短路故障下500kV變電站工頻磁場分析

羅鵬

【摘 要】為了深入研究變電站站內工頻電磁場在正常運行狀態及故障狀態時的分布情況，提高變電站工頻電磁場仿真計算效率，以500kV變電站為例，采用CDEGS軟件對變電站進行模型建立與工頻電磁場分布的仿真計算。通過將仿真結果與實測結果的對比，驗證了該軟件的正確性。最后分析了變電站正常狀態與故障情況的工頻電磁場分布情況，優化變電站工頻電場分布的各種情況，為其他電壓等級變電站的計算與分析提供了一種有效方法。

【關鍵詞】變電站;CDEGS;工頻磁場;仿真分析

0引言

電力在社會生產和人類生活中的廣泛應用，工頻電磁場的分布已經越來越受到關注。目前我國輸變電工頻電磁場的職業暴露[1]限值分別為10kV/m、500uT。根據《電力行業作業場所工頻電磁場安全防護規定（試行）》[2]將工頻電磁場安全防護等級分為三級：0級（工頻電場強度在5kV/m以下，或磁場強度在100μT以下）、Ⅰ級（工頻電場強度在5kV/m～10kV/m或磁場強度在100μT～500μT）、Ⅱ級（工頻電場強度在超過10kV/m或磁場強度超過500μT）。

目前，國內關于變電站的研究，關于變電站工頻電磁場的測量分析較多[3～6]，而變電站工頻電磁場的計算分析還比較少[7、8]。模擬電荷法[7]等較傳統的電磁場計算方法分析電磁環境效率不高，還要有較強的編程能力。近年來，開始利用一些軟件仿真分析變電站電磁場分布[9、10]。以 500 kV 變電站為例采用了 IES-Coulomb 軟件進行了單個設備與單相設備仿真，并與文中方法計算結果對比，驗證了計算結果的正確性[9]。采用CDEGS對晉東南特高壓變電站進行了全局建模分析，預測了變電站線路下、保護小室與圍墻外等處電磁場強度[10]。相比較而言，軟件仿真分析靈活、可靠、簡捷、適用于復雜結構的電磁環境計算。

1 矩量法及模型建立

1.1電站的數學計算模型

本文以某500kV變電站為例進行仿真計算。由于變電站內大多高壓帶電設備多且形狀不規則，為了得到整個變電站內工頻電場的總體分布情況，在建模過程中，對變電站進行如下簡化處理：將母線、進線、出線和設備間相連的導線視為圓柱形導體，導線電壓是已知的，導線為良導體，導線上的電壓幾乎不變，即不考慮線路損耗;不考慮變電站內如斷路器、隔離開關等電氣設備對電磁場的影響。采用CDEGS軟件對500kV變電站進行建模，建模時設定地面為零電位且視為無限大平面，作為良導體考慮。導線各相施加電壓按正弦規律變化，500kV各相電壓幅值為500/√3kV，A、B、C三相電壓依次滯后120°。

2變電站正常及故障狀態下的工頻磁場計算與分析

2.1常狀態時的工頻磁場計算

采用CDEGS軟件，對500kV變電站站內離地1.5m處工頻磁場分布進行計算分析。由于變電站內導線電流值大小隨著負荷的大小而發生著變化。因此對工頻磁場進行仿真計算時，假定每回進線的電流值大小為140A，每回出線的電流值大小為70A。最終求出地面上方1.5m處的工頻電場分布三維圖及等值色塊圖，如圖1所示。

從圖1中可以看出，變電站工頻磁場強度值大多在1uT左右，工頻磁場幅值最大值為1.97uT，遠遠低于工頻電磁安全防護導則規定的職業暴露限值100uT（安全防護0級）。磁場強度較大值大多出現在每一回進出線的中間導線的下方，而隨著距中間導線距離的增大而逐漸減小。由于母線上的電流值較小，因此母線下方磁場相對較小。整個變電站內的工頻磁場都遠遠低于100uT，站內職員可安全持續的工作。

2.2故障狀態時的工頻磁場計算

圖1和圖2分別為進線發生單相、三相故障時變電站的工頻磁場分布三維圖。

從圖2和3中可以看出，第一回進線發生單相短路故障跟發生三相短路故障時，工頻磁場分布規律相似。單相短路故障時，工頻磁場大多為100uT，大多位于安全防護0級。三相短路故障時，工頻磁場大多為130uT，大多位于安全防護Ⅰ級。由于三相短路故障時各相工頻磁場的疊加，使得工頻磁場的幅值比單相短路故障的稍大。

由于變電站內自動保護裝置如斷路器等作用時間約為1s，因此站內磁場超過100uT的時間很短，且工頻磁場幅值都遠低于相關準則中職業暴露限值500uT。

3結論

（1）采用加拿大SES公司的CDEGS軟件對某500kV變電站工頻電磁場進行仿真分析，能在較短時間內完成模型建立及有效地計算變電站站內工頻電場分布，仿真結果與變電站的實際測量數據都能基本吻合，為計算其他電壓等級變電站的工頻電場提供了準確、快速的方法。

（2）通過對500kV 變電站的工頻電磁場進行仿真計算，分析了變電站的工頻電磁場分布規律：工頻電場強度較大值主要集中在導線交叉與每回導線外側區域;工頻磁場強度較大值主要位于每回導線的中間區域，工頻磁場幅值大多為1～1.5uT。故障情況時，磁場強度幅值也遠遠低于暴露限值500uT。

參考文獻：

[1]HJ/T 24-1998 500 kV超高壓送變電工程電磁輻射環境影響評價技術規范[S]，1998.

[2]徐祿文，李永明，劉昌盛，俞集輝，侯興哲.重慶500kV變電站內工頻電磁場及安全性研究[A].中國電機工程學會電工數學專業委員會.第十一屆全國電工數學學術年會論文集[C].中國電機工程學會電工數學專業委員會：，2007：6.

（作者單位：國網重慶璧山供電公司）