交流输电线路工作时，导线上的电荷将在空间产生工频电场，导线内的电流将在空间产生工频磁场。在强电场中，对地绝缘的人接触接地物体，处于地电位的人接触对地绝缘的物体，可能会感觉到电流流过人体或出现不愉快的火花放电，这是工频电场的短期效应。关于工频电场另外一个问题是，工频电场是否会产生长期的生态影响？随着电压等级的提高，尤其发展到特高压阶段，输电工程的工频电场和磁场的长期生态影响如何，已经变成人们关注的焦点。
而且选择输电线路走廊，除了考虑电气强度因素外，输电线路下方的电场强度是一个重要因素。
本章论述的内容包括：高压输电线路下方感应工频电场与磁场的计算方法、高压输电线逆问题的研究、变电站内工频电磁场分析及干式空心电抗器工频磁场环境。
7.1输电线路简介
7.1.1我国架空型输电线路的现状
1.交流架空输电线路
输电线路有交流输电线路和直流输电线路两种。按电压等级，交流输电分为高压、超高压和特高压。高压(HV)指35~220kV范围内的电压等级，包括35kV、110kV和220kV。
35kV输电线路输送容量在2.0~10MW，输送距离达20~50km，主要用于县级电网中；110kV线路输送容量10~50MW，输电距离30~150km，主要用于市区级电网中；220kV线路输送容量100~200MW，输送距离100~300km，主要用于省级电网中。超高压(EHV)指330kV及以上，1000kV以下的电压等级，包括330kV、500kV和750kV。300kV线路输送容量200~500MW，输送距离200~600km，是我国西北地区电网的主干；500kV线路输送容量400~1000MW，输送距离150~850km，是我国华北、华东等各大地区电网的主干。750kV是西北电网330kV升级的超高压等级，已于2005年建成示范线路并投入运行试验。特高压(UHV)指1000kV及以上的电压等级。我国规划在2020年前后建成国家电网交流特高压系统，现已于2007年建成1000kV试验线段并投入运行。
2.直流架空输电线路
直流输电线路有以±500kV为主的高压直流(HVDC)和以±800kV为主的特高压直流(UHVDC)。目前已建成投产的主要是±500kV直流输电工程，有我国第一条±500kV直流输电工程——1989年投产运行的葛洲坝至上海南桥全长1045km，输电容量1200MW的葛洲坝-南桥直流架空输电线路，2003年投产运行的三峡水电站首个直流输电工程——三峡至江苏常州全长860km，输电容量3000MW的三常±500kV直流架空输电线路及2004年投产运行的三峡至广东1000km、3000MW三广±500kV直流架空输电线路和2006年投产运行的三峡至上海1100km、3000MW三沪±500kV直流架空输电线路等。±800kV直流输电是我国建设国家特高压电网规划的重要部分，目前已提出可行性报告的工程有计划2012年投产的四川向家坝-上海6400MW直流输电线路，计划2014年投产的云南溪洛渡-湖南株洲6400MW直流输电线路和计划2017年投产的溪洛渡-浙江6400MW直流输电线路。
7.1.2架空输电线路的结构
1.架空输电线路的总体构造
如图7.1所示，架空输电线路由杆塔架设，输电导线通过绝缘子串接在杆塔上，与杆塔绝缘。杆塔顶端绝缘子串上连接架空地线，即避雷线。避雷线位于输电线上方并通过接地体与大地连接，可有效避免输电线路遭受雷击。杆塔上还有用于握持架空线的线夹、用于连接输电线段的连续金具和用于抑制输电线振动、控制绝缘子和金具电晕和闪络发生的保护金具及杆塔的拉线金具等线路金具部件。杆塔通过拉线和埋入地下的基础固定于地面。架空输电线路铺设的距离长，路径地形复杂，杆塔必须起到很好的承载作用。如图7.2所示，一定距离的线路为一个耐张段，耐张段两端使用钢架结构的铁塔作为耐张杆塔，承受较大的架空线张力。铁塔之间的直线线路按一定的挡距架设钢筋混凝土电杆作为直线杆塔(中间杆塔)，承受一定的输电线垂直载荷。在线路的转角处，有专门承受两侧输电线角度力的转角杆塔。在线路与河流、山谷、铁路的交叉处，还有承受大跨度重荷载的跨越杆塔。
2.常用输电导线的型号和导线排列方式
