10kV变电所选址的工频电磁场问题与设计施工常见问题探讨.docx

IOkV变电所作为电力系统重要的终端设施，深入各建筑的负荷中心，但该电力设施产生的工频电磁场及低频噪声也给周边用户造成困扰。而相比低频噪声影响，由于工频电磁场看不到摸不着，更容易让人产生心理恐惧。近年来发布的相关国家及行业标准针对10kV变电所选址提出了一系列的要求，降低其可能带来的影响。但针对防电磁辐射及防电磁干扰，现行标准并未明确规定IOkV变电所与相关敏感房间的量化距离要求，更多是定性提出了要求采取屏蔽措施或要求避免贴临。在具体项目中如何把握，这是电气设计师们关心的问题。工频电磁场由于电力系统的频率特性，电力设施及传输线路产生的稳态电磁场主要是工频电磁场。从电磁辐射的角度出发，频率以及强度大小决定了电磁辐射能量的大小。而IOkV变电所产生的工频电磁场频率只有50/60Hz,并不能形成有效的电磁波辐射源。但1979年，Wertheim-Leeper发现了低水平工频电磁场曝露可能与儿童白血病存在一定的关联。此后，国内外许多学者都对工频电磁场对儿童健康可能产生的影响进行了较多研究，并指出当工频（50/60Hz）磁场曝露强度超过0.3T或0.4T时，儿童白血病的患病风险增加23倍。故工频电磁场对人体健康的影响也是值得关注的方面。另一方面，众所周知电子设备的正常运行可能会受到电磁场影响。GB50116-2013火灾自动报警系统设计规范要求消防控制室不应设置在电磁场干扰较强的房间附近。IOkV变电所是否属于电磁场干扰较强的房间，其工频电磁场强度是否会影响消防设备等电子设备的正常工作，这是相关规范未明确提及的内容。工频电磁场对人体健康影响国内外相关标准发展历程早期国家针对电磁辐射发布了GB8702-1988电磁辐射防护规定（已废止）、GB9175-1988环境电磁波卫生标准（己废止），作为首批关于电磁辐射防护的国家标准，规定了100kHz300GHz频段的电磁场限制要求，但未包含工频电磁场。1998年ICNIRP（国际非电离辐射防护委员会）发布了ICNIRPguidelinesforlimitingexposuretotime-varyingelectric,magneticandelectromagneticfields（upto300GHz）（以下简称“ICNIRP导则”），规定了工频电场强度不超过5kV/m；工频磁场强度不超过100T。另外，美国电气与电子工程师协会（IEEE）制定了IEEEstandardforsafetylevelswithrespecttohumanexposuretoelectromagneticfields,0-3kHz（以下简称“IEEE标准”）。这两本标准是国际上针对电磁辐射最主要的标准。1998年环境行业发布了推荐性标准HJ/T24-199850OkV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范（已废止），推荐50OkV超高压送变电工程周边电磁辐射环境的工频电场强度不超过4kVm;工频磁场强度不超过100UTo该标准在2014年被HJ24-2014环境影响评价技术导则输变电工程替代。2010年【CNIRP根据最新的研究成果，将ICNIRPguidelinesforlimitingexposuretotime-varyingelectricandmagneticfields（1Hz-100kHz）规定的公众工频磁场强度安全限值提高到200PTo2014年国家对GB8702-1988电磁辐射防护规定和GB9175-1988环境电磁波卫生标准进行整合修订，正式发布了GB8702-2014电磁环境控制限值。该标准规定了电磁环境中控制公众曝露的电场、磁场、电磁场（IHZ300GHz）的场量限值。其中工频电场强度不超过4kVm;工频磁场强度不超过100该限值略严于ICNIRP的规定要求。