滩地形变为现在的农田地、经济林，树线矛盾的问题日益突出。

2.随着社会发展的速度加快，输电线路廊道出现违章施工的事件愈加频繁，有限的线路维护人员无法管控每条线路通道的施工情况，易造成外破事故。

3.线路附近的居民电力设施保护意识淡薄，在线路下方自行架设低压照明线、种植大棚蔬菜及超高树木。

三、工作取得的主要成效

本次输电线路通道安全环境和防风害专项排查治理中，在属地化单位的协助下，树障及交跨隐患治理工作尤为突出。形成隐患从发现-审核-录入-下发-整改-验收-归档的一套完整的流程，保证隐患消除的及时性。其中发现廊道内树障隐患85处，治理81处；交叉跨越不足隐患3处，治理3处；违章施工2处，制止2

处。

四、下一步工作计划

1.对所辖输电线路按照特殊区段进行划分更新，建立线路特殊区域台账，根据季节、气候变化进行动态巡视，保证电网安全稳定运行。

2.督促输电线路通道环境外委的实施，建立管理制度，划分线路责任段，达到线路通道可控的目的。

输电线路对环境的影响及措施篇3

【关键词】输电线路；环境影响；电磁效应；保护措施

0.前言

电能的传输，它和变电、配电、用电一起，构成电力系统的整体功能。通过输电，把相距甚远的发电厂和负荷中心联系起来，使电能的开发和利用超越地域的限制。输电线路按结构形式可分为架空输电线路和地下输电线路。高压、超高压输电线路的环境影响，一般包括对生态环境的影响、水土流失的影响，选线选址与相关规划的符合性和相容性，电磁环境影响，甚至景观影响等等。在高压输电线路的建设和使用过程中，不可避免的对线路周围环境产生影响。随着生态环境、电磁环境保护意识的增强，输电线路的问题也日益突出，使得近年来因输电线路建设、运行所引发的环境纠纷日益趋多，严重制约了高压输电线路的建设和发展。

1.输电线路电磁环境影响

输电线路提供大量电能，供应人民的生产、生活，也给线路所经地区的环境带来电场与磁场。近年来，输电线路电磁环境引发问题越来越突出。北京百旺家苑居民和众多煤体聚集，是产生较大社会影响的一次环境纠纷问题。在全国各地不断有居民上访、阻挠施工、到供电部门静坐等的情况出现。随着环境保护意识的增强，以及超高压输电线路的大规模建设，研究外电磁场对人体生态的影响是十分必要的。

1.1对通信线路的干扰影响

输电线路对通信线路的影响包括静电感应和电磁感应。由于静电耦合作用，输电线路的电场会在邻近的通信线路上产生感应电压，即静电感应。同样，输电线路的磁场也会在邻近的通信线路上产生感应电压。因为通信线路音频通道的工作频率一般为300-3400Hz，而输电线路中的许多谐波正好落在这个频率范围内，所以一般规定系统中的谐波等效干扰电压值应低于系统额定电压值的1%才能符合要求。

1.2对无线电、电视的干扰影响

输电线路产生的工频交变电磁场随距离而衰减是很快的，它的波长与电视、微波相比要大得多。我国的中波调幅广播频率范围为0.5-1.6MHz，电视广播频率范围为48.5-92MHz，而输电线路产生的无线电杂音频率范围为0.1-100MHz，所以它主要影响的是中波无线电广播和电视的2-6频道。

2.输电线路建设对沿途生态环境的影响

输电线路的大规模建设对沿途生态环境具有重大影响，输电线路的建设引起房屋拆迁、跨越铁路、公路、河流等，砍伐树木，高压输电线路相互交叉、对弱电的影响以及由于基础开挖对周围植被的破坏，引起水土流失。其主要表现在如下几个方面：

2.1输电线路建设中对农田地的影响

在输电线路建设工程中，临时占地只发生在输电线路施工期间。这些临时占地如发生在作物生长期，则可能会毁掉一部分农作物、林地和灌丛，对农林业生产带来一定损失，也会使其它自然植被遭到一定程度的破坏。但工程结束后，临时占地均可恢复原有功能，土地利用类型不会发生改变。所以，临时占用地对土地利用类型的影响是短期的。输电线路永久占地主要指输电线路塔基占地。由于單个塔基占用土地较少，一般不大于50m2，所以，输电线路永久占地对土地利用类型的影响不大。

2.2输电线路在建设中对植被的影响

输电线路建设过程中，会破坏沿线施工位置的植被，同时为保证建成后线路的安全运行，输电线路与线下树木垂直距离小于4.5m时，线下的树木需要砍伐，因此，输电线路在建设时将砍伐一定数量的树木，使林草植被遭到一定程度的破坏，对当地林业生产带来一定损失。

2.3而输电线路建成后，对沿线动物影响主要体现在对鸟类的影响

当鸟类在飞行中遇到输电线或着落于输电塔时会造成死亡或受伤。大型水鸟和食肉鸟类最易受到影响。但在多数情况下，输电线引起的鸟类死亡可能性较小。如果输电线穿过鸟类主要的迁徙路径，则影响较大。

3.输电线路对沿途生态影响的保护措施

3.1线路水土保持措施

输电线路塔基施工具有沿线路布点分散及单个塔基开挖弃土量较小的特点，建设过程中应合理组织施工，尽量利用现有田间道路，减少占用临时施工用地。尽量避开陡坡及不良地质段在选线和定位时，塔位应尽量避开地质断裂带、塌方、滑坡、冲沟、陡坡等地段。边坡太陡时，需降基5-10m甚至更多。才能满足基础保护范围要求，如必须在不良地质段定塔位，应采取可靠的治理措施。避开的方法：另行选线；用直线转角塔；用在塔头间隙及负荷允许条件下带小转角（一般所带转角极小）的直线塔等。根据山区塔位实际地形来调节四条塔腿的全方位高低，避免大面积土石方开挖，从根本上消除滚坡的源头，大幅度减少滚坡面积。

3.2正确合理选定线路走廊

减少线路走廊宽度沿线开发区、各种不同类型的保护区、房屋、各种不同电压等级的输电线路、弱电通信工程及光缆、铁路、公路、不同等级的河流星罗棋布，输电线路的路径选择越来越困难。因此，输电线路主系统及规划要求容许的情况下。尽量采用同塔双同或多回路设计，目前在西方发达国家。双回或多回路线路用的较多。为缩小输电线路的走廊宽度，单回路线路宜采用酒杯塔和猫头塔，同时可采用中相“v”串、边相“V”串等。在双回路及多回路线路中，宜采用占线路走廊较小的导线垂直排列的形式，在低电压和高电压同杆架设时，低电压应架设在下方，以减少电磁干扰和走廊宽度。

3.3保护线路走廊内的天然植被

减少输电线路对自然环境的破坏以往送电线路在跨越树木时，一般都采用砍伐的方式，即在线路走廊范围内剃光，严重破坏森林植被，引起水土流失，破坏自然环境，工程综合费用增加很大。近年来，国家对森林植被严格控制滥砍滥伐，输电线路跨越树木一般均采用高跨方案，根据各种树木最高自然生长高度，确定跨越树林弧垂对地距离及杆塔的呼称高。据统计，高塔跨越方案不仅有较好的社会效益，保护国家日益匮乏的森林资源，而且有较好的经济效益。

4.结论

随着科技的发展和人类的进步，人们越来越重视生态环境的保护。在进一步推动电力可持续发展的同时，严格依法履行环保与水土保持审批手续。因输电线路建成后，再发现问题，很难解决，所以在工程设计阶段就要综合考虑工程建设对环境与生态的影响，提前做好防护设计与防护措施，同时在施工过程中要尽可能的减少对自然生态的破坏，以更好的保护生态环境。

【参考文献】

[1]输电线路反事敌技术措施实施细则及条文说明.中国电力出版社，2004.

[2]邬雄.电场、磁场和电磁场的环境问题[J].电力环境保护，2007，23（4）：8-11.

[3]张格红，韩耀霞等.高压交流输电线路电场生态效应研究[J].四川电力技术，2010，33（4）.

