輸變電工程電磁環(huán)境防控措施分析

李素萍，池光湧，韓方虎，陳安安，王云楷

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510570）

電磁場(chǎng)是一種特殊的物質(zhì)，具有物質(zhì)所具有的一些屬性，如占有空間、可以運(yùn)動(dòng)、具有能量，但電磁場(chǎng)和由分子、原子所組成的物質(zhì)又有區(qū)別，比如原子、分子占據(jù)某一空間后，其他原子、分子不能再占領(lǐng)，但電磁場(chǎng)占據(jù)某一空間后，其他電磁場(chǎng)還可以加入進(jìn)來，形成電磁場(chǎng)疊加[1]。

1 電磁理論基礎(chǔ)簡(jiǎn)述

1.1 電場(chǎng)

空間中任意一點(diǎn)存在電荷，會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生激發(fā)電場(chǎng)。2個(gè)電荷之間的相互作用并不是電荷間的直接作用，而是一個(gè)電荷的電場(chǎng)對(duì)處于其中的其他電荷產(chǎn)生的力的作用，這種力稱為電場(chǎng)力?？梢?，電場(chǎng)力是電場(chǎng)作用的，電場(chǎng)是作用的媒介。電場(chǎng)強(qiáng)度是從力的角度描述電場(chǎng)性質(zhì)的物理量，在數(shù)值上等于單位正電荷在該點(diǎn)所受的電場(chǎng)力，方向?yàn)閱挝徽姾墒芰Φ姆较?，單位為V/m或kV/m[2]。電場(chǎng)強(qiáng)度是由形成電場(chǎng)的電荷所決定的，其大小和方向，不因放在該電場(chǎng)中的其他電荷有任何改變[1]。

1.2 磁場(chǎng)

導(dǎo)體中的電流在其周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)對(duì)處于其中的載流導(dǎo)體具有力的作用，該力是通過磁場(chǎng)作用的，磁場(chǎng)是作用的媒介。磁場(chǎng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量，單位為A/m。由安培定律可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小成正比，與距離成反比。但磁場(chǎng)中某一點(diǎn)的磁體或通電導(dǎo)線的受力情況，取決于該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁場(chǎng)強(qiáng)度乘以磁導(dǎo)率，在國(guó)際單位制中的單位為T、mT、μT[2]。磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁場(chǎng)中的重要性比較接近電場(chǎng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，其大小和方向不因放在磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁體或通電導(dǎo)體的存在而改變，只取決于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體或通電導(dǎo)體[1]。

1.3 電磁場(chǎng)與電磁波

隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，隨時(shí)間變化的電場(chǎng)又產(chǎn)生磁場(chǎng)，在充滿變化電場(chǎng)的空間，同時(shí)也充滿變化的磁場(chǎng)，二者互相作用、互相垂直且與自己的運(yùn)動(dòng)方向垂直，這種電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一體叫做電磁場(chǎng)。

交流電是指周期性地改變運(yùn)動(dòng)方向和數(shù)值的電流，任何交流電路在其周圍一定范圍空間存在著交變電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)的頻率和交流電的頻率相同。交變電磁場(chǎng)在空間的運(yùn)動(dòng)和傳播，像波一樣以光速在空間由源向遠(yuǎn)處傳播電磁能量，稱為電磁波，電磁波在一個(gè)周期中傳播的長(zhǎng)度稱為波長(zhǎng)，如圖1所示[3]。我國(guó)交流電壓、電流的頻率為50 Hz，波長(zhǎng)為6 000 km，其產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的頻率也為50 Hz，波長(zhǎng)也為6 000 km。

2 輸變電設(shè)施的工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)

在低頻的振蕩線路中，電磁互變比較緩慢，其能量幾乎全部在原振蕩電路中傳遞，沒有能量輻射出去，只能借助有形的導(dǎo)體才能向外傳遞能量；在高頻振蕩電路中磁電互變很快，能量以電磁波形式向外圍空間傳播出去，不需要媒介也能傳遞，產(chǎn)生電磁輻射。

輸變電設(shè)施的基本功能是輸送50 Hz的交流電能，屬極低頻率范圍，因載有高電壓和大電流，在周圍空間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。然而，由天線輻射電磁波原理等電磁場(chǎng)理論可知，只有當(dāng)電磁系統(tǒng)的尺度與其工作波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，該系統(tǒng)才能向空間有效發(fā)射電磁能量，輸變電設(shè)施的尺寸遠(yuǎn)小于這一波長(zhǎng)，構(gòu)不成有效的電磁能量發(fā)射，其周圍空間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)沒有互相依存和轉(zhuǎn)化的關(guān)系，彼此獨(dú)立，因此在實(shí)際工程與環(huán)境健康等的研究中，工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)是相互獨(dú)立的，一般予以分別討論。

