10 kV变电所选址的工频电磁场问题探讨（附输变电工程工频电磁场影响实析探讨）.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IOkV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0.3UT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（己废止）、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100RT。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ICNIRP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200T°2014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（1Hz300GHz）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100PTo该限值略严于ICNlRP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（WOHdHealthorganiZation）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100MT的磁场强度下，对人体健康有不利影响，这是ICNlRP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-Section1：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/T17626.8-2006/IEC61000-4-8：2001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。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IA/m。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,IEC60601-1-2：201MedicalelectricalequipmentPart1-2：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）。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。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。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、磁场已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IOO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。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IOkV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、磁场己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。地区输变电工程工频电磁场影响分析探讨关键词：输变电工频磁感应强度摘要：随着输变电行业不断扩容建设，高压输电线路及变电站对环境电磁辐射影响逐渐增大，近年来公众环保意识日益增强，输变电工程带来的电磁环境问题也逐渐成为民众关注的焦点问题。文章选取地区作为研究对象，通过对输变电线路、变电站周围的电磁场监测及理论预测，了解分析输变电工程对环境的具体贡献值。关键词：输变电;工频电磁场;电磁辐射环境影响Abstract：Withthecontinuousexpansionofpowertransmissionandsubstationconstruction,theinfluenceofhigh-voltagetransmissionlinesandsubstationsonenvironmentalelectromagneticradiationisgraduallyincreasingandpublicawarenessofenvironmentalprotectionhasbeenincreasinginrecentyears;therefore,theproblemofelectromagneticenvironmentcausedbypowertransmissionandtransformationprojectshasgraduallybecomethefocusofpublicconcern.Basedonthemonitoringandtheoreticalpredictionoftheelectromagneticfieldaroundthetransmissionlineandsubstation,thecontributionofthetransmissionandtransformationprojecttotheenvironmentisanalyzed.Keywords：transmissionandtransformation;powerfrequencyelectromagneticfield;electromagneticradiationenvironmentalimpact1概述随着社会经济和电力行业的发展,社会用电的需求越来越大,输变电行业不断扩容建设，高压输变电线路和变电站所带来的电磁场称为工频电磁场。