输电线路电磁环境篇4

由于城市电网的电压等级随经济的发展越来越高, 甚至出现超高压向城市送电的情况, 对高压电网的电磁环境要求也越来越严格。因此, 有必要正确评估城市输电线路的电磁环境影响, 采取合理、有效的措施,降低输电线路对周围环境的影响。

1高压线路电磁环境参数及限值

带电导体中的电荷在其周围产生电场,运动的电荷产生磁场。此外,带电导体由于电荷分布的不均匀性,导致局部电荷密度过大,电场强度高而引起电晕,从而产生离子、电晕噪声和无线电干扰等。所有的这些现象,均属于输电线路工程的环境影响因子。工频电场限值、工频磁场限值、可听噪声限值等规定见文献[1]

2电磁环境参数的测量和计算

以Microsoft Visual Studio为平台编写了《交流输电线路电磁环境计算程序》。可计算单、双回交流输电线路不同海拔高度、不同杆塔型号、不同导线排布方式、不同运行电压下输电线路的电磁环境参数。如图1 ~图4所示。

根据实际研究需要,经过实地考察与现场检测,按照确定监测对象、布点原则、选取测量仪器等步骤,严格按照国家测量标准进行测量。考虑到云南高海拔因素,选择1 800 m和2 500 m作为测量区域。对2个地区110 k V、 220 k V、500 k V高压输电线路电磁环境参数的测量。本次测量由于地形起伏、外界干扰、负荷电流变化的影响,测量数据与计算数据均有一定的误差,但误差在可接受的范围内,对比情况详细见图5 ~图7,同时测量数据均未超过规程规范限值。

通过测量数据对比,本程序具有较好的准确度和可信度。

3电磁环境污染现状及防护

电磁环境的危害有两个方面:对人体和生物的危害;对电器设备的影响。对人体和生物的危害,主要是热效应、非热效应和累积效应。对电器设备来说是一种干扰,如果电磁辐射的频率与被干扰设备的频率相差不大时,干扰的程度就逾严重。降低高压输电线路电磁环境影响可采用以下措施:

3.1工频电磁场的降低措施

1)输电线路架设方式的选取:提高输电线路对地高度以降低地面工频电场和磁场,同塔多回架设时通过相序排列降低电磁场。

2)采用电磁屏蔽技术:增设屏蔽线以降低局部工频电场强度,种植适宜的植物以屏蔽电场,采用高导磁率材料遮挡以屏蔽磁场。

3.2减小导线电晕的措施

1)从皮克公式可以看出,增加分裂导线的直径或导线分裂数可以有效降低导线表面电场强度、减少电晕噪声。当导线分裂数不变时, 增加子导线间的分裂间距,在一定范围内可以减小导线表面电场强度。

2)减小导线电晕的新技术:采用非对称分布的分裂导线、在导线表面覆盖绝缘层、采用亲水性或新型导线。

4电磁环境对城市输电线路建设要求

4.1城市变电站布点及线路路径优化

电网布点应与城市规划对接,提前预留路径走廊及相关电缆管沟的规划和建设,减少输电线路电磁环境影响。

在路径优化和终勘定位过程中,对于敏感区域可采用全数字化摄影测量、全球卫星定位系统(GPS)等高新技术,尽可能避让环境保护敏感目标,从源头上减缓工程建设对环境的影响。

4.2在设计中积极采用利于环境保护的技术

优秀的工程建设离不开优秀的工程设计。现行的各项设计技术规程中均对环境保护及推广利于环境保护的新技术予以了明确的规定。这些规定也有力地促进了电力企业采用有效的环保措施。在设计中可以采用以下利于环境保护的技术。

1)优化杆塔的对地高度、采用合理的导线布置方式和导线分裂型式;

2)采用同塔双回路、同塔多回路或紧凑型架空线路;

3)采用多分裂、大截面导线等;

4)在局部电磁环境敏感地区采用电磁屏蔽技术。如架设屏蔽线、种植树木等。[6]

4.3加强城市架空线路入地改造

国家标准《城市电力规划规范》(GB50293—1999)已明确规定了采用地下变电站和架空线入地的范围。[4]将架空线路改设为地下电缆后,由于土壤对工频电场的屏蔽作用,可使地表面处的工频电场强度大幅下降。由于地下电缆的外护套一般为非高导磁率材料组成, 对工频磁场不起屏蔽作用,电缆外护套周围基本保持着原来空间的工频磁感应强度值。在地表面处的工频磁感应强度有可能大于架空线时的地表面强度(但不会超过限值)。需要说明的是,采用架空线入地必将大幅提高电网的建设和维护成本。

4.4严格规划程序,提高公众参与意识

在城市建设规划中,城市建设部门一定要配合电力部门要严格城市规划的程序,对违反规定建筑严格给予制止,电力部门施工更要严格按照国家标准。

提高公众参与意识,公众参与是为了让公众了解高压变电站及输电线路对环境的影响情况,使受影响的居民反映的合理意见和要求得到解决,保护受影响公众利益,并利用公众的判断力提高环境决策质量。已有的调查结果表明,公众参与意识还不高,公众对高压电电磁环境的影响概念还不是很清楚。对电网建设对城市建设规划的影响很少有人去考虑,所以需要进一步加强公众参与意识,尽量减少高压电电磁环境对公众的影响。

4.5加强施工管理,落实环保措施

1)有了好的设计,还必须在施工中将各项环保措施落到实处。输电路建设中必须遵循国家的相关的标准,如《110 k V ~ 500 k V架空送电线路施工及验收规范》(GB 50233- 2005),加强施工管理,将设计中的各项环保措施落实到工程实际。[5]

2)工程竣工后,要严格执行环保法律、法规,通过环评、公众参与、环保验收等过程管理, 将各项环保措施落到实处。

5结束语

由于城市电网规划和城市建设工业划布局不够协调,城市空域电磁辐射污染和危害日趋严重,进一步加剧了城市的有形发展和输电线路建设的无形发展之间的矛盾。为了促进城市更加科学、健康、和谐发展,需依法加强对城市输电线路建设合理规划和监管;需借鉴国内外电磁辐射污染防治的最新研究成果,在设计、施工、竣工各个阶段采取有效措施降低输电线路对城市电磁环境的影响,满足3C绿色输电线路的要求,建设一个智能、高效、可靠的绿色城市电网。

参考文献

[1]HJ/T24-199.500 k V超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范[S].

[2]GB 50545-2010.110~750 k V架空送电线路设计技术规程[S].

[3]GB15707-1995.高压交流架空送电线无线电干扰限值[S].

[4]GB 50293-1999.城市电力规划规范[S].

[5]GB 50233-2005.110 k V~500 k V架空送电线路施工及验收规范[S].

输电线路电磁环境篇5

某南方新建一个三组600MW的火力发电厂, 使用500k V的高压线路进行输电, 按照相关公式计算, 500k V高压输电线路周围的电场强度能达到5.5k V/m左右, 地面上的天然电场强度在天气晴朗时为0.12k V/m左右, 这样高压输电线路产生的电场强度要十几倍于天然电场强度, 这使得居住在高压输电线路的人们对电磁辐射可能对人体的危害产生极大的关注。根据有试验分析表明, 几百千伏的输电线路产生的电场强度, 地面附近的为5k V/m以上;虽然人处在高达数千伏电场强度的空间内, 但是人体内部的电场强度仅为几伏每米, 也就是说人体内的电场强度要比周围环境中的小得多。

2 输电线路电磁辐射对人的危害

我国有关人员曾对550k V输电线路附近进行过流行病和卫生学方面的调查研究, 结果显示附近居民大都出现了头痛、头晕、乏力、疲倦以及不愉快效应等症状, 有的居民反映高压输电线路常出现打火现象和放电声, 这种现象在阴雨天更加显著, 下雨天在线路下面打伞, 伞上会出现强烈的电磁感应, 进而导致撑伞的人“麻电”的感觉出现。我国在20世纪70年代曾经对220k V的高压输电线路进行过动物实验, 在输电线路周围电磁辐射的强度超过一定值并持久作用一定时间后, 试验的动物心血管系统、中枢神经系统等出现一定的机能障碍。

输电线路产生的电磁辐射对于人体的作用机理主要包括累计效应、热效应以及非热效应等;由于水占了人体积的70%, 体内的水分子在电磁作用下会引起相互之间的摩擦, 进而使体内水的温度升高, 使得体内各器官正常工作受到影响, 这就是热效应;在自然状态下, 人体的组织以及器官都受到微弱的电磁场作用, 但它们之间是有序和稳定的, 当外界的电磁场将这种稳定和有序打破后, 就会使得这微弱的电磁场受到破坏, 人的身体也会跟着受到一定的损伤, 这就是非热效应;在以上两种效应作用于人体后, 在人体的对电磁场的承受能力还未从损伤状态恢复的情况下, 若再次受到外界电磁辐射的作用, 产生的损伤会在原有损伤基础上进行累积, 长此以往就会引起人出现永久性的病态, 情况严重时可能危及人的生命, 这就是累积效应。如果人体长时间接触电磁辐射, 即使辐射的频率很低, 长时间作用下也会使人的身体出现病变。

人体在工频电场作用下会产生一些特征的变化, 若从人的病理、生理以及临床治疗上看, 可能会在生殖和遗传、内分泌系统、血液系统、心血管系统以及中枢神经系统等方面表现出来;根据有关研究显示, 人体的大脑本质上就是一台低频的振荡器几十赫的工频电场会在一定程度上影响人的脑场, 相互作用下会出现“谐振”现象;所以说, 人的大脑对于电磁场具有很强的敏感性。人心脏的收缩和传导过程, 是心脏膜电位复极和除极的过程, 这种人体内离子的位移会生成所谓的生物电, 当外界磁场左右与人体受, 会使心脏的功能受到一定的干扰。

3 输电线路电磁辐射对无线电以及通信线路的影响

输电线路的电磁辐射对于通信电路的影响主要表现在电磁感应和静电感应上。由于静电耦合作用的影响, 通信线路在附近输电线路电场的作用下会产生感应电压, 同时在输电线路磁场作用下也会产生感应电压;而目前通信线路音频所用的频率在300Hz~3400Hz范围内变化, 而输电线路所产生的电磁波的谐波大多数也处在这个频率范围内, 所以有关国家相关部门规定, 系统的额定电压值应高于谐波等效电压值的1%。根据计算和实测结果显示:50m以内的输电线路, 其产生的电场对通信影响较大, 也是影响正常通信的重要因素, 当这个距离大于100时, 其对通信的干扰可以忽略不计。

