基于實測的城市220kV戶內(nèi)變電站站界電磁環(huán)境分析

林旗力, 余 飛, 宋 凱

(1.中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200001；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082)

1 引言

電網(wǎng)技術(shù)和設(shè)施的發(fā)展，滿足了群眾日益增長的電力消費需求，適應(yīng)了工商業(yè)快速發(fā)展所需的電力供應(yīng)形勢，但電力設(shè)施尤其是變電站電磁環(huán)境問題越來越受到關(guān)注。隨著電網(wǎng)設(shè)施的發(fā)展，變電站電磁環(huán)境問題愈來愈受到關(guān)注。變電站工頻電場是其運行時各種帶電導(dǎo)體上的電荷及在接地架構(gòu)上感應(yīng)的電荷產(chǎn)生的，工頻磁場是由母線、連線和變壓器、電抗器等載流導(dǎo)體產(chǎn)生的[1]。由于變電站內(nèi)設(shè)備種類眾多、布置復(fù)雜，其產(chǎn)生的工頻電場和工頻磁場均是復(fù)雜的三維場[2]，所以相較于輸電線路電磁環(huán)境仿真技術(shù)已較成熟并大量應(yīng)用于設(shè)計咨詢工作[3-4]，變電站電磁環(huán)境的理論預(yù)測難度更大。

長期以來，國內(nèi)外較為關(guān)注戶外變電站的電磁環(huán)境問題。林秀欽等[5]對佛山市區(qū)21座220kV變電站的電磁環(huán)境進行了普查，并分析了典型結(jié)構(gòu)的220kV變電站電磁環(huán)境水平。于麗新等[6]則對不同類型的500kV變電站作業(yè)場所的電磁環(huán)境進行實測。賈宏艷[7]、潘葳[8]分別對110kV、220kV、500kV變電站的電磁環(huán)境水平進行了實測比較。萬保全[9]、周穎等[10]則對1000kV特高壓變電站的電磁環(huán)境進行了實測分析。潘超[11]、楊帆[12]、趙雪等[13]從模擬計算的角度對變電站站內(nèi)電磁場分布進行了研究，但對于其廠界電磁環(huán)境模擬的難度仍較大。在戶內(nèi)變電站方面，肖駿等[14]對無錫市濱湖區(qū)居民區(qū)周圍的110kV、220kV變電站電磁環(huán)境影響進行了實測分析，發(fā)現(xiàn)采用電纜進線的戶內(nèi)型變電站電磁污染對環(huán)境的影響最小。王征等[15]則對上海市典型110kV全戶內(nèi)變電站廠界電磁環(huán)境進行了實測，發(fā)現(xiàn)廠界處主變室側(cè)工頻電磁場場強一般大于主變室對側(cè)，且主變室側(cè)工頻電磁場強度與主變總?cè)萘繜o明顯關(guān)系。

雖然戶內(nèi)變電站的電磁環(huán)境影響明顯小于戶外變電站，但因其往往布置在人口密集區(qū)域，甚至與建筑物結(jié)合布置[16]，使它的電磁環(huán)境問題成為受關(guān)注重點，經(jīng)常成為投訴點。為此，本研究選取上海城區(qū)3座典型220kV戶內(nèi)變電站，通過實測獲得變電站站界電磁環(huán)境水平，在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對站界工頻電場和工頻磁場分布規(guī)律進行了分析。研究成果可為城市戶內(nèi)變電站的規(guī)劃與設(shè)計工作提供參考。

2 研究對象與測量方法

2.1 研究對象

本文選取了上海城區(qū)3座典型220kV戶內(nèi)變電站作為研究對象，3座電站分別命名為W站、D站、X站，電站概況如表1所示。

表1 典型220kV戶內(nèi)變電站概況Tab.1 Overview of typical 220kV indoor substation

2.2 測量方法及測量儀器

將每座變電站的站界分為A、B、C、D四側(cè)，其中A側(cè)為主變室及主變散熱器正對側(cè)，B側(cè)為主變室及主變散熱器背對側(cè)，其余兩側(cè)為C、D側(cè)。圖1給出了各站測點分布情況。W站無圍墻，所以在主體建筑外5m處布設(shè)了28個站界測點，另在主體建筑外10m處布設(shè)了28個測點。D站和X站在圍墻外5m處結(jié)合實地情況分別布設(shè)了28個和27個站界測點。

圖1 220kV戶內(nèi)變電站測點分布情況

測量儀器采用Narda公司NBM-550/EHP-50F場強儀。測量時，儀器探頭均架設(shè)在測點地面上方1.5m處。測量方法依據(jù)《交流輸變電工程電磁環(huán)境監(jiān)測方法(試行)》(HJ681-2013)[17]，每個測點測量5次，結(jié)果取其算術(shù)平均值。

3 測量結(jié)果分析

3.1 站界測點工頻電磁場測量結(jié)果

3座變電站共布設(shè)了83個站界測點。表2及圖2～圖4給出了站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果。