2.1 工頻電場(chǎng)

輸送電能需要一定的電壓和電流，由于高電壓和大電流，電力設(shè)施和大地之間形成電場(chǎng)，在電力設(shè)施處電場(chǎng)高度集中，衡量電力設(shè)施工頻電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)弱的量是電場(chǎng)強(qiáng)度，距電力設(shè)施越近電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，隨距離增加，電場(chǎng)強(qiáng)度降低通常很快。一般來說，不受人體和周圍物體影響的電場(chǎng)為非畸變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)中有人或物體存在時(shí)會(huì)使空間電場(chǎng)發(fā)生畸變，對(duì)電場(chǎng)起增強(qiáng)或減弱作用，稱為畸變電場(chǎng)[2]。

2.2 工頻磁場(chǎng)

電力運(yùn)行中，導(dǎo)體中的電流會(huì)在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)。工頻磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)與工頻電場(chǎng)大體類似，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著與磁場(chǎng)源（載流的導(dǎo)體）距離的增大而迅速衰減。在變電站周界或圍墻外，由變電設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)水平已經(jīng)很低。磁場(chǎng)一般不受周圍物體影響，只有鐵磁性物體才會(huì)使磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變，對(duì)磁場(chǎng)有屏蔽作用[3]。

3 輸變電工程電磁環(huán)境影響因素

輸變電工程是是輸電線路建設(shè)和變壓器安裝工程的統(tǒng)稱，在其電路和電器設(shè)備周圍一定空間內(nèi)產(chǎn)生工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)，影響源主要有變壓器、高壓并聯(lián)電抗器、母線、阻波器、線路開關(guān)設(shè)備及導(dǎo)線等，影響因素主要包括運(yùn)行工況、布置形式、配電裝置類型和導(dǎo)線對(duì)地高度等，各影響因素的改變會(huì)導(dǎo)致變電站四周和橫斷面處的電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布情況發(fā)生變化。

3.1 變電站電磁環(huán)境影響因素

（1）電壓等級(jí)。由電磁理論基礎(chǔ)可知，電壓等級(jí)越高，電場(chǎng)強(qiáng)度越大；電流越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。選取某地區(qū)500 kV、220 kV戶外型變電站開展圍墻外工頻電場(chǎng)強(qiáng)度、工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)，結(jié)果見表1?？傮w來看，220 kV變電站圍墻外工頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度水平小于500 kV變電站。

表1 某地區(qū)典型500 kV、220 kV戶外型變電站圍墻外工頻電磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

（2）布置形式。按照建筑形式和電氣設(shè)備布置方式，變電站布置可分為戶外、半戶內(nèi)、戶內(nèi)和地下布置型變電站。由于空間電場(chǎng)易被建筑物屏蔽或削弱，一般情況下相同電壓等級(jí)、相同容量的變電站戶外布置形式電磁參數(shù)水平高于其他布置形式。

（3）配電裝置類型。變電站中常見的高壓配電裝置主要有3種，即空氣絕緣的常規(guī)配電裝置（AIS）、氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）和混合式氣體絕緣全封閉組合電器（HGIS）。由于HGIS和GIS型配電裝置所用的金屬套管為電的良導(dǎo)體且全部接地，對(duì)電場(chǎng)的屏蔽效果較強(qiáng)，因此相同電壓等級(jí)、相同容量下，采用HGIS和GIS型配電裝置的變電站四周工頻電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)低于常規(guī)布置型。

（4）其他因素。變電站構(gòu)架是變電站進(jìn)線、出線、內(nèi)部導(dǎo)線的支撐結(jié)構(gòu)，各種帶電構(gòu)架從其所處位置到地面的范圍內(nèi)，電位按指數(shù)規(guī)律衰減分布，離地面越近，電場(chǎng)強(qiáng)度越小。變電站出線采用電纜方式比采用架空方式產(chǎn)生的電磁影響小，出線回路數(shù)越多，地面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布越復(fù)雜[4]。