由输电线路作用而产生的工频交变电场, 它的强度会随着距离的增大而不断衰减, 微波、电视等波长与其波长相比要小很多。目前我国电视广播所用的频率在48.5MHz~92MHz范围内变化, 中波调幅广播的频率在0.5MHz~1.6MHz范围内变化, 输电线路所产生的杂音频率在0.1MHz~100MHz范围内变化, 如果从频率范围上看, 输电线路产生的无线电主要影响的是电视的2~6频道和中波无线电广播。根据实际测试结果显示, 当各种无线电发射站距离输电线路的距离大于200m时, 所产生的干扰效果可以不用考虑。

4 对高压输电线路电场的分布研究

对于500k V高压电场的分布的研究结果显示:500k V输电线路所产生的电场强度值小于100k V/m, 而且此强度值会随着距离的增大而减小, 距离5m左右时电场强度为10k V/m;高压电场在空间呈“马鞍形”分布, 架线的形式以及铁塔的高度直接影响到电场对地面的影响程度;在距离地面一定高度范围内, 在一定距离内, 布线会随着距离的增大而增大, 增大到某定值后, 会随着距离的增大而减小;通过计算得出, 边线的高度与影响范围内的最大高度相差不大, 边导线9m处的超标影响距离与13m处相当。除此之外, 在实际测量中发现, 输电导线下方以及周围地区都会使人出现麻电感, 当人接触到金属后会有电击后的痛感, 这表明感应电击会在几千伏每米的电场下出现。

5 对高压输电线路电磁辐射的防护措施

针对变电站以及高压输电线路产生的电磁辐射对于周围环境所造成的影响, 特提出以下减弱影响的措施: (1) 按照设计标准来建立高压线路保护区; (2) 在高压输电线路附近设立无线电设备的安全防护距离; (3) 在进行高压输电线路设计时, 输电导线离地面的距离应符合设计标准要求, 除此之外, 在输电线路走廊下的建造屋舍时, 边导线距离房屋的垂直距离要大于15m, 对于已建成的房屋应大于5m; (4) 当输电线路的输电电压超过220k V时, 应按照要求设置卫生防护走廊, 其宽度在45m左右, 走廊下应确保没有障碍物; (5) 出于对变电站、高压输电线路附近居民的人身健康着想, 应当避免在250m左右范围内建造住宅房屋; (6) 当高压输电线路经过电视差转台或者广播收音机台时, 应尽可能的选择从这些无线电台不重要的信号的一侧经过; (7) 在高压输电线路下方, 对于表面积过大的金属物体, 必须保证其接地效果良好, 避免对人造成电击。

6 结语

高压输电线路使用过程中产生的电磁辐射, 不仅会使周围居民产生不良反应, 而且会影响无线电以及通信线路的正常工作;根据其电场的分布研究显示:电场强度值会随着距离的增大而减小, 架线的形式以及铁塔的高度直接影响到电场对地面的影响程度, 根据分析作者提出几点对高压输电线路电磁辐射的防护措施, 采取这些措施可以有效的减缓电磁场对环境产生的影响。

参考文献

[1]李博之.高压架空输电线路施工技术手册[M].北京:中国电力出版社, 2008, 12.

输电线路电磁环境篇6

高压输电线路的电磁辐射及其防治措施已成为近年来电网环境保护的重要研究课题。运行中的高压输电线路的电晕放电和火花放电必然产生工频电磁场,一旦超过国家标准规限值时,便有可能造成电磁污染。因此,本文以具有代表性的220 kV和110 kV单、双回输电线路为例,介绍黑龙江省电力科学研究院对本省电网输电线路工频电磁场的监测结果分析,探讨分布规律以及影响输电线路工频电磁场的因素及控制措施。

1 工频电场和磁场的监测方法

1.1 测量仪器

德国EFA300型低频电磁场分析仪,频率监测范围为5~32 kHz,具有三维各向同性测量探头(无方向性)、0.1~200 kV/m大动态电场测量范围和1 nT~20 mT 大动态磁场测量范围。

1.2 测量条件

1) 电磁场分析仪及其绝缘支撑物应保持干燥、清洁状态,以减少测量误差。

2) 测量时测试人员距离仪器5 m,同时作业人员距仪器5 m处,尽量减小人体对所测电场强度的影响。

3) 测量时关闭或不使用辐射电磁场的便捷式设备(如移动电话等),以减小对所测点电场强度的影响。

4) 在标准允许的环境温度和湿度下进行测试。

1.3 测点布置[1]

测量地点应该选在地势平坦、远离树木,且没有其他电力、通信及广播线路的空地上。探头与永久性物体(包括植物)之间的距离大于探头最大对角线的2倍。根据实际测量经验,当测点无法避及植物时,植物不得超出探头高度,否则由于植物的遮挡,将影响测量精度。

在满足上述条件下,选择1个有代表性的档距,以档距中央导线弧垂最大处线路中心的地面投影点(即距离中心导线对地投影点0 m距离处)为测试原点,沿垂直于线路方向进行,每隔5 m设定1个测点,按顺序测至边相导线地面投影点外50 m处止。特殊情况下(如:进行科学试验研究或存在敏感点时),可酌情将测点间距缩小至0.5~1 m。即测点应选择在导线档距中央弧垂最低位置的横截面上,如图1所示。

单回送电线路以弧垂最低位置中相导线对地投影点为起点,同塔多回送电线路以弧垂最低位置档距对应两铁塔中央连线对地投影点为起点,测量点均匀分布在边相导线两侧的横截面方向上。

1.4 评价范围与评价标准[2]

以送电线路走廊两侧30m带状区域范围内为工频电场和磁场的评价范围。

按HJ/T 24-1998《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》的规定,以4 kV/m作为居民区工频电场评价标准,以0.1 mT作为公众全天辐射的工频磁感应强度的评价标准。

1.5 测量过程

按照上述测量条件中的要求进行,每个测量点连续测量5次,每次测量时间不少于1 s,并读取稳定状态最大值。若测量读数起伏较大,则每1 min读一个数,取5 min的平均值为测量读数。

2220 kV和110 kV输电线路工频电磁场监测结果及分布规律

2.1 代表性输电线路简介

具有代表性的不同电压等级的输电线路及其相关参数和监测时的气象条件如表1所示。

2.2 220 kV双回输电线路工频电磁场监测结果与分析

对牡亚线、亚尚线、牡海甲乙线、温海甲乙线4条220 kV最大弧垂不同的双回输电线路,测量电场强度和磁感应强度,结果分别如图1、图2所示。

由图1、图2可知,4条输电线路的电场强度均低于4 kV/m,磁感应强度均低于0.1 mT。随着测点距离中心导线对地投影点距离的增加,4条输电线路电场强度和磁感应强度变化呈现出相似的规律:随着测点距离中心导线对地投影点距离的增加而逐渐减小,且在0~20 m范围显著减小,当测点距离中心导线对地投影点距离大于20 m时,减小程度逐渐缓慢。这个规律与文献中报道的内容相似[3],其中牡亚线和亚尚线弧垂高度分别为12 m和11.9 m,牡海甲乙线和温海甲乙线弧垂高度均为13 m。弧垂高度相似的两条线路,其电场强度和磁感应强度相差不大,而弧垂高度较高的牡亚线和亚尚线的电磁场监测结果明显小于弧垂高度较低的牡海甲乙线和温海甲乙线。上述结果表明,导线对地高度对输电线路工频电磁场具有一定的影响,增加导线对地高度能够有效降低输电线路的工频电磁场。

2.3220 kV单回输电线路工频电磁场监测结果与分析

对鹤联乙线和鹤东乙线2条220 kV最大弧垂不同的单回输电线路,测量电场强度和磁感应强度,结果如图3、图4所示。

从图3、图4可以看到,2条输电线路的电场强度均低于2 kV/m,磁感应强度均低于0.5 μT,远远小于标准限值。鹤联乙线(最大弧垂为25 m)的电场强度和磁感应强度远小于鹤东乙线(最大弧垂为14.3 m),随着测点距离中心导线对地投影点距离的从0 m增加至10 m,鹤联乙线电场强度变化不大,均维持在700 V/m,当该距离大于10 m时,电场强度略有减小。2条线路磁感应强度均随测点距离中心导线对地投影点距离的增加逐渐衰减,当该距离大于15 m时,磁感应强度衰减程度较小。

2.4110 kV双回输电线路工频电磁场监测结果与分析

对北乌甲线、电厂甲线、新汤线、新热线4条110 kV最大弧垂不同的双回输电线路,测量电场强度和磁感应强度,其结果如图5、图6所示。

对比图5、图6结果可以看到,4条输电线路的电场强度均低于4 kV/m,磁感应强度均低于0.1 mT。随着测点距离中心导线对地投影点距离的增加,4条110 kV输电线路电场强度和磁感应强度变化规律同220 kV双回输电线路相似。弧垂高度相似的两条线路,其电场强度和磁感应强度相差不大,说明电压等级不同的输电线路,电场强度和磁感应强度衰减规律相似,且线路弧高是影响电磁场的主要因素之一。