220kV以下的架空输电导线大都是多股线丝组成的绞合线，如钢芯铝绞线、铝绞线和镀锌钢绞线。绞合线的型号规格按国家颁布的GB1179-1983标准，材料标识T——铜、L——铝、G——钢，绞线标识J，导线标称截面单位mm2，如LJ-120GB1179-1983为标称截面120mm2的铝绞线，LGJ-300/50GB1179-1983为标称截面铝300mm2、钢50mm2的钢芯铝绞线。钢芯铝绞线既有较高的导电率，又有较好的机械强度，是最常用的一种绞合线。其芯线为单股或多股镀锌钢绞线，外层为单层或多层的铝绞线，如图7.3所示。
由于交流电的集肤效应，四周电阻率较小的铝绞线截面主要起载流作用，芯部机械强度好的钢绞线主要支撑导线的荷载。一种特殊结构的钢芯铝绞线为扩径钢芯铝绞线(LGJK)，如图7.4所示。
外层铝绞线和内层钢芯之间用6股铝绞线构成的支撑层隔开，增大了有效半径，提高了输电线的载流能力，同时减少了线路电晕损失，目前我国西北高海拔地区的750kV输电线路已开始使用LGJK-300/50型扩径导线。
超高压输电线路大多使用分裂导线。线路的每相由几根在空间分开但电路连接的标准绞线组成，如图7.5所示。
分裂导线不需专门制造，在各标准绞线子导线之间安装间隔棒即可。常规型线路使用的分裂导线的子导线分别位于边长为400~450mm的正多边形定点上，紧凑型线路上的分裂导线子导线排列不一定是正多边形，也有梯形、抛物线形等。分裂导线大大增加了输电线的等效半径，提高了载流能力，同时降低了线路阻抗和电晕损耗。我国220kV线路使用二分裂导线，500kV大多使用四分裂导线，1000kV和±800kV的特高压线路正研究八分裂导线的使用。
线路相导线间的排列按输电线路不同的回路数有不同的方式。一个完整的三相输电通道称为一回。输电线路有单回线路、双回线路及多回线路。单回线路导线排列方式如图7.6所示，分别称做三角形、上字形和水平排列方式。
双回线路导线排列方式如图7.7所示。分别称做伞形、倒伞形、六角形和双三角形。我国已于2006年建设成功首条500kV同塔四回输电线路。图7.8所示为同塔四回线路的塔型结构。
3.紧凑型输电线路
一般的架空输电线路各相导线没有连接，彼此间隔远，占地面积大。为解决线路用地紧张问题，我国开始建设使用紧凑型架空输电线路。1994年我国第一条紧凑型线路——北京安定至河北廊坊的220kV安廊线建成投运，目前我国已建设330kV和500kV等级的紧凑型输电线路。与常规线路相比，紧凑型线路各相导线之间使用相间绝缘间隔棒连接，大大缩短了相间距离，降低了线路用地。同时通过增加每相分裂导线的分裂数和子导线间距，优化导线的排列，紧凑型线路大幅度提高了线路的自然输送功率。紧凑型线路相导线的排列方式主要有倒三角形和垂直排列方式，如图7.9所示。
每相采用四分裂导线，倒三角排列时每相分裂导线子导线正梯形分布，下相的分裂距离与上两相略有不同；垂直排列时，上、下相导线为互相倒置的正梯形，中相为矩形。
7.2输电线路工频电磁场
7.2.1高压输电线路的电磁环境制约特高压电建设
输电线路的生态环境影响主要表现在土地的利用、电晕所引起的通信干扰，以及可听噪声、工频电磁场对生态的影响等方面。由于特高压输电电压高、分裂导线多等特点，必然导致导线表面电场强度及输电设备周围的空间电场强度的升高，而特高压输电线路和变电站出现的电晕现象和强电场效应对人体和生态环境是否会带来危害，一直是人们非常关心的问题。
事实上，在场强较高的区域活动时，某些人会产生毛发竖立或皮肤刺激感，甚至在某些情况下会因人体与其他物体间发生火花放电和电击引起明显的刺痛，对于平地站立的人会引起烦恼，对于高空作业而又没有思想准备的人还可能引起坠落事故。除了以上可以直接感受到的效应外，一个须引起普遍关注的问题是，电场长期作用对生态的影响。尤其是工频电磁场的生态效应，1972年，前苏联关于超高压变电站工人反映电场对身体有影响的报告在大电网会议上发表后，引起了很大的轰动，所报道的影响有头痛、疲倦、性功能减退和其他一些变化。
20世纪60年代开始，关于工频电磁场是否对流行病产生影响引起了学术界的广泛关注。
尤其是1979年Wertheimer-Leeper的一篇关于工频磁场和儿童癌症的研究报告引起了公众和科学界对工频磁场的广泛关注。该报告是基于在丹佛对儿童癌症的一项流行病学调查，调查发现那些得癌症的儿童的生活环境普遍靠近电力变压器或输电线路。由此他们认为工频磁场环境可能使儿童由于癌症而导致死亡的可能性提高2~3倍。