3.2 輸電線路電磁環(huán)境影響因素

3.2.1 導(dǎo)線對(duì)地高度

選取某一電壓為220 kV，導(dǎo)線型號(hào)為JL/LB20A-630/45，工作電流800 A，分裂導(dǎo)線數(shù)為2的輸電線路，模擬計(jì)算導(dǎo)線對(duì)地高度分別為7、9、11、13、15、17、19和21 m時(shí)，地面1.5 m高度處工頻電場(chǎng)、工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，結(jié)果見表2。由結(jié)果可知，提升導(dǎo)線對(duì)地高度，線路下方一定范圍內(nèi)工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)降低。

表2 導(dǎo)線對(duì)地高度不同時(shí)線下工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)最大值

3.2.2 導(dǎo)線布置方式

常用的導(dǎo)線布置方式主要有水平排列、垂直排列、正三角排列和倒三角排列。由數(shù)值軟件建模計(jì)算結(jié)果可知，相對(duì)于水平排列和垂直排列，三角形排列方式產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度較小。

3.2.3 導(dǎo)線參數(shù)

在計(jì)算工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，等效半徑一般不予考慮，導(dǎo)線參數(shù)變化對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度影響較小。在計(jì)算工頻電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，采用等效電荷法，工頻電場(chǎng)強(qiáng)度隨分裂半徑、分裂數(shù)、導(dǎo)線半徑的增大而增大，且影響最明顯的是分裂數(shù)。

3.2.4 導(dǎo)線相序

對(duì)同塔雙回和同塔多回線路來說，相序排列方式對(duì)工頻電磁場(chǎng)影響較大。由數(shù)值軟件建模計(jì)算結(jié)果可知，相對(duì)于同相序排列，逆相序排列產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度較小。

3.2.5 導(dǎo)線相間距

降低相間距可在一定程度內(nèi)減小線路下方工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值和高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域的覆蓋范圍，且每降低相同距離，電場(chǎng)強(qiáng)度下降程度逐漸加強(qiáng)。

4 輸變電工程電磁環(huán)境防控措施

輸變電工程電磁環(huán)境控制是指通過降低變電站、輸電線路等產(chǎn)生的電磁參數(shù)水平以減弱其對(duì)外界的影響。主要包括優(yōu)化變電站和輸電線路布置形式、優(yōu)化配電裝置選型、提升導(dǎo)線對(duì)地高度等。

4.1 變電站電磁環(huán)境防控措施

4.1.1 優(yōu)化布置形式

由于建筑物和進(jìn)出線電纜化的屏蔽作用，在電壓等級(jí)相同的條件下，地下布置型、戶內(nèi)型和半戶內(nèi)型變電站圍墻外工頻電場(chǎng)強(qiáng)度明顯小于戶外型變電站。因此在變電站的規(guī)劃建設(shè)過程中，應(yīng)充分考慮與周圍環(huán)境的相對(duì)關(guān)系，合理選擇布置形式，如對(duì)位于城區(qū)的220、110 kV變電站，應(yīng)首先考慮戶內(nèi)布置，降低周圍電磁參數(shù)水平。

4.1.2 優(yōu)化配電裝置選型

依靠金屬封閉裝置的屏蔽作用，GIS和HGIS布置的變電站圍墻外的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度明顯低于AIS布置的變電站。因此在環(huán)境敏感區(qū)域，或者電磁參數(shù)限值要求較高的重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)通過優(yōu)化配電裝置選型降低周圍電磁參數(shù)水平，如對(duì)于電磁污染較嚴(yán)重的電抗器，選用干式鐵芯電抗器代替，同時(shí)在電抗器室采用非導(dǎo)磁性材料加以屏蔽；配電裝置盡量采用開關(guān)柜及封閉式母線等，同時(shí)利用金屬罩的屏蔽作用降低電磁場(chǎng)強(qiáng)度；使用控制合理的絕緣子，控制絕緣子表面放電；減少因不良接觸而產(chǎn)生的火花放電；避免尖角及凸出物等引起火花放電產(chǎn)生高頻電場(chǎng)等[5]。

4.1.3 優(yōu)化站內(nèi)布局

站內(nèi)低壓側(cè)并聯(lián)電抗器因空心結(jié)構(gòu)、線圈匝數(shù)較多，工頻電磁場(chǎng)往往較大，可通過合理布置其排列方式、保證安全距離等加以控制。站內(nèi)帶電構(gòu)架及進(jìn)出線產(chǎn)生的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度與離地高度關(guān)系密切，可充分利用地形和環(huán)境特點(diǎn)，提高構(gòu)架高度，抬高進(jìn)出線高度，降低對(duì)地面電磁環(huán)境的影響。變電站四周圍墻外電磁參數(shù)較大值一般位于高壓線出線側(cè)下方，選擇出線走廊位置時(shí)應(yīng)充分考慮周邊環(huán)境及電網(wǎng)規(guī)劃，盡量避開居民點(diǎn)等環(huán)境敏感區(qū)，降低其對(duì)周邊敏感目標(biāo)的影響。