上述分析结果表明:220 kV和110 kV输电线路工频电磁场监测结果均满足标准限值要求,电场强度均小于4 kV/m,磁感应强度均低于0.1 mT;220 kV与110 kV两种不同电压等级输电线路工频电磁场衰减特性基本一致,均随测点距离中心导线对地投影点距离的增加而逐渐减小,说明输电线路的电场强度和磁感应强度与输电线路导线高度密切相关[4,5]。

3输电线路工频电磁场的影响因素及控制措施

3.1 输电线路工频电磁场的影响因素

3.1.1 导线对地高度的影响

上述监测结果证明了工频电场强度和磁感应强度随输电线路对地高度的增加而减小,随测点距离中心导线对地投影点距离的增加也减少,说明导线对地高度和距离中心导线的距离均为影响输电线路工频电磁场的主要因素。此外,据文献报道,输电线路的不同导线结构、布置形式等方面也会对工频电场磁场产生影响[6],但导线对地高度对地面场强的影响最大,通过抬高相导线架设高度来控制地面场强的效果最为明显[7]。

3.1.2 导线布置方式的影响

当导线由水平排列改为三角形排列时,场强最大值以及高场强区的范围均有所减小。三相正三角布置时,地面工频电场强度最大值最小;但是正三角布置时地面工频电场强度所覆盖的高场强区域大于倒三角排列时的情况,因此倒三角排列效果最好[8]。

3.1.3 导线参数的影响

在计算工频磁感应强度时,等效半径不作考虑,只对导线实际空间位置进行考虑,故导线参数变化不会对磁感应强度产生影响。而计算工频电场强度时,则应用等效电荷法,这时导线等效半径对于导线线下场强的影响起着主要作用,且随着分裂半径、分裂根数、导线半径的增大,工频电场强度亦随之增大。

3.1.4 相间距离

相间距离指的是相间的垂直距离和水平距离,相间距离减小可以使工频电场强度降低,但其效果不如加大导线对地高度明显。

3.1.5 导线相序

就同塔双回和多回线路来看,相序排列的形式对工频电磁场有着较大的影响。通过对相序排列的模拟,即同序列和逆序列两种形式进行计算。结果显示,不同的相序排列形式对工频电磁场亦有不同的影响,且相比于同相序排列,逆相序排列的影响较小。

3.2 输电线路工频电磁场的控制措施

尽管上述的监测结果均满足国家标准规定的限值,但为进一步减少输电线路对环境和公众健康的电磁辐射影响,输电线路的建设应按照国家标准,在工程设计和建设运行过程中,采取行之有效的控制措施,以保护环境和公众身体健康。

1) 线路路径尽可能避开沿途村镇、学校,尽量避免或减少线路跨越民房的情况。经过居民区的路段应在设计规范标准基础上适当提高架设高度,使线路走廊附近环境(包括建筑物)工频电磁场处于合理的水平[8]。

2) 工作人员在进行线路巡查等工作时应注意个人防护,配备防护用具,如防护服、专用护目镜等,应尽可能减少作业时间和非作业停留时间。

3) 输电线路在设计过程中,通过选择合理的导线间距和布置方式,减小导线等效半径,优化相序排列等方式对输电线路工频电磁场进行控制,经过居民区的线路应在设计规范标准基础上应适当提高导线架设高度。

4) 要定期监测运行中的输电线路,如发现有电磁辐射超标情况,应积极采取有效措施进行技术更新和改造,并悬挂标识牌,提醒作业人员注意。

4 结语

通过分析不同电压等级输电线路工频电磁场监测结果,了解输电线路工频电磁场水平,掌握了不同电压等级输电线路工频电磁场衰减规律,并针对输电线路工频电磁场的影响因素,根据环境保护法律法规和技术标准要求,提出了输电线路工频电磁场的有效控制措施,既保证了电力行业健康有序地发展,又保护了环境。

摘要：为研究高压输电线路的电磁辐射,对黑龙江省220 kV和110 kV单、双回输电线路进行了监测,并对监测结果进行了分析。结果表明:高压输电线路工频电磁场强度随测点距离中心导线对地投影距离的增加而减少,电磁场强度随输电线路对地高度的增加而减少。据此,针对输电线路工频电磁场的影响因素提出了防控制措施,以期待治理输电线路电磁辐射造成的污染。

关键词：220kV和110kV输电线路,工频电磁场,电磁辐射,污染,防护措施

参考文献

[1]DL/T988-2005,高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法[S].

[2]HJ/T24-1998,500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范[S].

[3]朱艳秋,宋晓东,赵志勇.220kV高压输电线路工频电磁场影响因素研究[J].电力科技与环保,2011(1):5-8.

[4]林海泉,朱郑艳,姜衍.输变电工程工频电磁场分布特性及防护措施[J].浙江电力,2011(2):18-20.

[5]曾东瑜,钱艺华.500kV变电站工频电磁场强度分布特点及防护措施[J].江西电力,2006(6):47-48.

[6]张利庭,胡白雪,周浩.特高压输电线路下方工频电磁场的研究[J].能源与环境,2006(4):49-53.

[7]李刚,童晓,李君毅.特高压输电线路工频电磁场的影响因素分析[J].浙江海洋学院学报:自然科学版,2008(1):60-64.

输电线路电磁环境篇7

目前,雷击输电线路雷电流波形参数检测技术是通过在绝缘子串和支撑避雷线的杆塔外撑角上穿芯装设Rogowski线圈[1,2,3],检测流过杆塔外撑角和绝缘子的暂态电流,将其近似为雷电流以获取相应的雷电流波形参数。为从测量原理方面分析该类检测方法在雷电反击情况下的可行性,本文选择雷击特高压输电线路的避雷线档距中央、避雷线与杆塔外撑角连接处和塔顶后各个电流通道的电流行波暂态响应的数字试验进行分析。

幅值、陡度和极性等雷电流的主要波形参数集中于雷电流的上升沿[4,5,6,7,8,9],因此雷电流波形参数检测的关键在于获取雷电流上升沿的响应。输电线路遭雷击之后,各电流行波通道中暂态电流所对应的雷电流上升沿的响应不同。

a.在雷击避雷线档距中央未闪络情况下,注入避雷线的雷电流沿避雷线向避雷线两侧传播,在避雷线和杆塔外撑角的连接处,大部分注入传输系统的雷电流从避雷线流入杆塔外撑角,经由杆塔及其接地装置流入大地。

b.在雷击避雷线与杆塔外撑角连接处(下文简称雷击杆塔外撑角)未闪络情况下,仅有小部分雷电流沿避雷线传播,大部分注入传输系统的雷电流经过杆塔外撑角流入杆塔,最终经杆塔接地装置流入大地。

c.在雷击塔顶未闪络情况下,大部分雷电流上升沿通过杆塔流入大地,流过杆塔外撑角和避雷线的雷电流上升沿较少。

d.在雷击避雷线或杆塔外撑角造成绝缘子闪络的情况下,在发生闪络之前,雷电流的传播路径与雷击避雷线或杆塔外撑角未闪络时相同;发生闪络后,一部分由杆塔注入大地的雷电流将从杆塔流向闪络绝缘子,绝缘子两端电势差大于击穿电压需要一个建立电势差的过程,绝缘子闪络时,雷电流上升沿已离开闪络绝缘子传播,绝缘子闪络电流不含雷电流上升沿信息。

e.在雷击塔顶闪络情况下,发生闪络故障前,雷电流传播路径与雷击塔顶未闪络时相同;雷击闪络后,雷电流上升沿行波已离开闪络绝缘子而经沿杆塔传播,流过故障线路和闪络绝缘子的电流为系统闪络故障附加激励施加的短路故障电流响应和杆塔上的折、反射电流行波。

综上所述,无论绝缘子闪络与否,在雷击避雷线或杆塔外撑角情况下,可以使用杆塔外撑角暂态电流获取雷电流波形参数;在雷击塔顶情况下,无论绝缘子闪络与否,杆塔外撑角暂态电流都不能用于获取雷电流波形参数。无论是雷击避雷线档距中央、杆塔外撑角还是塔顶,绝缘子的闪络电流行波响应都不包含雷电流上升沿信息,不能用于获取雷电流波形参数。

1 雷击闪络和未闪络电路描述

1.1 雷击避雷线档距中央

雷击特高压直流输电线路避雷线档距中央示意图如图1所示,忽略雷击点与附近绝缘子之间的距离,即假设雷击点与闪络点位置一致,根据Peterson等效电路,雷电通道波阻抗为Z0,雷击放电相当于在雷击点处注入一电流激励源ilight(t),ilight(t)在避雷线上产生向避雷线两端传播的暂态电流行波,分别记为i1(t)和i2(t)。避雷线上暂态电流行波在杆塔与避雷线连接处分流,以i1(t)为例,一部分暂态电流沿避雷线继续向避雷线末端传播,记为i5(t);另一部分通过避雷线与杆塔相连的外撑角经过杆塔及其接地装置流入大地,将流过杆塔外撑角的电流记为i3(t)。雷击发生后经过时间t0,雷击点附近的绝缘子被击穿,绝缘子闪络电流记为i4(t-t0)。

