树木电气特性对输电线路电场屏蔽的研究

树木电气特性对输电线路电场屏蔽的研究
曲惠泽
【摘要】为了全面和深入地了解树木对输电线路电场的屏蔽效果,以预防高电磁辐射对人体造成危害.选择兴安落叶松和杨树作为研究对象,用PiCUS树木电阻抗断层成像仪测量树木不同高度处的电阻率,用HI-3604工频电磁场测量仪测量输电线路下两树周围的电场强度,并结合树木电阻率的测量结果建立模型,用有限元分析软件计算树木周围的电场强度,将计算结果与实际测量数据进行验证和对比,论证了有限元法分析的可行性.结果表明:树木对输电线路下的电场强度有明显的削弱作用,削弱达到了95.6％,杨树的削弱作用比兴安落叶松强.
【期刊名称】《林业机械与木工设备》
【年(卷),期】2019(047)002
【总页数】7页(P47-53)
【关键词】输电线路;电阻率;电场屏蔽;有限元法
【作者】曲惠泽
【作者单位】东北农业大学,黑龙江哈尔滨150030
【正文语种】中文
【中图分类】S183;TM615
随着我国经济和工业化的高速发展，大型建筑群增多，城市用电量增加，目前我国的电网结构已经满足不了我国国民经济快速发展所需要的电力供应，急需建立更多
的输电系统[1]。

然而，有些电网需通过植被茂密的地区和居民区，近年的研究发现，输电线下的工频电场对居民的神经系统会有一定的负作用，影响居民的身体健康[2-5]。

郭键锋[6]等对110 kV架空输电线周围的植物对其工频电场和磁场分布的影响研究时发现，植物对工频电场的削弱作用明显，特别是高大树木对工频电场的削弱率达90%以上，可有效降低电场对人体的危害程度。

因此，深入了解树木电气特性，探究不同树种对输电线路下电场的影响，对于预防电磁辐射，保护人们的身体健康具有重要意义，研究结果也可以为穿越树林的高压输电线路设计建造提供参考依据。

国内外学者对高压输电线下的电磁辐射进行了大量研究，但研究对象大多是建筑物和人体，很少对输电线路下的树木进行研究。

德国基尔大学Hagrey[7-8]获取了树干单个截面的二维电阻率分布图像；鲍震宇[9]、王兴龙[10]将树木电阻率测量应用于树木的无损检测[11-12]；孙丽萍等[13]研究了树木介电常数对工频电场的影响；吴高强[14]指出了树木对输电线路电场的削弱作用；郭键锋等对城市典型 110 k V 架空输电线路相同工况下无植被区域、草坪、灌木、高大树木等四个不同区域的工频电场和磁场进行了监测和分析，得出了树木对输电线下电场削弱作用明显的结论；Hanafym[15]用电荷模拟法研究了树木高度和等效半径对输电线下电场屏蔽的影响。

这些研究都是由实际测量的数据直接得出结论，或者是由某种方法计算得出的结论，均没有结合实际测量的树木电阻率和介电常数建模仿真，不能得到树木周围任意一点的电场强度，也无法定位和得到电场强度最大值，有一定的局限性。

本文选取针叶林和阔叶林两个差异较大的树种，通过实地测量和有限元建模仿真方法，分析有树木和无树木两种情况下，电场强度随树木和输电线距离变化的情况，阐述树木对电场的削弱作用，并论证使用有限元法研究树木对高压输电线下电场影响的合理性。

1 试验材料与方法
1.1 树木电阻率
1.1.1 试验材料
兴安落叶松是目前东北地区分布较广的树种之一，杨树是我国绿化、木材、防护林的主要品种。

选取东北林业大学林场内高压输电线下常见的兴安落叶松和杨树两个树种作为此次室外测量的试验材料。

树木生长良好，树干较粗，具有一定的代表性。

1.1.2 测量原理和方法
采用PiCUS 树木电阻抗断层成像仪来测量树木电阻率，PiCUS 树木电阻抗断层成像仪是基于电阻断层成像(ERT)技术研制的一种树木电阻抗检测仪器。

电阻断层成
像(ERT)技术的工作方式是电流激励、电压测量，交变电流通过一对电极施加到被
测立木上，当立木内的电阻率分布变化时，电流场的分布会随之变化，引起立木外周上的测量电压也发生变化，立木外周测量电压的变化情况反映了电阻的变化，根据立木外周的测量电压，通过一定的成像算法，可以重建立木截面的电阻率分布，测量结果以二维图像的形式呈现。