圖2 W站站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果

圖3 D站站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果

圖4 X站站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果

可以看出，工頻電場、工頻磁感應(yīng)強度分布不均勻。從表2可以看出，各測點工頻電場強度最大值為0.755V/m，總體平均值為0.481V/m，且90%以上的測點工頻電場強度在0.5V/m以下，遠低于《電磁環(huán)境控制限值》(GB8702-2014)[18]規(guī)定的4000V/m的標準限值；各測點工頻磁感應(yīng)強度最大值為3.2314μT，平均值為0.3124μT，且90%以上的測點工頻電場強度在0.8μT以下，遠低于100μT的標準限值[19]。

由表2還可看出，在不同站之間，測點的工頻電場強度平均值較接近，集中在0.469～0.497V/m范圍內(nèi)，而測點的平均值則差異較大，其中D站工頻磁感應(yīng)強度僅為0.0615μT，而X站工頻磁感應(yīng)強度卻達到了0.5038μT。

3.2 站界工頻電場和工頻磁場離散程度分析

對各站站界測點的工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果進行統(tǒng)計分析，并通過式(1)分別計算得到相應(yīng)的變異系數(shù)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，各站站界測點工頻電場強度的變異系數(shù)(1.9%～14.4%)明顯小于工頻磁感應(yīng)強度的變異系數(shù)(99.6%～170.8%)。可見，站界處工頻磁場測量結(jié)果的離散程度大于工頻電場測量結(jié)果。

表3 站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果變異系數(shù)br />Tab.3 Coefficient of variation of measurement results of power frequency electric field and power frequency magnetic field at station boundary

(1)

式中：CV為變異系數(shù)；s為標準差；u為平均值。

圖5 站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果區(qū)間分布

3.3 不同側(cè)站界測點工頻電場和工頻磁場比較

圖6給出了各站不同側(cè)站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果平均值。由圖可看出，各站不同側(cè)站界測點的工頻電場強度僅在較小范圍內(nèi)波動，相互之間的差異不大。各站A側(cè)和B側(cè)站界測點的工頻磁感應(yīng)強度波動較大，而C側(cè)和D側(cè)站界測點的工頻磁感應(yīng)強度波動則相對較小。

圖6 不同側(cè)站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果平均值

3.4 地下電纜對站界工頻電場和工頻磁場的影響

圖7給出了各站地下電纜上方站界測點與其余站界測點的工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果平均值。由圖7可看出，各站電纜上方測點的工頻電場強度和其余測點差異不大。各站電纜上方測點工頻磁感應(yīng)強度平均值分別為1.0638、0.1380、1.7938μT，且依次大于其余測點工頻磁場感應(yīng)強度的平均值0.8339、0.1128、1.5797μT，可見電纜上方測點的工頻磁場水平明顯高于其余測點。

圖7 地下電纜上方站界測點與其余站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果平均值

3.5 距變電站主體建筑不同距離處工頻電場和工頻磁場比較

前文提到每個測點均測量了5次，所以將同一個測點的5個測量值設(shè)為1組，即每組都有5個樣本值。在顯著性水平α=0.01下，采用單因素方差法分析同一方位上2個距離處的工頻電場和工頻磁場是否存在顯著差異，結(jié)果如表4所示。

由表4分析結(jié)果可知，除了受中壓高架線影響的D側(cè)外，其余方位上2個距離處的工頻電場強度均不存在顯著性差異，相反，所有方位上2個距離處的工頻磁感應(yīng)強度均存在顯著性差異。

表4 距W站主體建筑2個距離處工頻電場和工頻磁場單因素方差分析結(jié)果

W站在主體建筑外5m和10m處各布設(shè)了28個測點(見圖1)。為避免電纜對結(jié)果的干擾，在比較分析距主體建筑不同距離處工頻電場和工頻磁場時剔除了電纜上方的測點，測量具體結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在A、B、C三側(cè)，各方位上距主體建筑5m和10m處的工頻電場強度較為接近，基本在同一水平；在D側(cè)，距主體建筑10m處的工頻電場強度反而大于5m處，這主要是受到D側(cè)外約15m處的城市中壓架空線(非本變電站使用)的影響。而對于工頻磁感應(yīng)強度，距主體建筑5m處的結(jié)果則均大于10m處的結(jié)果。

圖8 距W站主體建筑2個距離處工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果

圖8(b)顯示，在各方位上距主體建筑5m、10m處的工頻磁感應(yīng)強度測量結(jié)果的變化趨勢是基本一致的。其中，在B3/B3'、B4/B4'、B5/B5'、B6/B6'、B7/B7'、B8/B8'、B9/B9'、B10/B10'、C4/C4'方位上的工頻磁感應(yīng)強度較小，且2個距離處的差值也較小。比較圖1(a)可知，這幾個方位距主變、電抗器等電氣設(shè)備較遠。由此推測W站站界處工頻磁場水平還可能受主體建筑內(nèi)主變、電抗器等電氣設(shè)備的影響。