国际电磁场计划从上世纪80年代以来，公众一直关注极低频电磁场可能对人体健康带来的不利影响。世界卫生组织(WOHdHeaIthOrganiZatiOn)组织了名为“国际电磁场计划”的全球性研究计划，调查研究极低频电磁场对人体健康带来的潜在风险。2007年，该研究计划形成了阶段性成果WHO"国际电磁场计划”的评估结论与建议。该报告中明确了人体曝露在显著大于100UT的磁场强度下，对人体健康有不利影响，这是ICNIRP导则和IEEE标准两个国际曝露限值标准制定的基础。同时，报告也指出目前没有充分证据证明长期低水平(磁场强度低于100UT)的极低频场曝露对健康有影响。关于长期低水平曝露对儿童期白血病有关的证据并不足以认定其存在因果关系，但该问题值得研究者继续保持关注。“国际电磁场计划”研究对各成员国的工频电磁场限值控制政策提出建议：工频电磁场长期低水平曝露的健康风险较低，在保证电力带来的社会及经济效益的前提下，采取低成本的预防措施也是合理的；但不建议以预防的名义降低电磁环境控制量化限值到任意水平。工频电磁场对电子设备的影响电磁兼容性形成电磁干扰必须同时具备3个要素：干扰源、传输路径、敏感设备。消除任何一个要素，电磁干扰问题就不存在。具体哪些设备属于敏感设备，首先需了解各种设备的电磁兼容性。IECTR61000-1-1：1992<Electromagneticcompatibility(EMC)Part1：General-SectionI：Applicationandinterpretationoffundamentaldefinitionsandterms针对电磁兼容(ElectromagneticCompatibility)的定义是指设备或系统在预期的电磁环境中按设计要求正常工作且不对环境其他物体形成不可承受影响的能力。即在特定的电磁场环境中，各类电子设备能否正常工作，决定于设备自身的抗电磁干扰能力。而不同类型电子设备其抗电磁干扰能力从制造标准要求而言也有所不同。工频磁场抗扰度试验国家标准GB/T17626.82006/IEC61000-48：2001电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验规定了不同工频磁场试验等级对应磁场强度要求，如表1所示。表I不同工频磁场试验等级对应磁场强度要求Tab.IRequirementsformagneticfieldintensityofdifferent,M)werfrequencymagnelicfieldIeslgrades等级稳定持续磁场的试验等级对应磁场强度/(Am)3*短时试验等级对应磁场强度/(Am)1I2331043030051001OooX特定特定注：I)等级I对应有电子束敏感装置使用的环境；等级2对应保护良好的环境；等级3表示受保护的环境；等级4表示典型的工业环境；等级5表示严酷的业环境、2)磁场强度1A/m,相当于自由空间的磁感应强度为1.26M不同类型典型电子设备的抗电磁干扰能力有电子束的敏感装置抗电磁干扰能力要求有电子束的敏感装置(如CRT显示器、电子显微镜等)对工频电磁场极为敏感，使用上述设备的电磁环境的工频磁场强度不应大于IAm.安全防范报警类设备的抗电磁干扰能力要求安全防范报警类设备（典型设备如视频监控系统设备、楼宇对讲系统设备、出入口控制系统设备、停车库（场）安全管理系统设备、入侵和紧急报警系统设备等）的抗干扰能力均应满足GB/T30148-2013/IEC62599-2：2010安全防范报警设备电磁兼容抗扰度要求和试验方法的相关要求。在上述标准中可以发现该类设备仅规定了针对射频电磁场（802700MHz）的抗干扰能力，而这类设备对工频电磁场并不敏感，故规范未作规定。消防报警类设备的抗干扰能力要求消防报警类设备（典型设备如火灾报警控制器、消防联动控制设备等）的抗干扰能力均应满足GB16838-2005消防电子产品环境试验方法及严酷等级的相关要求。