当雷击避雷线档距中央未闪络时,在雷击点,注入避雷线的雷电流在该传输系统引起的电流行波响应为避雷线的电流行波响应i1(t)和i2(t),即在雷击避雷线档距中央情况下,避雷线暂态电流和雷电流满足如下等式:

图1中i1(t)在避雷线与杆塔相连的外撑角处发生分流后暂态电流i3(t)和i5(t)满足以下等式:

根据云广特高压直流输电线路的参数,避雷线波阻抗(约700Ω)与杆塔波阻抗(约200Ω)相比大得多,大部分避雷线上的暂态电流将沿杆塔流入大地。杆塔外撑角暂态电流i3(t)包含大部分i1(t)的上升沿信息,若能获取避雷线和杆塔之间的分流系数,则可以将i3(t)上升沿近似作为i1(t)上升沿以获取雷电流波形参数。

发生绝缘子闪络时,该传输系统的电流行波响应由雷电流激励和闪络故障附加激励先后2次冲击叠加产生。雷电流激励首先作用于避雷线上,作用过程与雷击未闪络时相同,在雷击避雷线档距中央引起闪络情况下,式(1)和式(2)依然成立。闪络故障附加激励首先作用于图1所示传输系统的绝缘子上,流过绝缘子的电流为闪络故障电流和杆塔折、反射电流行波,即绝缘子发生闪络后绝缘子的行波响应r为

其中,rA为闪络故障附加激励的响应(起始时间t=t0),rB为由杆塔注入闪络绝缘子的雷电流折、反射行波响应(起始时间t=t0)。绝缘子闪络电流i4(t-t0)是由先后2次激励所产生的,其中不含雷电流上升沿响应。

1.2 雷击杆塔外撑角

雷击杆塔外撑角示意图如图2所示,i1(t)和i2(t)分别为由雷击点向避雷线两端传播的暂态电流行波,ilight(t)、i3(t)、i4(t-t0)和Z0的含义与图1所示相同。

当雷击杆塔外撑角未闪络时,在雷击点,雷电流ilight(t)流入3个电流行波通道,即在雷击杆塔外撑角情况下,3个电流行波通道的暂态电流i1(t)、i2(t)、i3(t)和雷电流ilight(t)满足如下等式:

当雷击杆塔外撑角闪络时,与雷击避雷线档距中央类似,绝缘子闪络时雷电流上升沿行波已经离开闪络绝缘子传播,绝缘子电流行波响应满足式(3),绝缘子闪络电流i4(t-t0)由闪络故障电流和杆塔折、反射电流行波叠加而成,其中不含雷电流上升沿信息。

1.3 雷击塔顶

雷击塔顶示意图如图3所示,图中标号含义与图2相同。

雷击发生后,绝大部分雷电流将沿杆塔直接流入大地,因此在绝缘子未闪络时,流过杆塔外撑角的雷电流较少,注入避雷线的暂态电流即为流过杆塔外撑角的雷电流,故在雷击塔顶情况下,避雷线暂态电流i1(t)、i2(t)和杆塔外撑角电流i3(t)所包含的雷电流较少,不能用于获取雷电流波形参数。

在绝缘子闪络时,避雷线暂态电流i1(t)、i2(t)和杆塔外撑角电流i3(t)中所含雷电流上升沿响应依然较少,而且含有闪络故障附加激励施加的冲击电流。绝缘子闪络时,雷电流上升沿已经离开绝缘子传播,绝缘子闪络电流i4(t-t0)由闪络故障附加激励主导,绝缘子电流行波响应满足式(3),其中不含雷电流上升沿。

因此,在雷击塔顶闪络和未闪络情况下,i1(t)、i2(t)、i3(t)和i4(t-t0)都不能用于获取雷电流波形参数。对于雷击塔顶情况下雷电流波形参数的获取方法,仍需继续深入探讨研究。

2 电磁暂态仿真模型

2.1 系统模型

根据文献[10-11]中云广±800 k V直流输电工程的参数,利用PSCAD/EMTDC电磁仿真软件搭建云广±800 k V直流输电系统模型,直流输电线路使用六分裂导线,采用J.R.Marti频率相关模型,线路全长1 500 km,正、负极线两侧末端分别装有400 m H的平波电抗器,直流滤波器为12/24/36三调谐滤波器,仿真模型示意图如图4所示,图4中虚线框内为直流滤波器简化图。

2.2 边界模型

云广±800 k V直流输电线路末端的直流滤波器和平波电抗器构成了直流输电线路的物理边界[12],示意图如图5所示。其中,L=400 m H,L1=39.09 m H,L2=26.06 m H,L3=19.545 m H,L4=34.75 m H,C1=0.9μF,C2=0.9μF,C3=1.8μF,C4=0.675μF。F1、F2、F3、F4为直流滤波器避雷器,F5为平波电抗器避雷器,F6为直流母线避雷器。

将直流滤波器对地阻抗记为ZG,根据直流滤波器参数,分析ZG的阻抗频率特性如图6所示。雷击暂态行波频率在几万赫兹到数兆赫兹范围内,直流滤波器的阻抗线性增加,经计算可视为0.015 6 H的等效电感Leq。

2.3 注入雷电流

实测数据显示,雷电多为负极性脉冲波[13,14,15]。本文以负极性雷为例进行讨论与仿真,雷电流模型使用目前普遍采用的双指数模型[16],其数学表达式为

其中,I0为雷电流幅值,α和β为决定雷电流上升与下降时间的时间系数,雷电流的波头为2.6μs,波尾为50μs,其波形如图7所示。

实测数据显示,雷电对地放电多为负极性,本文数字实验中的雷电流均为负极性,雷电流模型为2.6/50μs双指数模型。雷击避雷线未闪络情况下,雷电流幅值为180 k A;雷击避雷线引起闪络情况下,雷电流幅值为260 k A。

2.4 绝缘子闪络模型

在判断绝缘子串是否闪络时,通常假设闪络电压是一个固定值[17,18],即把绝缘子视为一理想的压控开关,并将绝缘子串的50%放电电压(U50%)视为闪络判据。但雷电流陡度较大时,绝缘子串的实际闪络电压要大于U50%[19],所以仅用U50%作为闪络判据不能准确确定闪络时刻。按照雷击绝缘子闪络的物理过程,本文采用伏秒特性相交法作为绝缘子闪络判据,即绝缘子串上电压Us与伏秒特性曲线Us-t(t)相交,则认为绝缘子闪络,曲线相交点对应的时刻定为闪络时刻,如图8所示。

由以下经验公式确定50%放电电压为[20]

其中,绝缘子U50%单位为k V;lx为绝缘子串长度,单位为m。根据云广±800 k V直流输电系统的数据,绝缘子串长度为12.75 m,绝缘强度为6 100 k V。

伏秒特性Us-t(t)曲线由下式确定:

其中,Us-t(t)单位为k V;lx为绝缘子串长度,单位为m;t为雷击开始到闪络所经历的时间,单位为μs。

本文采用的雷电流模型为负极性雷电流模型,较易引起正极导线绝缘子闪络,故以下数字仿真试验中,始终以正极导线绝缘子为闪络故障发生处。

2.5 杆塔模型

准确模拟杆塔在雷击电磁暂态计算中占有重要地位。杆塔多波阻抗模型建立的理论基础是垂直导体不同高度处的波阻抗不同。将杆塔划分为多个波阻抗不连续的部分,不仅考虑了波在杆塔上的行进,还考虑了杆塔的自身结构、不同高度对地电容的变化[21,22]。云广特高压输电线路所用杆塔的多波阻抗模型示意图如图9所示。

2.6 接地装置模型

流过杆塔的雷电流将通过杆塔接地装置流向大地,不同的杆塔接地装置将影响杆塔遭受雷击时的暂态电位。考虑到接地体在土壤中的火花放电效应及冲击电压作用下接地体阻抗的时变特性[23,24,25],本文以多个π型等效电路模拟杆塔接地极,杆塔接地装置为口字形导体框和4根杆塔接地极,示意图如图10所示。

2.7 冲击电晕

线路电晕在导线表面场强超过某一临界值时才会产生,这一临界值通常称为电晕临界电场强度Eoc,典型的电晕伏库特性曲线如图11所示。雷电冲击波会在线路上产生强烈的冲击电晕[26]。

图中,OA段对应于导线电压小于电晕起始电压的波头部分,AB段对应导线电压等于电晕起始电压的波头部分电晕发展阶段,BC段对应冲击电压峰值过后的波尾部分。

根据直流电晕伏库特性曲线,可以得到如图12所示的冲击电晕等效电路[27]。其中,Cf为冲击电晕在导线上引起的附加电容,C0为导线几何电容,VD1和VD2为理想稳压二极管。

本文将导线分为若干段来近似考虑冲击电晕对沿线暂态电流、电压波形的影响,建立如图13所示的考虑冲击电晕和参数频变的线路模型,Cfi表示电晕附加电容,i=1,2,…,9;M代表图12中的VD1和VD2;RT代表杆塔模型[28]。

