城区电力设施电磁影响与低频段电磁环境频谱

2014-07-16邓晓钦刘贤峰

四川环境 2014年2期

徐斌，邓晓钦，刘贤峰

(1.四川省辐射环境管理监测中心站，成都 610031，2.电子科技大学电子工程学院，成都 611731)

1 前言

电力与人们的生活已经密不可分，城市中电能消耗量十分巨大，因而将电能输送进城市的输变电设施也相应增多，特别是高层建筑的大量兴建，原有电网已经不能满足需求，需要新增电力设施供电。而另一方面，随着社会大众环境意识逐步增强，公众对电力设施产生的电磁影响十分关注，逐渐成为社会热点。

本文通过对电力设施电磁环境影响［1］的形成机理、特征分析，并以成都市区为范例，开展低频段电磁频谱分析，对照低频段电磁环境频谱图，分析论述城市区域中电力设施对电磁环境的影响特征以及在频谱中的反映和贡献。

2 电力设施及其电磁环境影响机理

2.1 电力设施

电力设施在电网建设和电力工程中通常是指110kV及以上电压等级高压输变电设施，主要分为变电站和输电线路。

变电站是电力输送环节当中变换电压的一种电力设施。大体上，变电站内的设备可以分为两部分，一是变压器，它的作用是变换电压，它把低电压升为高电压，或者把高电压将为低电压;二是进出线设备，也就是把高压电力接进来，把低压电力送出去的相关设备。高压接入端、低压送出端一般情况下位于变电站的相对两侧，分别可称为高压出线侧、低压出线侧。变电站根据这两部分是否设置在建筑物内，可分为4种形式:全部设备放置于露天场地上的户外式;变压器放置于建筑外而进出线设备集成后放置于建筑物内的半户内式;全部设备放置于建筑物内的户内式;全部设备放置于地下的地下式。

输电线路是连接变电站 (变压器)之间的金属导线。输电线路包括架空输电线和地下电缆。

成都市三环以内城市区域，除了修建时间较早的个别变电站外，一般均采取户内式布置，而输电线路主要以地下电缆为主。整体上看，城区电力设备基本无暴露在外的部分，均为墙体、地层所掩盖屏蔽。

2.2 电磁环境影响机理

高压送电线路 (高电位)与大地 (零电位)之间的位差，感应形成工频［2］电场。同样，变电站内变压器、高压带电构架和电气设备等也会感应形成工频电场。工频电流通过导体，感应形成工频磁场。工频电磁场属感应场，频率极低，不能形成有效的电磁激励，传播性能很差，因而会随着距离的增加而迅速减小，这是工频电磁场有别于平时所称的高频“电磁辐射”的一个重要特征。

图1 城市环境低频电磁场取样点位示意图Fig.1 Monitoring points of low frequency electromagnetic field in downtown area of Chengdu

电力设施除了产生工频电磁场以外，由于电晕放电、火花放电等原因还会产生杂乱无章的电磁干扰脉冲 (数十kHz～数十MHz)，但其幅值很小，一般对广播电视节目信号构成一定程度的干扰。由于城市区域使用闭路电视系统，对电视收看的影响也可消除。因而重点关注工频电磁场对电磁环境的贡献。

3 低频段电磁环境频谱

3.1 分析频段

电磁环境可以粗略地可以划分为低频 (10kHz以下)电磁环境和射频电磁环境。如前所述，与工频电磁场一样，10kHz以下频率的电磁波传播能力很差，因而直接利用10kHz以下频率的电磁波的应用设备极少，主要应用就是电力设施。工频就是指工业上用的交流电源的频率 (我国为50赫兹)，电力设施工作频率工频处于电磁环境的低频段，因此，为保障频谱分析的精度，对涵盖电力设施工作频率的5～500Hz进行频谱监测和分析。

表1 典型电力设施取样一览表Tab.1 Typical power facilities

3.2 取样点设置

为掌握成都市区电磁环境频谱，在成都市区三环路范围内采用网格法按照均布性、代表性原则布置了167个频谱测试点，其中既有一般城区点位，见图1;也有在电力设施周围的居民点点位，见表1。点位布置、仪器设备满足《辐射环境保护管理导则·电磁辐射监测仪器和方法》［3］(HJ/T10.2－1996)之相关规定，足以反映成都城市区域的低频电磁环境。

监测由四川省辐射环境管理监测中心站开展，该站具备相应项目计量认证、资质认证资格，数据质量得到有效保障。

3.3 低频电场频谱

通过对数百张低频谱图的研究分析，表明一般城市区域低频电磁环境在频谱特性上表现出较好的一致性。

3.3.1 电力设施影响在一般城市环境中的频谱反映

谱图由测量仪器自动生成，按照记录的点位编号转存至电脑后，由大量专业技术人员人工进行核查、比对、谱图分析。一般城市环境中的低频电场、磁场5～500Hz典型谱图如图2和图3。

图2 一般城市环境中低频电场典型谱图Fig.2 Typical LF electric field spectrum

图3 一般城市环境中低频磁场典型谱图Fig.3 Typical LF magnetic spectrum

可以看出，一般性点位的低频电场谱线仅在5～20Hz附近有微弱的起伏，电力设施工作频率50Hz处未见响应 (低于仪器探测下限1V/m)，说明城市环境中即使没有电力设施，低频电场仍存在天然水平;低频电场较为稳定。

低频磁场谱线在5Hz～45Hz频段内，各图频谱曲线基本一致，有较为连续的起伏，说明低频磁场存在天然水平;同时，在50Hz频点处均出现了较为明显的波峰，电力设施的特征频率在谱图中出现了明显的反映。另外在150Hz、250Hz、350Hz、450Hz也较多地出现了峰值。供电系统谐波是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解后，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值 (n=fn/f1)称为谐波次数。可见，电力设施谐波主要表现为谐波电流，影响低频磁场。由此可见，电磁环境中低频磁场除了天然水平外，还普遍存在人工来源——电力设施产生的工频磁场及其谐波分量。

而从幅值上分析，可以看出一般性城市区域的低频电场和低频磁场都极小，接近于天然水平。

3.3.2 电力设施周围低频电磁场的频谱反映

在电力设施 (包括城市中的10kV配送电设备)周围，其低频电磁场谱图峰值更为明显。下面列出了电力设施周围的典型低频电场、低频磁场谱图，见图4和图5。