4 結(jié)果討論

4.1 城區(qū)220kV戶內(nèi)變電站站界工頻電場

因為建筑物和金屬封閉外殼對電氣設(shè)備產(chǎn)生的工頻電場起到了屏蔽作用，本研究中的3座變電站不同側(cè)站界測點的工頻電場強度的差異均不大(見圖6(a))，且距W站主體建筑5m和10m處的工頻電場強度也不存在顯著差異(排除城市中壓架空線影響)(見表4)。由于電纜金屬護層等的屏蔽作用[19]，站界處的工頻電場強度受地下電纜的影響也不明顯(見圖7(a))。可見，220kV戶內(nèi)變電站對站界處的工頻電場水平貢獻非常有限。

表5對3座變電站站界處工頻電場測量結(jié)果與城市背景數(shù)據(jù)進行了比較，其中城市背景數(shù)據(jù)摘自上海市2017-2019年環(huán)境狀況公報[20-22]。由表可知，各站站界處的工頻電場水平趨于城市背景水平，進一步說明了220kV戶內(nèi)變電站對站界處的工頻電場水平基本無貢獻。

表5 220kV戶內(nèi)變電站站界測點工頻電場和工頻磁場測量結(jié)果與城市背景數(shù)據(jù)比較

4.2 城區(qū)220kV戶內(nèi)變電站站界工頻磁場

圖7(b)表明，220kV戶內(nèi)變電站電纜上方測點工頻磁感應(yīng)強度大于其余測點，說明地下電纜對變電站站界工頻磁場水平存在影響。萬保全等[19]依據(jù)畢奧-薩伐爾定律建立了單芯電纜的工頻磁場模型，如式(2)：

(2)

式中：B表示n根平行單芯電纜組成的電纜系統(tǒng)在任一觀測點產(chǎn)生的合成磁感應(yīng)強度；μ0表示電纜磁導(dǎo)率；Ii表示第i根電纜所載的電流；ri表示磁場觀測點到第i根電纜的軸線的距離；ai表示第i根電纜的軸線到磁場觀測點的切向單位矢量。

由式(2)可知，地下電纜上方測點處的工頻磁場水平會受到電纜磁導(dǎo)率、電流、埋深以及三相電纜相對位置等因素的影響。

混凝土等建筑材料的相對磁導(dǎo)率低，對于工頻磁場基本沒有屏蔽作用。表4表明，在排除地下電纜影響的前提下，距W站主體建筑5m處的工頻磁感應(yīng)強度顯著大于10m處。從圖8(b)可看出，距W站主體建筑5m和10m處的工頻磁場水平受到站內(nèi)主變、電抗器的影響，但是從D站和X站的站界工頻磁場測量結(jié)果來看卻不存在該情況。這可能是因為D站和X站存在圍墻，使得站界測點與主體建筑的距離基本在15m以上，而主變、電抗器產(chǎn)生的工頻磁場隨距離衰減較快?？梢姡绻窘缇嗾局黧w建筑較近的話，其所在位置的工頻磁場水平還可能受到主變、電抗器等電氣設(shè)備的影響。

表5對3座變電站站界處工頻磁場測量結(jié)果與城市背景數(shù)據(jù)[20-22]進行了比較。由表可知，各站站界測點處的工頻磁感應(yīng)強度最小值在城市背景范圍內(nèi)，但最大值均超出了城市背景范圍，說明部分測點處的工頻磁場水平高于城市背景水平，這也是變電站站界工頻磁場測量結(jié)果離散程度大于工頻電場測量結(jié)果的主要原因(見表3)。

5 結(jié)論

(1)220kV戶內(nèi)變電站站界各測點工頻電場強度最大值為0.755V/m，90%以上的測點工頻電場強度在0.5V/m以下，遠低于GB8702-2014標準規(guī)定的4000V/m的標準限值。變電站各測點工頻磁感應(yīng)強度最大值為3.2314μT，90%以上的測點工頻電場強度在0.8μT以下，遠低于GB8702-2014標準規(guī)定的100μT的標準限值。變電站站界處工頻磁場測量結(jié)果的離散程度大于工頻電場測量結(jié)果。

(2)220kV戶內(nèi)變電站站界處工頻電場水平與城市背景水平相當。由于建筑物和金屬封閉外殼對站內(nèi)電氣設(shè)備產(chǎn)生的工頻電場的屏蔽作用，以及電纜金屬護層等對電纜產(chǎn)生的工頻電場的屏蔽作用，變電站對站界處的工頻電場水平基本無貢獻。

(3)220kV戶內(nèi)變電站站界處部分測點的工頻磁場水平高于城市背景水平。地下電纜對變電站站界工頻磁場水平存在影響。如果站界距站主體建筑較近的話，其所在位置的工頻磁場水平還可能受到主變、電抗器等電氣設(shè)備的影響。