同样，在上述标准中仅规定了针对射频电磁场的抗干扰能力，工频电磁场未作规定。医疗设备类设备的抗电磁干扰能力要求医疗设备类设备的抗干扰能力均应满足医药行业标准YY0505-2012/IEC60601-1-2：2004医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验的要求，该标准中医用电气设备针对工频电磁场的限制要求为3A/m。该标准等同采用IEC60601-1-2：2004,IEC60601-1-2：2014（MedicalelectricalequipmentPart1-2：Generalrequirementsforbasicsafetyandessentialperformance-Collateralstandard：Electromagneticdisturbances-Requirementsandtests对相关要求进行了修订，其医用电气设备针对工频电磁场的限制要求修改为30Amo工业网络类通信设备的抗电磁干扰能力要求GB/T30094-2013工业以太网交换机技术规范规定了典型工业环境稳定持续磁场强度限值为30A/m；严酷工业环境稳定持续磁场强度限值为IoOA/m。通信系统的数据中心存在大量电子设备及电力设施，且对系统稳定性要求非常高。GB50174-2017数据中心设计规范规定了数据中心主机房和辅助区内的工频磁场场强不应大于30Am.主机房与辅助区涵盖了服务器机房、网络机房、存储机房、总控中心、消防和安防控制室等电子设备用房。工频电磁场数据典型母线槽周边磁场分布数据大电流母线槽是变电所重要的磁场产生源,表2中笔者选择了4种常见变压器容量的进线低压密集型母线槽，采用ANSYSMaxwell软件进行其周边磁场仿真模拟（如图I所示）。表2低压进线母线槽的设定工况,ab.2Settingoperationconditionsoflow-voltageincomingbusslots变压器容量kA负载率补偿后功率因数cos母线槽编号母线槽计算电流/A6300.80.95A76680()0.80.95B973I0000.80.95C121612500.80.95D1520BuT17.349e-000 6 73476OoO 6.1224><×M 5.5102÷O4 B980e000 4.2857。*0003.735*000 3.0612”» 24490.000 1367÷000 1.2245*<XX) 6.1224-001 OoOoO”000图I典型母线槽周边磁场变化曲线Fig. 1 Curvesofmagneticfieldaroundtypicalbusslots上述变压器运行工况统一为负载率80%,功率因数0.95。该仿真模拟得到了4组低压密集型母线槽周边磁场强度随距离变化的分布情况，详见图2。图2低压进线母线槽在设定工况下周边磁场强度分布情况Fig. 2 Distributionofperipheralmagneticfieldintensityunderthesettingconditionsoflow-voltageincomingbusslots从图2可以看出，母线槽周边的磁场随距离衰减较大，距离3m左右，己基本降为环境背景值。典型变压器周边电磁场分布数据为了解变压器周边电磁场强度随距离的变化情况，中样本分别选用了裸露变压器以及非裸露变压器（铁皮全封闭），周边电磁场强度实测数据如图3、图4所示。测试点距离/m裸露变压器 T-非裸露变压器Ooooooo 5 4 3 2 1 1图3变压器周边电场强度分布情况Fig.3Distributionofelectricfieldintensityaroundthetransformer13、虺s植测试点距离/mT-裸露变压器-非裸露变压器图4变压器周边磁场强度分布情况Fig.4Distril）utionofmagneticfieldintensityaroundthetransformer从上述数据可以看到，工频电场、工频磁场随着距离均衰减很快，磁场比电场衰减更快。