500kV变电站工频电磁场分布及防护分析
2014-02-07刘嘉文广东电网公司电力科学研究院广东广州510080
刘嘉文，李 丽 (广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510080)
0 引言
近年来，随着我国电力需求快速增长，电力工业发展逐步壮大，电网建设步伐不断加快，电磁辐射对人体健康的影响越来越受到人们的关注。由于人们对电磁辐射相关知识的缺乏以及工频电磁场的不易察觉性，使公众对电磁辐射的认识产生误区。为此，了解和掌握变电站内工频电磁场分布并提出合理防护措施显得尤为重要。本文对500kV典型变电站工频电磁场进行仿真计算，并选取广东18座变电站进行对比测量，依据国家标准提出防护屏蔽措施，为今后可能出现电磁环境纠纷问题提供数据支撑。
目前，国内外计算输电线路工频电磁场的主要方法有：等效电荷法[1]、模拟电荷法[2-3]、边界元法[4]、有限元法[5-8]、矩量法[9-10]。等效电荷法是最为基本的计算方法，适用于未畸变的输电线的工频电场计算，尤其是计算靠近地面的电场强度。模拟电荷法主要计算输电线附近有建筑物时的电场分布情况，但对复杂地面边界条件等问题，模拟电荷的个数和位置较难确定。有限元方法适合于各种含有复杂媒质和不同几何边界条件问题的数值分析，对输电线电场问题，能考虑任意塔型和导线布置，得到空间中任一点的电场强度数值解。矩量法是用未知场的积分方程去计算给定媒质中场的分布，避免了复杂的模拟电荷配置问题。本文基于距量法，根据一次设备主接线图、设备平面布置图和工况参数，运用CDEGS软件包的HIFREQ模块[11-13]建立500kV典型变电站模型，并计算站内工频电磁场。
1 工频电磁场计算原理
1.1 工频电场计算
本文使用矩量法对变电站的工频电场分布进行数值计算。在静电学中，在由点(x',y'z')的电荷分布在点(x,y,z)产生的电位分布可以表示为：
(1)
这里ρv(x',y'z')实质上是电位分布的源，R是点(x,y,z)和点(x',y',z')间的距离。然而一般情况下ρv(x',y'z')是未知的，而源区电位的分布是给定的。因此，为了求出空间每个地方的电位分布，必须估计源区的电荷分布ρv(x',y'z')。
设ρv(x',y'z')的一个解是：
ρv(x',y'z')=ɑ1ρ1(x',y'z')+ɑ2ρ2(x',y',z')+…
(2)
ρi(x',y'z')是源区一些离散位置上预先选定的电荷分布，ɑi是待定未知系数，代入式(1)得：
(3)
(4)
这里j=1,2,…,n。考虑在ρi(x',y',z')位置的电荷，V(x,y,z)可表示：
(5)
(6)
由于V(x,y,z)在源区是已知的，所以未知系数ɑ1,ɑ2,…ɑn可以由数列确定，或表示成矩阵形式：
(7)
ɑ求出后，利用式(2)，就可以确定源区的电荷分布ρi(x',y'z')。接着就可以用式(3)计算空间任意点的电位分布，进而计算场强分布。
1.2 工频电场计算
根据“国际大电网会议第36.01工作组”推荐的计算方法[1]，使用安培定律计算高压线路的空间工频电场。在工频情况下，线路的磁场仅由电流产生。应用安培定律，将计算结果按矢量叠加，可得出导线周围的磁场强度。不考虑导线的镜像，用安培环路定律计算导线电流在空间产生的磁场强度：
(8)
式中：I为导线中的电流；h为导线假设高度；L为任意点与导线的水平距离。
对于三相线路，由相位不同形成的磁场强度水平和垂直分量都必须分别考虑电流间的相角，按相位矢量来合成。一般来说合成矢量对时间的轨迹是一个椭圆。
2 工频电磁场限值标准
根据ICNIRP(国际非电离辐射防护委员会)2010年提出的《限制时变电场和磁场暴露的原则(1Hz～100kHz)》导则，对电场和磁场的暴露限值规定：在50Hz频率下，职业曝露的工频电场强度为10kV/m，工频磁感应强度为500μT。
而根据我国《500kV超高压送变电程电磁辐射环境影响评价技术规范》(HJ/T24-1998)[14]的规定：以4kV/m作为居民区电场强度的评价标准，100μT作为磁感应强度的评价标准。
3 500kV典型变电站仿真计算
3.1 500kV典型变电站模型
广东省500kV变电站有70%以上是空气绝缘的敞开式开关设备变电站，而且相对于混合式气体绝缘封闭开关设备或气体绝缘封闭开关设备的变电站，敞开式开关设备变电站工频电场强度最大[15]，所以本文以500kV敞开式开关设备变电站模型为例，根据不同电压将500kV变电站等级分为500kV区域和220kV区域，分别建立区域仿真模型，详见图1和图2。
图1 变电站500kV区域仿真模型
图2 变电站220kV区域仿真模型
3.2 500kV典型变电站工频电磁场计算
500kV区域下方地面1.5m的工频电场和工频磁场仿真计算结果如图3(a)和图3(b)所示。
图3 500kV区域工频电场、工频磁场分布
从图3可以看出，工频电场最强的区域在断路器附近和母线的下方，在两母线之间也存在着工频电场较强的区域。仿真计算的工频电场最大值为14.8kV/m。这里需要说明的是，因此，仿真计算的是磁场强度，单位为A/m，磁场强度1A/m 约等于磁感应强度1.26μT。仿真计算的工频磁场最大值为18.78A/m，即23.6μT。
从工频电场分布分析，500kV区域电场强度小于或等于4kV/m的测点占29%，工频电场强度在5kV/m～7kV/m范围内的测点分别占38%，电场强度在7kV/m～10kV/m范围内的测点占28%，电场强度大于10kV/m的测点占5%。磁感应强度小于或等于20μT有测点占96%，电场强度在20μT～100μT 范围内的测点占4%。