工频电磁场的生态效应近30年来一直是人们关注的焦点。近年来国内外还有许多流行病学调查报告，包括工频电磁场与对人体免疫功能的作用、工频电场与肿瘤的关系、工频电磁场对作业人员记忆力、注意力的影响、磁场辐射与白血病、胸癌发病率增高有关等。虽得出的结论存在很大的非一致性，关于工频电磁场的生物效应至今没有定论。但无疑给人们造成了巨大的心理阴影，譬如，现在高压输电线路附近的商品房销售情况很差，人们在选择时还是会考虑高压线的影响，不愿居住在高压输电线附近。而如今特高压输电线路的建设无疑又给人们造成更大的心理压力，势必影响不久建设的特高压输电线路。因此对特高压输电线路电磁环境的问题进行详尽的研究是非常必要的。
7.2.2高压输电线路的工频电磁场测量分析
随着我国电力工业的发展和各类城镇规模的不断扩大，220kV超高压输电线路穿越城镇的情况经常出现，原本多在郊区出现的500kV超高压输电线路也不可避免地进入城镇，穿越人口密集的居民住宅区上空。超高压输电线路产生的电磁污染对城市及长期居住在沿线附近居民的影响引起了越来越多的关注。目前国内外学者已经做了输电线周围工频电磁场分布的结果分析：选择布点的田间小道恰好位于500kV×××输电线2与3塔间线路横向方向，接近弧垂最低点。因此，得到的工频电场值较大，大部分测量点的值超过4kV/m。其中9测点处的电场值明显减小，该点靠近一个小瓦房，因此电场值衰减较大。17点位于小道上坡处，因此该点处的值较大。从结果曲线看，基本满足水平排列线路的场强分布规律。小道两边是水田，不可避免经常有附近居民通过，因此应该提醒居民注意安全。
鉴于现有高压、超高压输电线周围的电磁污染问题，对于待建的特高压输变电走廊设计时，如何估算其周围工频电磁场分布，尽量减小其对环境的影响成为电力设计部门迫切需要解决的问题。目前国内外学者已经做了许多关于高压输电线周围的工频电磁场计算方法的研究工作，下一节将对高压输电线周围工频电磁场计算涉及的基础理论进行介绍。
7.2.3输电线工频电磁场计算方法
1.正弦稳态电磁场的相量表示
根据电磁场原理，当场源电荷和电流按正弦规律变化时，场域空间任一点的电场和磁场的各个分量也都是时间的正弦函数，当场按正弦稳态变化时，对场量的分析可以将时域问题转换为相量形式来研究。工频电磁场中，工频电压和电流都是时间的正弦稳态变化量，因此工频电磁场可以由相量表示。
1)正弦稳态电磁场的相量表示
在笛卡儿直角坐标系中，正弦稳态时变电场表示为3)准静态场使用条件
利用准静态电磁场计算时变场时，还需要考虑时变场的波动条件。只有当满足计算场点到场源距离远小于时变场的波长的条件时，才能够用静态电磁场方法分别对电场和磁场求解。工频电磁场的电磁波长=6×106，远远大于实际需要计算的工频电磁场区域，波动过程可以忽略。所以对工频电磁场的求解可转化为分别计算工频电场和工频磁场的问题。
7.2.4输电线电场的计算实例
高压输电线周围的工频电场属开域问题，因此可以采用CSM求解其周围电场分布。忽略输电线的端部效应及杆塔、绝缘子的影响，将输电线周围电场看做二维场进行计算。根据导线的形状，采用线电荷等效输电线的电荷，当输电线半径r远远小于距离地面高度h时，等效电荷的位置可以认为是在高压输电线的几何中心。导线视为无限长并且平行于地面，地面视为良导体，因此根据式(7.14)可以计算输电线的等效电荷。
地面为电位等于零的平面，地面的影响采用导线对地面的镜像电荷代替，用i，j，…，n表示相互平行的实际导线，用i，j，…，n表示它们的镜像，如图7.14所示。
以图7.15所示500kV同塔双回三相输电线路为例，计算输电线周围电场分布。模型中的具体参数为：同塔双回，两回路间正相序布置，各导线四分裂，子导线的半径r=0.015m，分裂子导线之间的间距d=0.400m，架空地线的半径rk=0.006m，导线中心之间的距离D1=18m，D2=22m，D3=16m，D4=20m；各高度H1=14m，H2=10m，H3=10m，H4=11m。计算得到输电线周围电场分布如图7.16所示。图7.17为垂直输电线剖面下方距离地面空间1.5m处的电场分布曲线。