远离干扰源是最经济有效的减少工频电磁场干扰的措施之一,同样，距离变压器约5m以外的工频电场、磁场己基本降至环境背景值。典型IOkV变电所周边电磁场分布数据市电力公司、市辐射环境监理所联合对己投入使用的100余座IOkV变电所进行重点监测和调研，变电所包括了具有代表性的四大类型：独立变电所、建筑物内的变电所、预装式变电站和杆上式变电站。室外变电所测试点为其周边5m范围内，室内变电所测试点为临近的房间或走道区域内。实测数据如表3表6所示。表3独立变电所周边电磁场实测值Tab.3Measuredvaluesofelectromagneticfieldsaroundtheindependentsubstation变电所类型电场强度/(Vm-')磁感应强度ZT水平分量垂宜分量I型(1台变压器)1.31.40.017-1.590.0332.6HI型(2台变压器)1.35-1.450.016-0.540.018-1.8大型(4台变压器以上)1.4-1.450.012-0.380.0284.35表4置于建筑物内的变电所电磁场实测值Tab.4Measuredvaluesofelectromagneticfieldsofsubstationsinbuildings变电所类型电场强度/(Vm,)磁感应强度/从T水平分量垂直分量地上建筑内1.28-1.440.018-4.360.04210.34地下建筑内1.3416.110.03971.540.05011.69表5预装式变电站电磁场实测值Tab.5Measuredvaluesofelectromagneticfieldsintheprefabricatedsubstation变电所类型电场强度/(Vm,)磁感应强度/T水平分牍垂直分最顼装式变电站1.38-1.450.0181.360.022.12表6杆上式变电站电磁场实测值Tab.6Measuredvaluesofelectromagneticfieldsintheon-polesubstation变电所类型电场强度/(Vm,)磁感应强度/T水平分量垂直分量杆上式变电站1520.015-9.320.0237.49此外，笔者也随机实测了部分本地的IokV变电所周边数据，当紧贴IOkV变电所外墙测得磁感应强度基本为23T;当距离35m以外,磁感应强度基本已降为环境背景值。从上述数据可以发现10kV变电所周边的工频电磁场远低于GB8702-2014电磁环境控制限值规定的公众曝露控制限值。在IOkV变电所5m范围内，其工频电磁场强度对大部分电子设备影响不大，但可能对某些特殊电子设备(如有电子束的敏感装置)有一定影响。总结a.工频电场强度、工频磁场强度随着距离均衰减很快，而磁场强度比电场强度衰减更快；远离干扰源是最经济有效的减少工频电磁场干扰措施之一。b. IOkV变电所周边工频电磁场远低于GB8702-2014电磁环境控制限值规定的公众曝露控制限值。但从预防角度出发，IOkV变电所建议避免设置在人员长期生活、工作房间的正上方、正下方、贴邻区域是经济合理、可行的预防措施。c. IOkV变电所贴临区域工频电磁场对大部分电子设备影响较小。当距离IokV变电所5m以外的工频电场、磁场已基本降至环境背景值，一般不会影响该区域电磁场敏感设备的正常工作。IOKV变电所设计和施工中常见问题现阶段我国的民用建筑中，IoKV变电所是其供配电系统的核心，是保证人民生命安全及用电设备安全、可靠运行的关键。然而，变电所的设计和施工，不仅包含变配电专业，还包括与其相关的结构、建筑、采暖与通风等相关专业，可见，专业综合性极强。这就时设计和施工提出了很高的要求，要完成一套合格的变电所，不仅要有完善的设计，而且要有专业的施工和较强的现场协调。然而，遗憾的是，由于方方面面的原因，己投入运行的变电所，总是存在某些缺陷，对系统的长期稳定运行留下了隐患。