3 雷击未闪络分析

3.1 雷击避雷线档距中央未闪络

雷击避雷线档距中央未造成绝缘子闪络的情况下,图1中注入避雷线的雷电流ilight(t)、雷击点附近避雷线电流i1(t)与i2(t)、杆塔外撑角电流i3(t)和绝缘子闪络电流i4(t-t0)的波形如图14所示。此时,大地与输电线路之间未形成故障通路,绝缘子上闪络故障电流为0。根据KCL定理,i1(t)和i2(t)包含了注入避雷线的全部雷电流,而绝缘子串上没有闪络电流流过,从绝缘子上检测不到任何电流波形。

图1所示传输系统中,i1(t)和i2(t)流经避雷线与杆塔连接处时,将有部分暂态电流沿杆塔及其接地装置流入大地。以i1(t)为例,i1(t)传播至杆塔时,大部分暂态电流沿杆塔外撑角流入杆塔,即图1中的i3(t);另一部分继续沿避雷线向末端传播,即图1中的i5(t)。i3(t)包含大部分i1(t)所含有的雷电流上升沿信息,对i1(t)和i3(t)进行归一化处理后的波形示意图如图15所示。

由图15可知,虽然受杆塔波阻抗不连续的影响,i3(t)波形呈现一定的振荡,但波形振荡集中于下降沿部分,上升沿受折、反射影响较小,若能精确计算出杆塔和避雷线之间的分流系数,则可以通过该分流系数和i3(t)的上升沿近似获取ilight(t)的上升沿波形,进而得到近似的雷电流波形参数。

3.2 雷击杆塔外撑角未闪络

雷击杆塔外撑角未闪络的情况下,图2中各电流行波通道的电流波形如图16所示。由于雷击点位于避雷线和杆塔的连接处,在雷击点,雷电流分别流向避雷线两侧和大地,大部分雷电流将通过杆塔外撑角经由杆塔流入大地,杆塔外撑角电流i3(t)包含大部分的雷电流上升沿。与i3(t)相比,避雷线上暂态电流i1(t)和i2(t)所含雷电流较少,电流值很小。由于绝缘子未闪络,绝缘子闪络电流i4(t-t0)始终为0。

对ilight(t)和i3(t)做归一化处理,其波形比较图如图17所示。由图可知,i3(t)与ilight(t)在上升沿部分非常接近,在能够计算出杆塔和避雷线分流系数的基础上,可用i3(t)近似获取雷电流上升沿波形。

3.3 雷击塔顶未闪络

雷击塔顶未闪络的情况下,图3中各个电流行波通道的电流波形如图18所示。雷击点位于杆塔塔顶,雷电流向塔顶注入负极性电流,相当于从大地和避雷线抽取正极性电流,流过避雷线和杆塔外撑角暂态电流的方向与雷击避雷线或杆塔外撑角时相反。雷击点位于塔顶,故大部分雷电流将直接经杆塔流入大地,杆塔外撑角电流i3(t)、避雷线上暂态电流i1(t)和i2(t)的值很小,绝缘子闪络电流i4(t-t0)为0。

由于大部分雷电流上升沿经杆塔流入大地,流过杆塔外撑角的雷电流非常小,波形受杆塔折、反射行波的影响较为严重,因此在雷击塔顶未闪络情况下,从避雷线、杆塔外撑角或绝缘子上都无法获得较为完整的雷电流上升沿信息。

4 雷击闪络分析

高电压理论认为,绝缘子闪络并非瞬时完成,宏观上需经过电压建立和介质击穿的过程。若以Dahamel积分[29]分析雷击避雷线档距中央闪络情况下绝缘子的电流行波响应,则

其中,KA为杆塔和避雷线之间的分流系数,KB为绝缘子和杆塔之间的分流系数,h(t)为闪络附加故障激励,h′(t)为闪络附加故障激励的导数,r(t)为闪络绝缘子的阶跃响应,i′light(t)为注入避雷线雷电流激励的导数。ilight(t)起始时间为t=0,绝缘子闪络电流行波响应起始时间为t=t0,因此绝缘子的电流行波响应不包含[0,t0)区间内雷电流上升沿的响应。流过绝缘子的暂态电流经过了避雷线与杆塔、杆塔与绝缘子2次分流,其中所含雷电流成分较少。

4.1 雷击避雷线档距中央闪络

当绝缘子两端电势差大于其耐受电压时,绝缘子发生闪络,图1中各电流行波通道的电流波形如图19所示,t0为绝缘子闪络时刻。

发生绝缘子闪络后,闪络故障电流也会在杆塔上发生折、反射,雷电流和闪络故障电流的折、反射行波将流入闪络绝缘子和故障导线,导致绝缘子闪络电流i4(t-t0)波形有明显的振荡。闪络发生时,注入杆塔的雷电流上升沿行波已经离开闪络绝缘子传播,流过绝缘子的闪络电流i4(t-t0)为接地故障电流行波和雷电流在杆塔上的折、反射行波,不含有雷电流上升沿信息,由于避雷线与杆塔、杆塔与绝缘子2次分流,流过绝缘子的闪络电流在幅值上与雷电流相差甚远,闪络故障附加激励对绝缘子闪络电流的大小和波形起着主导作用。在雷电反击情况下,流过故障输电线路的暂态电流与闪络绝缘子一致。故从故障导线和绝缘子上都不能测得雷电流上升沿响应。与雷击避雷线档距中央未闪络情况类似,避雷线内暂态电流含有完整的雷电流上升信息,受雷电流和闪络故障附加激励的冲击电流在杆塔上折、反射的影响,i3(t)波形呈现振荡特征,但其上升沿部分与ilight(t)基本一致,进行归一化处理后ilight(t)和i3(t)的波形比较图如图20所示。

图20中,ilight(t)和i3(t)在上升沿部分基本一致,故在雷击避雷线档距中央闪络情况下,若能获取杆塔和避雷线之间的分流系数,则可根据i3(t)获取相应雷电流上升沿。

4.2 雷击杆塔外撑角闪络

当雷击点为杆塔外撑角闪络时,雷电流在雷击点分别流向避雷线两侧和大地,图2中各电流行波通道暂态电流波形如图21所示。

在绝缘子发生闪络时,ilight(t)上升沿已经离开闪络绝缘子传播,i4(t-t0)所含电流成分为闪络故障发生时闪络故障附加激励的冲击电流和暂态电流在杆塔内产生的折、反射电流行波,其中没有ilight(t)上升沿信息。由于雷击点在杆塔上,雷击发生后大部分雷电流经杆塔入地,因此,在图2所示各个电流行波通道中,i3(t)与ilight(t)波形最为相近,对二者做归一化处理后的波形比较图如图22所示。

与雷击杆塔外撑角未闪络时类似,雷击杆塔外撑角闪络时,在获得准确的杆塔和避雷线分类系数的基础上,i3(t)上升沿可以近似作为雷电流上升沿。

4.3 雷击塔顶闪络

当雷击塔顶时,在雷击点处,雷电流分别向3个电流通道传播,图3中各个电流行波通道的电流波形如图23所示。雷击点位于杆塔塔顶,大部分雷电流直接通过杆塔及其接地装置流入大地,i3(t)、i1(t)和i2(t)较小,其波形受杆塔折、反射电流行波影响较大,不能反映ilight(t)上升沿波形。绝缘子闪络时,雷电流上升沿行波已经离开闪络绝缘子传播,i4(t-t0)内不含雷电流上升沿行波。故在雷击塔顶闪络情况下,i1(t)、i2(t)、i3(t)和i4(t-t0)都不能反映ilight(t)。

式(3)指出雷电反击闪络时,绝缘子的行波响应为闪络故障附加激励响应rA和杆塔注入闪络绝缘子的雷电流折、反射行波响应rB之和。图24(a)为雷击避雷线情况下,rA和rB分别作用于图1所示传输系统时i4(t-t0)的暂态波形,图24(b)为雷击避雷线闪络时绝缘子闪络电流与rA、rB之和的波形比较。

由图24可见,rA和rB的叠加即为雷电反击故障时的绝缘子闪络电流响应,由于绝缘子闪络时,流入杆塔的雷电流上升沿行波已经离开绝缘子传播,故绝缘子暂态电流不含有雷电流上升沿响应。

5 亟需研究的问题

为获取雷电流波形参数,在分析雷击避雷线档距中央、杆塔外撑角和塔顶的暂态过程中,应对下列问题加以探讨:

a.区分雷击与短路故障;

b.区分反击与绕击;

c.区分雷击点是位于避雷线、杆塔外撑角还是塔顶。

当雷击点位于避雷线和杆塔外撑角时,若能够精确计算杆塔与避雷线之间的分流系数,则可采用杆塔外撑角暂态电流,而雷击塔顶情况下的雷电流波形参数获取方法需要进一步探讨。现有的雷电流检测技术是在杆塔外撑角和绝缘子上装设Rogowsk线圈以测量2类电流行波通道上的暂态电流来获取雷电流波形参数,此类雷电监测设备的示意图如图25所示,其中图25(a)为安装于杆塔外撑角上的穿芯式传感器,图25(b)为安装于导线绝缘子上的穿芯式传感器。