工频电场和工频磁场是控制输变电线路走廊的重要参数，输变电工程带来的电磁环境问题也逐渐成为民众关注的焦点问题。本文选取地区作为研究对象，通过对输变电线路、变电站周围的电磁场监测及理论预测，了解分析输变电工程对环境的具体贡献值。2分析方法及调查范围本文采取理论预测与实际调查测量的方法，分析市县辖区内的输变电线路的电磁环境影响，理论预测部分选取220kV双回路输电线路作为研究对象。实际调查测量范围包括3座IIokV变电站，11条220kV输电线路，15条IlOkV输电线路，涵盖了绝大部分地区。在2019年7月2019年11月期间，对本次调查研究变电站及输电线路周围的民房、住宅、办公场所等环境保护目标进行工频电磁场监测。调查范围包括IIOkV变电站站界外30m范围内;220kV架空输电线路边导线地面投影外两侧各40m的带状区域;IlokV架空输电线路边导线地面投影外两侧各30m的带状区域;电缆管廊两侧边缘各外延5m（水平距离监测满足交流输变电工程电磁环境检测方法（试行）（HJ681-2013）的相关方法及要求，并且检测期间无论是输电线路还是变电站都运行正常。3工频电场强度3.1 理论预测按照HJ/T-1998500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范附录中推荐的相关模式来进行工频电场实际强度的计算。首先，通过惊吓法来进行送电线等效电荷的计算，然后再通过等效电荷来进行高压线路下空间工频电场强度的计算。多导线线路中导线上的等效电荷可由下列矩阵方程计算得出：式中：U：各导线对地电压的单列矩阵，从环境保护考虑以额定电压的1.05倍作为计算电压;Q：各导线上等效电荷的单列矩阵;囚：各导线的电位系数组成的n阶方阵（n为导线数目）。空间任意一点的电场强度可根据迭加原理计算得出，在（x,y）点的电场强度分量Ex和Ey可表Z5为：逗择导线分裂距离为40Omm的220kV双回路典型塔型进行理论预测，若是导线最大弧垂高度是离地面6.5m,那么逆向序列导线所产生最大工频电场强度则是6.9l4kVm;若是离线路中心位置距离为15m,若是导线最大弧垂离地面的距离是9m,那么最大工频电场的强度则是35kVm;若是离线路中心位置距离为十五米,若是导线最大弧垂离地面的距离是9m,那么最大工频电场的强度则是3.721kVm.3.2 实际测量结果本研究对地区工频电场强度共测得247组监测数据，监测值最低为0.134Vm,监测值最高为2171Vm,对监测数据分段统计见图1。从图1看出，监测值处于0.20.5kVm的监测点位最多，占比26%,监测值处于0.0205kVm的监测点位占比达到76.1%,因此可认为，地区的民房、住宅、办公场所等环境保护目标工频电场强度普遍处于0.020.5kVm范围内，未发现高于4kVm的监测点。4工频磁感应强度4.1 理论预测按照HJ/T-1998500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范附录中推荐的相关模式来进行工频磁感应强度的计算，因为工频情况下，电磁场可能是准静态的，线路磁场产生的原因是电流，在空间任何一点中，输电线路出现的工频磁场都能够根据安培定律，根据矢量叠加的原理来计算。在空间任何一点中，输电线路出现的工频磁场感应强度公式如下：式中：B：磁感应强度，T;H：磁场强度，AnO:真空中的磁导率（=4xlO-7Am）;1：季线i中的电流值，A;i:第i相导线至计算点处的直接距离，mo按照以上方法，选择导线分裂距离为40Omm的220kV双回路典型塔型进行理论预测，当导线最大弧垂处离地高度为6.5m时，那么线路最大工频磁感应强度则是7.137×10-3mT,出现在距线路中心15m处;若是导线最大弧垂离地面的高度是7.5m,那么线路最大工频磁感应强度则是6.263×10-3mT,出现在距线路中心15m处;若是导线最大弧垂离地面的高度是7.5m,那么线路最大工频磁感应强度则是5.376xlO-3mT,出现在距线路中心14m的位置。4.2 实际测量结果本研究对地区工频磁感应强度共测得247组监测数据，监测值最低为0.005?滋T,监测值最高为6.27?滋T,对监测数据分段统计见图2。从图2及监测数据看出，监测值处于0.10.5?滋T的监测点位最多，占比27.9%,监测值处于00055?滋T的监测点位占比达99.6%,因此可认为，地区的民房、住宅、办公场所等环境保护目标工频电场强度普遍处于0.0055?滋T范围内，未发现高于100?滋T的监测点。5结论分析电磁环境控制限值(GB8702-20I4)要求频率为50HZ输变电线路，公众曝露控制限值电场强度4000Vm、磁感应强度100?滋T,地区线路沿线环境保护目标处工频电场强度为(3.8xl0-34.0xl0-3)kVm,工频磁感应强度为(0.032×l0-3-0.036×10-3)mT,与理论计算结论吻合，均满足电磁环境控制限值(GB8702-20I4)要求。并且根据理论分析结果，新建220kV及以下电压等级线路的在满足电力设施保护要求的情况下，工频磁感应强度基本都能满足标准要求，但是新建线路经过居民区附近时，以及220kV同塔双回路逆相序排列、铁塔架设，导线最大弧垂处对地高度不小于9.0m时，线路运行产生的工频电场强度才能够充分满足相应的标准要求。参考文献：1程小兰.电磁辐射的污染与防护J.放射学实践，2014(6)：711-7142上罗穆夏.电磁辐射与电磁防护J.中国个体防护装备，2009(5)：27-31.3呼和满都拉.电磁污染与防护J.呼伦贝尔学院学报，2014,22(3)：109-113,7.4符义凡.高压输变电工程的电磁辐射及环境保护J环境与发展，2019,31(02)：260+262.