一、设计施工图纸中存在的问题1、变配电系统方面的问题3.1 低压断路器标注参数不全在低压配电系统图中，馈电回路（出线回路）的断路器至少应标注脱扣器额定电流、长延时脱扣整定电流、瞬时脱扣整定电流，还应标注额定短路分断能力。在设计施工图中，最常见的是缺少瞬时脱扣整定电流和额定短路分断能力，因为瞬时脱扣整定电流既要躲过线路的尖峰电流，又要保证线路短路时瞬时动作，因此应合理设置，而额定短路分断能力是保证断路器在短路电流过后仍可正常使用的参数，因此应根据线路的短路电流正确选择该参数。3.2 电流互感器变比与断路器整定电流不匹配在有些施工图中，选择电流互感器的变比太随意，比如主回路断路器额定电流400A,脱扣器额定电流300A,长延时脱扣整定电流240A,配200/5的电流互感器做计量用，当线路电流超过200A时，不仅不能准确计量，而且可能还会烧坏互感器，因此选择互感器必须与主回路断路器整定电流匹配。13发电机与市电切换的信号线标注不清对于重要的负荷，采用柴油发电机作为备用电源，己经被广泛使用。市电与发电机的切换，通常采用ATS双电源自动转换柜。市电失电时，ATS转换柜发出失电信号给发电机,发电机经延时后起动。然而有些低压配电系统图中，发电机的起动信号即市电失电信号从何处取，含糊不清，只是用文字说明“市电停电时，发电机应自起动并在30s内供电”，而且无相应的管线，造成施工时失电信号错误，进而造成市电与发电机的切换错误，当一台发电机供多路应急段母线时，更会造成严重的切换错误。因而应详细标注信号线。1.4直流屏问题对于需要配置直流屏的变电所，设计图中常常只是在变电所平面图上示意有直流屏，有时最多再标注一下型号和尺寸，而最关键的直流屏供电系统图却未设计，这就不能具体反应哪些设备需要直流电源操作以及其他二次回路的供电需求。因此，应详细设计直流屏供电系统图。2、其他专业方面的问题2.1 承载变压器的楼板荷载太小或无运输通道配电变压器是变电所中单件最大最重的设备，如ABB-SCBIO-IooO/10/0.4变压器，尺寸1900（长）×1400（宽）×1800（高），重量3150KG,可见其对楼板承载及运输通道的要求是很高的。JGJ16-2008民用建筑电气设计规范（以下简称“民规”）第4.9.5条规定，当配变电所设置在建筑物内时，应向结构专业提出荷载要求并应设有运输通道，然而现在的大部分设计单位由于设计任务重，设计周期紧，基本不进行专业之间会签，再加上设计阶段有些变配电设备的数据不详，造成了承载变压器的楼板承载力不够或无运输通道。2.2 接地干线与普通插座标高冲突目前的变电所设计施工图中，根据习惯沿墙敷设的接地干线（一般为40×4或50X5镀锌扁钢）离地标高为0.3米，普通插座的标高也是0.3米，这就造成了扁钢遮挡插座的现象，导致插座不能使用，因而应对其中任何一个的标高进行调整,2.3 风机设在变电所内根据GB50093-9410KV变电所及以下设计规范（以下简称“设计规范”）及“民规”相关条款要求，变电所内不能满足自然通风要求时，应设置机械通风系统。这一点在通风专业施工图中一般没有问题，问题是有些设计将通风系统的送风机、排风机设置在变电所内部上空，甚至刚好在高压柜或变压器的正上方，这不仅增加了变电所正常运行期间的噪音，还可能与桥架位置相冲突，影响桥架的正常安装，更为严重的是，一旦风机故障需要维修或更换，将需要停高压，那将是非常麻烦的一件事。正确的做法是，风管及风口设置在变电所内，风机设置在变电所外部适当位置。2.4 给排水管道从配电室穿越设计规范第6.4.1条规定，高、低压配电室、变压器室、电容器室、控制室内，不应有与其无关的管路及线路通过。关于这一点，现场遇到比较多的情况是，给排水图纸上有排水管道从配电室经过，如果是在角落处竖向穿越，经常采用砌体包封的措施应付验收，实际上还是留下了隐患；如果是从配电室上空穿越，那只有现场修改，所以，设计时就应根据规范要求，水系统管道遇到配电室时应绕行，才是解决问题的根本办法。