根据数字仿真试验可知:测量杆塔外撑角暂态电流的方法只在雷击避雷线档距中央和杆塔外撑角的情况下适用,在三相导线绝缘子上嵌套的Rogowsk线圈所测始终为系统闪络电流,其波形由该传输系统故障附加激励主导,它不能用于获取雷电流波形参数。获取反击情况下雷电流波形参数的检测方法仍需继续探讨。

6 结论

从获取雷电流波形参数的角度出发,本文针对雷击避雷线档距中央、杆塔外撑角和塔顶等情况进行了数字仿真试验,对比分析雷击点和闪络点附近的避雷线、杆塔外撑角和绝缘子的暂态电流,得到以下3点结论。

a.雷击避雷线或杆塔外撑角情况下,无论雷击是否造成绝缘子闪络,流过杆塔外撑角的暂态电流都包含大部分雷电流上升沿响应,可以用于获取雷电流波形参数。当绝缘子闪络时,绝缘子闪络电流中不含雷电流上升沿响应,不能用于获取雷电流参数。

b.雷击塔顶时,无论是否造成绝缘子闪络,大部分雷电流直接经杆塔入地,其余电流行波通道所含雷电流上升沿响应很少。当绝缘子闪络时,绝缘子闪络电流中也不含雷电流上升沿信息,不能用于获取雷电流参数。

c.通过绝缘子闪络电流获取雷电流波形参数的方法无法在雷击未闪络时获取雷电流信息,在反击闪络情况下也不能获取准确的雷电流波形参数。

摘要：从获取雷电流波形参数的角度出发,研究雷击特高压直流输电线路的避雷线档距中央、杆塔外撑角和塔顶时传输系统的行波响应,依据分布参数电路理论分析注入传输系统的雷电流在各电流通道中的电流行波波形。当雷击避雷线或避雷线与杆塔外撑角连接处未造成闪络时,避雷线与杆塔外撑角连接处的暂态电流含有大部分雷电流上升沿响应;当雷击塔顶未闪络时,大部分雷电流经杆塔直接流入大地。发生雷击闪络时,传输系统受到雷电流激励和闪络故障附加激励先后2次冲击,其波过程可视为2次冲击在传输系统引起的行波暂态响应。绝缘子闪络时,雷电流上升沿行波已经离开绝缘子传播,绝缘子闪络电流波形上升沿与注入传输系统的雷电流上升沿相差甚远。当雷击避雷线或杆塔外撑角连接处造成闪络时,杆塔外撑角连接处的暂态电流包含了绝大部分雷电流上升沿响应;在雷击塔顶造成闪络情况下,雷电流上升沿主要经杆塔流入大地,其他电流行波通道所含雷电流上升沿响应较少。无论雷击是否造成闪络,绝缘子闪络电流均不含有雷电流上升沿信息,故为了获取雷电流波形参数,需检测雷击点附近避雷线或避雷线与杆塔外撑角连接处的电流行波。

输电线路电磁环境篇8

近年来, 随着特高压直流输电线路的建设和运行, 直流输电线路导线电晕引起的电磁环境问题受到广泛的关注。

项目获得了直流线路离子流迁移率、复合率等参数的取值方法和取值范围, 给出了更符合实际情况的合成电场计算方法;通过电晕笼内大量导线的试验, 得出了适用于6分裂、8分裂, 截面1000平方毫米以下的±1 100千伏直流线路可听噪声和无线电干扰预测公式, 确定了满足工程需要的导线分裂型式建议, 确定最小极间距、极导线最小对地高度和走廊宽度。

输电线路电磁环境篇9

电网多年运行经验表明,架空输电线等输变电设备长期暴露于大气环境之中,其能否安全可靠运行与外部气象环境有密切关系。因此,认识输电线路的故障特性、提升电网运行可靠性水平一直是电力系统规划、调度运行、设备维修等工作所关注的重点。

文献[1-2]指出自然灾害、气候因素是造成我国架空线路非计划停运的主要原因,2011 年自然灾害、气候因素导致的220~500 k V输电线路非计划停运占非计划停运总次数的84.36%。气象环境影响输电线路的安全可靠运行主要有2 种形式:气象条件的累积作用,如温度、日照的逐渐累积和不可逆过程导致导线抗拉强度损失的老化失效;气象灾害的冲击作用,如雷击、台风、山火等对输电线的电气绝缘或物理强度的破坏而导致强迫停运。

在气象环境对输电线路的累积作用研究方面,文献[3-4]考虑了环境温度、风速、风向、日照等气象条件对输电线路老化作用的影响,提出了用威布尔分布来描述计及气象条件累积作用的输电线路老化失效模型;文献[5]在进行输电线路动态增容运行风险评估时,提出模拟产生与线路热容量相关的环境温度、风、日照等气候模型各参数后验分布的随机序列来获取气候模型,进而利用该模型通过蒙特卡洛模拟来预测导线温度的分布。

在气象环境对输电线路的冲击作用研究方面,文献[6]对北京电网1990—2009 年间的电网故障记录进行了分类筛选与统计分析,研究了与气象相关的电网故障逐月时间分布特征,但未给出明确的数学描述;文献[7]利用1983—2008 年河北省灾情直报数据,分析了大风对河北电网设施损毁的时空分布规律,指出故障逐月分布呈现明显的单峰特性,6—8月为主要的故障高峰期;文献[8]分析了我国南方某地区电网跳闸事件的时间分布特征,指出故障集中发生在4—9 月,与当地的雷电天气时间分布(4—9月)、暴雨天气时间分布(5—9 月)、台风天气时间分布(4—10 月)成明显的同步相关性特征。文献[9]建立了强风雨荷载下输电线路的可靠性模型。前述研究成果揭示了电网故障与气象灾害之间的关联关系,但尚缺乏对这些关联关系的数学描述。

在电网概率风险评估中,描述元件故障前工作时间和故障后修复时间的概率分布[10,11,12,13,14]主要有:指数分布、威布尔分布、伽马分布、正态分布、对数正态分布等。其中,故障前工作时间分布模型主要是线路整个寿命周期内的结构老化模型,对于气象灾害的冲击作用而导致的短期强迫失效不具有适用性。

针对上述问题,本文从气象对电网影响的周期性特征出发,提出故障率依据历年相同月份故障事件统计计算的方法,并在获得各月故障率样本的基础上,寻求全年纵向时间方向的故障率分布函数,由此得到时间相依的故障率数学模型,用以反映不同地区、不同电压等级、不同气象环境下的输电线路故障时间变化的规律。然后采用一次基波傅里叶函数来模拟输电线路故障率的逐月分布情况,并以故障逐月分布具有双峰特性的中部地区和具有平缓单峰特性的南方沿海地区的电网实际故障样本进行拟合检验。进一步,针对单峰特性的故障率逐月分布,使用更少参数的高斯函数和威布尔函数分别进行拟合检验。最后,使用最常用的几种概率分布模拟气象相关的输电线路强迫停运时间的概率分布,并分析和比较了各分布拟合函数的优劣。

1 气象所致输电线故障时间特征分析

国内外许多专家学者在气象条件等环境因素对输电网可靠性的影响方面已开展了一些研究,其目的是更客观地反映电网可靠性水平随气象条件的变化。主要采用的方法包括:分状态考虑气象因素[15,16,17,18,19],即把气候状态分为两态、三态甚至多态;具体考虑在某一种气象条件下的故障率估算或基于气象预报的故障率预测[20,21,22,23,24,25,26,27,28],并据此进行电力系统风险评估。

然而,大部分地区的输电线路均要经历一年四季多种气象环境因素的作用,仅以个别因素或少量状态来描述输电线路的风险水平仍然不够完整,也难以反映一年内不同时期线路风险水平的变化。

如前所述,自然灾害、气候因素是造成架空线路非计划停运的主要原因。文献[29]指出:气候系统的变化特征具有自记忆特征,气候事件序列在不同的时间标度上有相似的统计特性,表现出长程相关性。以天文角度划分四季的方法,适用于我国长江、黄河沿线及其之间的中部地区[30]。这些地区气候特征四季分明,气象灾害也有明显的季节特性,夏季有雷雨、飑线风等强对流天气,冬季有覆冰、舞动、污闪等,春季有少数地区存在大风天气,秋季存在一些山火灾害,总之是冬夏相对较多、春秋相对较少,呈现双峰特性。这些地区的输电线受气象灾害冲击影响,线路强迫停运也普遍存在冬夏多、春秋少的双峰特性。

对于我国南方沿海地处较低纬度的南亚热带季风气候区域,四季划分方法采用的是气候学标准。例如,南方沿海某地区的气候特征[31]如表1 所示。

南方沿海地区气候特征呈现明显的长夏短冬特点,输电线路主要受长夏季中的雷电、台风、大风、暴雨影响,而冬季很短且无冰雪,导线不受覆冰和舞动影响,故障时间分布呈平缓单峰特性。