电阻断层成像(ERT)技术作为电阻抗断层成像(EIT)技术的一种，在植物块茎、根系生长监测[16-17]和树木无损检测方面得到广泛应用。

实际测量中，沿树木横截面方向，根据所测树木树干的周长12等分，每一等分处钉入本次测量所使用的电极。

沿树木高度方向，测量范围0～2 m，为此将2 m的树干5等分，每次测量的高度差为0.4 m。

电极选用不锈钢钉，长度约为0.05 m，每次钉入树木2/3左右，确保不锈钢钉能够穿透树皮进入木质层，逐一安置所有
传感器至电极上。

传感器不能跳跃安装，以避免试验过程和仪器的干扰，保证测量结果的可靠性。

1.2 电场测量
使用HI-3604工频电磁场测量仪来测量高压输电线下树木周围的电场。

HI-3604
被用来专门检测50/60 Hz电力线、有电设备和设施、视频显示终端等周围的电磁场强度，可方便直观地定位电磁场源位置及强辐射点，单探头实现全量程，适合现
场测量使用，能够直接读取高压输电线下树木周围的电场强度。

实际测量时以避雷线投影处为起始点，朝向树木一侧，区间为0～10 m，分别测量没有树木和有杨树时距离地面1.5 m处的电场强度，然后按照此方法反向再次测量，记录实验数据，取其平均值。

1.3 输电杆塔和树木参数测量
1.3.1 测量原理与方法
测量高压输电线的高度，以及树木和输电线在地面投影点的距离和两输电杆塔相对位置坐标时，使用全站仪和皮尺进行测量。

全站仪是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，便于在户外测量，测量精度能够达到本试验的要求。

在实际测量中，使用全站仪和皮尺测出测量点到输电杆塔和树的距离，然后用全站仪测出计算所需的仰角、俯角和水平角，利用三角关系即可得出杆塔和树的参数。

全站仪和输电杆塔如图1所示。

图1 全站仪和输电杆塔
1.3.2 测量项目
(1)输电杆塔和树木自身参数。

测量输电杆塔和树木的高度，图2所示为输电线挂线点的相对坐标。

图2 输电线挂线点示意图
(2)树木和输电线路的相对坐标。

图3所示为各挂线点的坐标点，以O点为塔1底座中心点，将其作为坐标原点，P点为塔2底座中心点，T1为树1(兴安落叶松)的坐标点，T2为树2(杨树)的坐标点。

图3 树木和输电线路的相对位置
1.4 电场仿真
1.4.1 有限元法
有限元法是一种高效能且常用的计算方法，其基本思想是由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。

有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，其广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。

该软件具有通用性强、计算精度高、分析处理及求解功能强大等诸多优点，在三维电磁场分析中应用广泛[18]。

工频下高压输电线下树木周围电场属于静电场可以用有限元法进行模拟仿真。

1.4.2 参数设置和建模
由于树木的导电性和介电性能处于导体和绝缘体之间，在分析树木电气特性对空间电场的影响时，可以参照建筑物等不良导体对空间电场的影响。

高压输电线为双回高压输电线，等级为63 kV，根据全站仪测得的数据计算得出输电线横截面处各输电线的坐标。

图4所示为输电线截面示意图，其中A、B、C、D、E、F代表6条双回线的点，G为避雷线的点，H代表屏蔽线的点。

图4 输电线截面示意图
输电线排布和树木模型尺寸严格按照全站仪测得的数据设置，两种树木电阻率树干部分取实际测得的数值，树冠部分取2 m处电阻率的平均值。

根据相关文献取两
种树木的介电常数为9，空气的介电常数取1，大地介电常数取10，电阻率取
104 Ω·m[19]。

用ANSYS软件创建模型如图5、图6所示。

图5 整体模型及输电线与树的相对位置模型
图6 高压输电线下杨树和兴安落叶松模型
2 试验结果
2.1 树木电阻率
研究测量的实验样本包括兴安落叶松和杨树两个树种，进行了不同树种不同高度树木的采样，高度覆盖0～2 m，使用 PiCUS 树木电阻抗断层成像仪测量得到兴安
落叶松和杨树两个树种的电阻率二维分布图，下面列出其中的两幅图片，分别如图7、图8所示。

图7 兴安落叶松树干距离地面80 cm处电阻率分布
图8 杨树树干距离地面80 cm处电阻率分布
得到的二维分布图要根据不同颜色面积所占的比重来求得其加权平均值。

用图像处理软件将图中颜色归为红、黄、蓝3类，然后将不同的颜色区域分离开，并求出相应区域的面积，最后按面积所占的比例求出加权平均值，得到的数值可为有限元法分析提供了模型参数。

两个树种不同高度处的平均电阻率见表1和表2。

表1 兴安落叶松树干不同高度处电阻率平均值
高度/m0.40.81.21.62.0电阻率/Ω·m701.30597.64484.29293.06246.17
表2 杨树树干不同高度处电阻率平均值
高度/m0.40.81.21.62.0电阻率/Ω·m467.131 576.70433.68134.0784.94
2.2 输电线下电场强度
根据1.2节所述方法，用HI-3604工频电磁场测量仪测得距离地面1.5 m处有树木和无树木两种情况的电场强度，并绘制其折线图如图9所示。