C电力学网）值班IKlS或机 *调度歌控中心二、施工中存在的问题1、预留预埋方面的问题1.1 外墙上的预埋套管制作、封堵不符合要求我们知道，变电所的防水是非常重要的，对于设在地下室的变电所，外墙上的进、出户电缆预埋套管，不仅要保证电缆正常敷设，而且还要保证绝对不漏水，现场经常遇到由于套管未加止水钢板导致水从套管外侧渗入变电所，由于电缆敷设完成后封堵不符合要求导致水从套管内侧渗入变电所，而且维修非常不便，因此，对于套管的制作、预埋及封堵要严格按图纸及规范要求进行施工。1.2 接地干线焊接不规范变电所的接地是供配电系统工作零线和保护零线的总接地点，其稳定的可靠性是保证供配电系统正常运行及人身安全的关键。接地干线的引出，一般是采用扁钢与基础内的钢筋搭接焊，接地干线的续接一般是扁钢与扁钢之间的搭接焊，现场存在的问题是，搭接长度不够。正确的做法是严格按照GB50303-2002建筑电气工程施工质量验收规范（以下简称“验收规范”）第24.2.1条，圆钢与扁钢搭接为圆钢直径的6倍，双面施焊；扁钢与扁钢搭接为扁钢宽度的2倍，不少于3面施焊。1.3 剪力墙上的预留洞口遗漏现场经常遇到变电所局部采用剪力墙，穿越剪力墙的桥架及风管预留孔洞有时只体现在电气和通风图中，没有体现在结构图中，而在结构部分施工时如果由土建负责孔洞预留，则会造成遗漏，后期开洞由于涉及结构安全，需要设计确认，而且施工难度非常大。所以，变电所剪力墙浇筑前，各个专业之间作好协调与沟通是非常重要的。2、母线安装方面的问题2.1 封闭式母线支架未接地根据“民规”第8.11.11条，封闭式母线外壳及支架应可靠接地，全长应不少于2处与接地保护导体（PE）相连。在现场施工中，对于母线外壳一般都按要求做了可靠接地，然而由于对规范理解模糊，支架未做接地几乎成了通病，这就造成了安全隐患，所以，应深刻理解规范并按要求接地。2.2 母线采用螺栓搭接时缺少弹簧垫或锁紧螺母为了保证母线长期稳定的载流量，“验收规范”第11.1.2第3条规定，母线采用螺栓搭接连接时，螺栓两侧有平垫圈，连接螺母侧装有弹簧垫圈或锁紧螺母。而现场施工中，由于安装工人质量意识淡薄，有时不装弹簧垫，认为这是小事情，其实是非常错误的，造成的后果是母线运行一段时间后不稳定，严重时会引起打火，所以坚决不允许。3、调试方面的问题3.1 低压柜不进行交接试验根据“验收规范”第6.1.4和6.1.5条规定，高压柜、低压成套配电柜必须按规定进行交接试验。在现场实际施工中，由于当地供电部门验收时重点对高压部分进行交接试验，合格后就可以高压送电，导致施工单位基本不进行低压部分的交接试验，这是不正确的做法。3.2 低压断路器未进行电流整定如本文1.1.1所述，在设计施工图中有时对低压断路器的整定电流标注不全，而现场施工中，由于施工人员对整定电流的概念模糊、质量意识淡薄，或是由于工期紧急于通电对设备进行调试，即使施工图已完善，仍未按要求对低压断路器电流参数进行整定，如额定电流整定、瞬时电流整定等，通电后系统表面正常，一旦遇到故障，不能及时保护线路和设备，对系统长期运行留下了隐患，因此，在施工时应严格按设计要求对断路器各电流参数进行整定后方可通电运行。3.3 拟牌与现场高压、低压系统主接线不一致为了便于进行日常管理及维护，供电部门要求在变电所内高、低压柜的对应位置墙面上设置模拟图板，即系统主接线图，而由于施工单位制作模拟图时是利用旧版高、低压系统图（常常因供电部门审图意见或设计变更会产生新版图），导致模拟图与现场实际高、低压柜的主接线不一致，在系统管理和维护时会非常不便，所以一定要依据最终版本的施工图制作模拟图板。三、结语IOKV变电所作为建筑供配电系统的核心，其重要性不言而喻。现代建筑正朝着大规模、超高层方向发展，对供配电的要求会越来越高，作为工程技术人员，不仅要深刻地理解相关规范，而且要在实践中不断学习和探索，才能不断提高自己的业务水平，在变电所建设中发挥应有的作用。