同样，对220kV区域下方的工频电场和工频磁场仿真计算，结果见图4(a)和图4(b)。从图中可以看出，220kV母线下方和断路器附近的工频电场强度较大，最大值为5.47kV/m；隔离开关和母线附近的工频磁场强度较大，最大值为28.08A/m，即35.38μT。从工频电场分布分析，220kV区域电场强度小于或等于4kV/m的测点占76%，电场强度在5kV/m～7kV/m范围内的测点分别占24%。磁感应强度小于或等于20μT有测点占93%，电场强度在20μT～100μT 范围内的测点占7%。
图4 220kV区域工频电场、工频磁场分布
4 500kV典型变电站测量
4.1 测点设置
根据对500kV典型变电站的仿真计算结果，本文选取了广东省18座500kV变电站进行现场实测，其中敞开式变电站有13座，HGIS变电站有4座，GIS变电站有 1座。考虑到工作人员在变电站巡检的区域和变电站对周边影响，测量范围包括站内和站外，具体测点分布位置为：(1)主变压器的高压侧、中压测、低压侧；(2)隔离开关和断路器连线的中垂线，断路器和CT连线的中垂线；(3)边相母线的正下方；(4)高压设备旁，如断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、电抗器、电容器等；(5)值班室操作台；(6)变电站围墙外5m和20m。依据《高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法》(DL/T988-2005)[16]进行测量，本次测量使用Narda NBM-550电磁场测量仪和EHP-50D探头。
4.2 测量结果
18个500kV变电站各区域工频电磁场强度分布的百分比见表1。从表1可知，在500kV区域，有73%变电站在断路器和电流互感器引线的电场强度在7kV/m～10kV/m范围，有13%变电站在断路器和电流互感器引线的电场强度在大于10kV/m，其中最大值为10.7kV/m。有47%变电站在断路器和隔离开关引线的电场强度在4kV/m～7kV/m范围，有13%变电站在断路器和电流互感器引线的电场强度在大于10kV/m，其中最大值为12.3kV/m，略低于14.8kV/m,仿真计算工频电场仿真计算结果的分布规律与实测的工频电场分布规律基本一致。
所测量变电站在35kV电抗器和电容器处磁感应强度都大于100μT，最大值为435μT。有59%变电站在主变低压侧处的磁感应强度在20μT～100μT范围，最大值为80.4μT。在220kV区域有10%变电站在隔离开关处的磁感应强度在20μT～100μT范围，最大值为23.0μT。工频磁场仿真计算结果的分布规律与实测的工频磁场分布规律也是基本一致的。
表1 500kV变电站工频电磁场强度的分布百分比
测点位置工频电场强度分布百分比/%工频磁感强度分布的百分比/%E 11
此外，统计结果显示敞开式变电站工频电场强度明显大于GIS变电站，而工频磁场由于GIS距离地面较近，强度普遍大于敞开式变电站的同等电气设备。变电站内大部分测点工频电场和磁感应强度满足ICNIRP规定的限值要求，所测量变电站主控楼和站外测点均小于1kV/m,距离我国环评限值有一定裕度，不会对周边居民和站内工作人员的身体健康造成影响。
5 500kV典型变电站电磁场防护
目前，对高压变电站工频电磁场的防护，可采取改变线路高度，相间距，导线半径等措施，但从建设规模和运行成本方面考虑，这些措施都是不明智的。在不改变变电站现有规模和运行时间情况下，从保障工作人员的健康出发，可主要通过以下三个途径降低工频电磁场强度：(1)防护距离的增加；(2)接触时间的控制；(3)穿着屏蔽服。
本文选取市面上常见的屏蔽布料，如含20%和30%铁丝织物，纳米合金镀膜织物，以及普通棉质工作服在不同电磁场强度下进行屏蔽效能[17]的测试。测试结果表明，普通棉质工作服几乎对电场和磁场都没有任何屏蔽效果，而含20%和30%铁丝织物，纳米合金镀膜织物对工频电场、磁场的屏蔽效果都在99%以上，上述布料对工频电场的屏蔽效能都非常明显，而纳米合金镀膜织物在5个工况下的屏蔽率更达到99.99%以上。不同布料对工频磁场屏蔽率都很低，屏蔽率在6.3%～13.0%之间，屏蔽效能不明显，所以对工频磁场防护只能采取控制接触距离和接触时间等其他防护措施。
6 结语
(1)利用矩量法对500kV变电站建立仿真模型，电场强度和磁感应强度计算结果与实测数据基本一致，可为日后新建或扩建变电站电磁环境的预测提供参考依据。
(2)通过分析广东18座500kV变电站的工频电磁场水平，结果显示敞开式变电站工频电场强度明显大于GIS变电站。敞开式变电站工频电场强度在500kV断路器和电流互感器或隔离开关引线以及500kV母线正下方处较大。磁感应强度在35kV电抗器处较大。站内大部分测点工频电场和磁感应强度满足ICNIRP规定的限值要求，主控楼、站外测点均远小于我国环评要求。
(3)棉质工作服对工频电场、工频磁场几乎没有屏蔽效果，而含20%和30%铁丝织物，纳米合金镀膜织物对工频电场的屏蔽效果明显，屏蔽率都在99%以上，但对工频磁场屏蔽效果不佳，建议从控制接触距离和接触时间方面考虑防护措施。
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