此折线图表明树木对输电线下工频电场具有明显的削弱作用，经计算树木对电场的削弱达到了95.6%。

采用折线图和仿真曲线对比，以论证有限元法运用的合理性。

图9 有树木和无树木时电场强度折线图
2.3 输电杆塔和树木参数
根据1.3节方法测得原始数据，通过计算可以得到如下的结果，这些数据为有限元法的模型仿真奠定了基础。

(1)输电杆塔和树木高度见表3，图10所示为输电线各挂线点的相对坐标；
(2)树木和输电线路的相对坐标见表4。

表3 树木和杆塔高度
项目塔1塔2树1总高树1树干树2总高树2树干高度
H/m24.8525.136.942.678.682.47
表4 杆塔和树的相对坐标
T1T2P(44.030,4.082)(94.547,4.046)(156.154,0)
图10 输电线各挂线点的相对坐标
2.4 仿真结果
用有限元分析软件ANSYS建模仿真，模型参数按照前面计算的结果设置，分析计算时，在通用后处理中定义一条与实际测量时相同的路径，即距离地面1.5 m高
度处，以避雷线投影处为起始点，朝向树木一侧，区间0～10 m的路径，计算得
出此路径上电场强度曲线图，然后将该曲线图与实测得到的折线图进行对比，以验证有限元法在此运用的有效性。

树木周围电场分布云图如图11所示，距离地面
1.5 m处电场强度曲线图如图12所示。

图11 电场分布云图
图12 电场强度曲线图
3 讨论与分析
根据2.1节两树种电阻率的测量结果可以看出，不同树种电阻率不同，而且同一树种不同高度处的电阻率也不同。

总的趋势是随着高度的增大树干的电阻率逐渐减小，这与陈昌雄等[20]得出的结论一致，造成这种差异的原因很多，其中含水率为主要因素之一。

杨树0.8 m高处的电阻率明显增大，这可能是树干内部缺陷造成的。

比较电场强度数值可以看出，树木对高压输电线下空间电场具有削弱作用，距离地面1.5 m处，树木对电场的削弱达到了95.6%。

在垂直于输电线从避雷线到其他
各象线方向上，距离地面高1.5 m处，以避雷线投影为起点0～10 m范围内，63 kV双回高压输电线下电场强度数值先增大后减小。

比较实验得出的折线图和有限元法仿真的曲线图可以看出：不同树种对输电线路下的电场场强削弱程度不同，相比较来说，杨树对电场的削弱程度比兴安落叶松要大；输电线下无树木时电场强度先增大再减小，变化的趋势和实际测量所得折线图的趋
势相吻合；树木在0～4 m处由于周围树木的屏蔽，实测的电场强度很小，在 4～4.2 m处由于测量路径穿过树干，数值为树干内部电场强度，曲线出现突变电场强度减小至0，4.2 ～10 m处由于树木削弱作用的减小，电场强度数值逐渐增大，但未超过无树木时的数值，这一变化趋势与实际测量结果一致；兴安落叶松周围电场变化趋势和杨树大致基本相同。

由于周围其他树木、温度、湿度等环境因素的影响，通过有限元法仿真所得的电场强度数值与实测的数值有一定差异，但在误差范围之内。

树木的电阻率和介电常数是反映树木电气特性的重要参数，所以用有限元分析法分析工频下树木对高压输电线电场的影响是可行的。

4 结论
利用PiCUS 树木电阻抗断层成像仪，对兴安落叶松和杨树两个树种进行了不同高度处树木电阻率的测量，并计算出相对应的电阻率。

用HI-3604工频电磁场测量仪测量了高压输电线下无树木、有杨树和兴安落叶松时的电场强度。

建立了树木电气模型，并用有限元法分析了树木对工频高压输电线下电场的影响。

得出了如下结论：
(1)不同树种的电阻率不同，同一树种树干的电阻率随高度的增加逐渐减小。

(2)在垂直于输电线，从避雷线到其他各象线方向上，距离地面高1.5 m处，以避雷线投影为起点0～10 m范围内，63 kV双回高压输电线下电场强度数值先增大后减小。

(3)现场实测结果表明，用有限元法仿真分析树木对工频高压输电线下电场的影响是可行的。

树木对工频高压输电线下的电场具有明显的削弱作用，削弱可达95.6%，杨树对输电线的削弱作用比兴安落叶松强。

因此，在输电线路走廊及居民区内种植杨树等高大乔木，能有效地将输电线路下电场强度限制在较低水平，可以有效预防工频电场的危害，还可以绿化市容，改善生态环境，促进我国社会经济和环境保护的协调发展。

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