4.1.4 強(qiáng)化建筑物、綠化景觀屏蔽

建筑物、樹木和綠化景觀等均具有一定的電磁屏蔽效果。例如目前在換流站中常在有屏蔽要求的建筑物頂棚、地面及四周墻壁安裝金屬網(wǎng)或金屬薄板，組成一個(gè)金屬隔離體，通過多點(diǎn)連接地網(wǎng)達(dá)到屏蔽效果。另外在不影響設(shè)備運(yùn)行的站內(nèi)區(qū)域或圍墻外可采取植樹、綠化和景觀布置等措施，也可在一定范圍內(nèi)降低變電站的電磁環(huán)境影響[4]。

4.2 輸電線路電磁環(huán)境防控措施

4.2.1 優(yōu)化線路布置方式

若只考慮降低輸電線路電磁參數(shù)，倒三角排列方式線下一定范圍內(nèi)電磁參數(shù)水平最低，因此可在滿足架設(shè)要求的前提下，優(yōu)先選擇倒三角排列布置方式。

4.2.2 提升導(dǎo)線對(duì)地高度

提升導(dǎo)線對(duì)地高度可有效降低線下一定范圍內(nèi)電磁參數(shù)水平，但當(dāng)提升至一定高度后，繼續(xù)提升時(shí)降低效果不明顯，因此應(yīng)綜合考慮電磁環(huán)境及建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性等。

4.2.3 降低相間距

降低相間距離可在一定程度內(nèi)減小線路下方工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度，但當(dāng)相間距過小時(shí)，可能會(huì)不滿足相間絕緣距離要求而發(fā)生相間短路，因此降低相間距時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮相間絕緣限制。

4.2.4 采用逆相序排列

同塔雙回線路或同塔多回線路架設(shè)時(shí)，逆相序排列線路下方工頻電磁場(chǎng)比同相序低，因此在滿足其他條件時(shí)可盡量采用逆相序排列。

4.2.5 架設(shè)屏蔽線

通過架設(shè)屏蔽線可以降低線路下方的電磁參數(shù)水平，且屏蔽線數(shù)越多屏蔽效果越好，但屏蔽線數(shù)的增加與工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的降低并不成正比，因此應(yīng)合理選擇屏蔽線的架設(shè)數(shù)量；此外，屏蔽線的安裝高度、與輸電線路中心的距離對(duì)屏蔽效果的影響也較大，為達(dá)到最優(yōu)屏蔽效果，在加裝屏蔽線時(shí)還應(yīng)合理選擇屏蔽線的安裝位置。

4.2.6 同塔多回混合架設(shè)

同塔多回混合架設(shè)是指在下層架設(shè)較低電壓等級(jí)的線路，具有一定的屏蔽作用，且與加裝屏蔽線相比，采用同塔多回架設(shè)更經(jīng)濟(jì)，如在500 kV線路下方同塔架設(shè)110 kV線路，其地面工頻電場(chǎng)強(qiáng)度最大值降低較明顯。因此，可采用不同電壓等級(jí)線路混合架設(shè)來降低地面工頻電場(chǎng)強(qiáng)度。

5 結(jié)束語

為有效降低輸變電工程對(duì)周圍電磁環(huán)境的影響，本文在簡(jiǎn)述相關(guān)電磁理論的基礎(chǔ)上，分析了輸變電工程電磁環(huán)境影響因素，提出了輸變電工程的電磁環(huán)境防控措施。

（1）變電站電磁環(huán)境影響因素包括電壓等級(jí)、布置形式、配電裝置類型、帶電架構(gòu)高度、出線方式和回路數(shù)等。

（2）輸電線路電磁影響因素包括導(dǎo)線對(duì)地高度、布置方式、等效半徑、分裂數(shù)和相間距離、相序排列方式等。

（3）變電站電磁環(huán)境防控措施主要包括優(yōu)化布置形式，優(yōu)化配電裝置選型，優(yōu)化站內(nèi)布局，以及強(qiáng)化建筑物、綠化景觀的電磁屏蔽等。

（4）輸電線路電磁環(huán)境防控措施主要包括優(yōu)化線路布置方式、提升導(dǎo)線對(duì)地高度、降低相間距、采用逆相序排列、架設(shè)屏蔽線和采用同塔多回混合架設(shè)等。