2 历史同期月故障率统计方法

由于气象灾害年际爆发有差异,与气象环境相关的线路故障率在不同年份也有差异。尽管年度间有差异,但多年中历史同期的月份气象灾害导致的线路故障分布却基本不变。

根据故障率的定义:

则可按式(2)求取历史同期各月故障率:

其中,λ(x)为历史同期第x月的故障率(次/ 月);Nxi为第i年第x月中的故障次数;Tx为第x个月的时间;M为统计年数。

例如,根据式(2)对我国中部某省电网多年数据进行统计分析,如图1 所示,其发生故障的峰值月份出现在1 月和7 月,谷值出现在5 月和10 月,故障的时间分布具有明显的“峰-谷-峰-谷”特性。进一步结合当地的气候特点分析,该电网故障主要受冬季覆冰、舞动、污闪,夏季强对流天气导致的雷击、风害影响,在春秋季节有一些鸟害和山火。其中输电线冰害主要出现在每年的1—3 月,舞动跳闸事故主要发生在每年的1 月、2 月和11 月,雷击跳闸事故集中出现在每年的6—8 月,鸟害发生的时间相对集中在3、4 月的鸟儿筑巢期及11 月候鸟迁徙季节,大风或风偏灾害主要发生在4—6 月。因此,采用按多年历史同期各月故障率为依据而不是以年均故障率为参考的时变故障率,更能反映输电线路的时间相依故障规律。

使用各月故障率的有名值来描述时间分布规律特征时,可能因为不同地域电网的差异,虽然分布曲线形状相似,但参数值变化很大。因此,本文使用规范化的故障率函数来反映故障率的逐月时间分布特征,故障率规范化值计算公式为:

其中,λ(x)为历史同期第x月的故障率(次/ 月);λave为多年平均值故障率(次/a);λa′ve为归算到月的多年平均值故障率(次/ 月);f(x)为历史同期各月故障率规范化值分布函数。

3 故障率逐月分布特征模拟

3.1 故障率逐月分布函数假设

如前所述,输电线路故障率是随时间变化的,且不同地区由于其地理位置和输电网络布局的差异,也具有不同的故障率时间分布特性。因此,在得到历史同期各月故障率基础上,若能模拟得到全年故障率的时间变化特性,则可以用于电网运行与检修策略的制定。

我国长江沿线到黄河沿线之间的中部地区具有春夏秋冬四季分明的气候特点,输电线故障逐月时间分布通常具有“峰-谷-峰-谷”特性,由于可以通过调节周期系数来改变峰谷周期,调节均值系数、幅值系数来改变峰谷值,傅里叶函数对多峰周期性曲线的拟合具有很好的适应性。因此,可假设其输电线的故障时间分布为一次基波傅里叶函数。一次基波傅里叶函数的表达式如下:

其中,a、b、c、ω 为拟合待定系数;x为月份。

南方沿海地区具有长夏短冬的气候特点,输电线故障具有明显的平缓单峰月分布特征,使用一次基波傅里叶函数需要拟合4 个参数。而高斯函数和威布尔函数分别只需3 个和2 个参数就能较好模拟平缓单峰曲线[32],因此进一步假设这类地区输电线故障的逐月时间分布为高斯函数或威布尔函数。

高斯函数的表达式如下:

其中,A、B、C为拟合待定系数。

威布尔函数的表达式如下:

其中,α 为待定尺度参数;β 为待定形状参数。

3.2 一次基波傅里叶函数参数拟合

以我国中部某省电网2001—2011 年间与气象环境相关的236 次220 k V线路故障事件为样本,采用上述傅里叶函数表示的故障率逐月分布假设,进行函数拟合。拟合结果如图2 所示,图中故障率规范化值为标幺值,后同。各系数拟合值为:a = 0.082 0,b = 0.014 2,c = 0.047 6,ω = 1.079 0。拟合优度:判定系数Rsquare= 0.712 3,均方根误差 δRMSE= 0.027 5。

对于故障率逐月时间分布呈平缓单峰特性的地区,本文以南方某沿海电网的2007—2013 年间与气象环境相关的162 次220 k V线路故障事件为样本,进行了函数拟合,拟合结果如图3 所示,各系数拟合值为:a= 0.1020,b=-0.0057,c=-0.1054,ω=0.6619。拟合优度为:判定系数Rsquare= 0.857 8, 均方根误差δRMSE=0.037 9。

从上面两例可以看出,通过改变均值系数a,幅值系数b、c,和周期系数 ω,傅里叶函数能够适应峰谷交替和单峰特性的故障率逐月分布曲线拟合,方便实用,可推广性强。

3.3 单峰曲线的多种函数参数拟合

对于分别只需3 个和2 个参数就能较好模拟平缓单峰曲线的高斯函数和威布尔函数,仍然以南方某沿海电网的2007—2013 年间与气象环境相关的162 次220 k V线路故障事件为样本,进行了对比函数拟合,结果如表2 和图4 所示。可见,对于平缓单峰特性的南方沿海地区,可以使用表达式更为复杂但参数更少的高斯函数和威布尔函数进行模拟。

更进一步,对于其他电压等级的线路,本文提出的故障率逐月分布函数假设是否同样适用?为此以南方某沿海电网2007 — 2013 年间与气象环境相关的569 次110 k V线路故障事件为样本,进行了对比拟合检验,结果如表3 和图5 所示。

对比图4 和图5 以及表2 和表3 可以得出以下结论。

a. 南方沿海地区电网不同电压等级的输电线路,其故障率逐月分布呈现明显相似的单峰特性,单峰峰值均出现在7 月,模拟结果参数相近;同时,由于110 k V线路的故障样本数更多,拟合结果更好。

b. 使用傅里叶函数、威布尔函数、高斯函数均能很好地模拟这种单峰特性的故障率逐月分布曲线,威布尔函数虽然表达式复杂,但只需通过改变形状参数和尺度参数,就可以达到更好的拟合优度。

因此,在实际运用中可以根据模拟的准确度需要,选择表达式简单的4 参数一次基波傅里叶函数,或者表达式复杂的2 参数威布尔函数。

4 输电线路强迫停运时间分布特征模拟

前文分析和模拟了输电线路故障率逐月分布函数,而对于输电线路强迫停运时间,描述其概率密度函数分布的主要有:指数分布、威布尔分布、伽马分布、对数正态分布等。此外,文献[13]使用埃尔朗分布来描述维修时间的概率分布,而埃尔朗分布实质上是一种形状参数为整数的伽马分布。文献[33]提出了使用时域齐次马尔科夫过程描述停运模型的“叠加指数分布”,相当于2 参数的指数分布。

指数分布的表达式如下:

其中,t为停运时间;μ 为均值,方差为 μ2。

威布尔分布的表达式如下:

其中,α 为尺度参数;β 为形状参数。

伽马分布的表达式如下:

其中,γ 为形状参数;κ 为尺度参数;Γ(·)为伽马函数,如式(10)所示。

对数正态分布的表达式如下:

其中,ν 为对数均值;σ 为对数标准差。

对于以上几种常用停运时间概率密度函数,受气象灾害影响而导致强迫停运的输电线路,其停运时间分布使用哪种更为合适?为此本文以南方沿海某地区电网2007—2013 年间110 ~ 220 k V电网由于气象相关原因造成的134 次输电线强迫停运事件为样本,对停运时间概率密度函数进行分布拟合检验。

样本停运时间序列的统计均值为8.120 7 h,方差为51.6451。分布拟合采用极大似然估计法,拟合检验采用0.01 显著性水平的 χ2检验法,分布拟合和检验结果如图6 和表4 所示。

表4 中ln L表示对数极大似然估计值,Emean表示拟合函数的均值,δvar表示拟合函数的方差。从表4 可见: 对数正态分布拟合的均值9.301 8 和方差221.933 0 均与样本均值8.120 8 和样本方差51.645 1差别较大,虽然在样本较多的情况检验通过,但其参数估计值却最差(ln L值最小)。由于威布尔分布和伽马分布可以通过调节形状参数或尺度参数来反映概率密度曲线的变化,因此使用威布尔分布或伽马分布均能较好地拟合停运时间的概率密度函数。同时,指数分布由于只有一个均值参数 μ,当样本方差接近 μ2时,亦可很好地模拟停运时间的概率密度函数,但样本方差同指数模拟的方差 μ2差别较大时,拟合优度就较差。

本文样本参数的统计均值8.1207 h,与文献[1-2]公布的2010、2011 年全国220 k V线路因气象环境相关的平均停运时间分别为8.0452、13.2107 h是吻合的。由于指数分布只需估计参数的均值,因此在缺乏大量详细样本信息时,可以通过查阅各地报往电力可靠性管理中心的数据,使用指数分布描述停运时间概率分布。

5 结论

针对气象环境相关的输电线故障率逐月时间分布特征和强迫停运时间概率分布特征的数学描述问题,本文提出了以月为时间尺度的时变故障率计算方法,用于反映输变线路的时间相依的故障规律。在此基础上给出了输电线故障率逐月分布函数强迫停运时间函数模拟方法,并以故障逐月分布具有双峰特性的中部地区和具有平缓单峰特性的南方沿海地区电网的实际故障样本进行了拟合验证。通过研究得出如下结论。