220kV变电站地下电缆工频磁场长、短期变化规律分析

徐 辉　宋福祥　阮黎东　孙伟通　尚致楠　佟 晶　李 飞

(1.北京市辐射安全技术中心， 北京　100089； 2.北京市环境保护局， 北京　100048)

220kV变电站地下电缆工频磁场长、短期变化规律分析

徐 辉1宋福祥1阮黎东2孙伟通2尚致楠1佟 晶1李 飞1

(1.北京市辐射安全技术中心， 北京100089； 2.北京市环境保护局， 北京100048)

摘要：本文收集了北京地区一个典型220 kV变电站厂界处220 kV地下电缆的工频磁场自动监测系统3年的数据，通过工频磁感应强度与电流强度相关性分析及监测数据长期、短期、瞬时变化规律分析，发现工频磁感应强度与电流强度具有强相关性；且工频磁感应强度冬季高于夏季，工作日高于周末，一天中峰值出现在9～10点与18～22点；针对变化规律得出的结论可为相关的实际监测工作提供借鉴。

关键词：地下电缆；输电电流；工频磁场；自动监测；数据分析

当今社会，随着用电量的急剧上升，高压输变电工程也大批上马，其带来的工频电磁场也被称为“电磁污染”或“电子烟雾”受到公众越来越多的关注。为提高城市土地利用价值及电网运行的可靠性，同时也为减少高压输变电线路和变电站周围电磁辐射影响的投诉，市区内变电站采用半地下或全地下户内式，并由电力电缆线路送电。尽管如此，居民仍担心其对周围电磁环境的影响。

电磁场在线监测系统能消除公众对所处环境电磁水平的不信任，因此爱尔兰、意大利等欧洲国家已建立了电磁环境自动监测系统，对数据进行长期监测、分析，以消除公众疑虑。上海在市区全地下500 kV世博变电站的上方地面上安装了工频电磁场自动监测系统，北京也在市区一个220 kV变电站四周安装了工频磁场自动监测设备及一个LED显示屏，以应对周边居民的顾虑。

本文对该220 kV变电站长期监测数据及相关数据进行计算整理后，对工频磁感应强度与电流强度的相关性，工频磁场的长期、短期、瞬时变化规律进行了分析。

1研究基础

1.1变电站基本情况

该220 kV变电站建于2012年，是一个半户内式变电站，配备4台180 MVA主变，共8回220 kV出线，安置在5个地下电缆隧道中，隧道走向与变电站厂界垂直，其中西侧自北向南有3个220 kV地下电缆隧道，北厂界、南厂界各有1个220 kV地下电缆隧道。

变电站于东、西、南、北厂界处各安装了1套工频磁场自动监测设备，由于西厂界处的工频磁场比其他3个自动站的数值高，因此选定变电站西厂界工频磁场自动监测设备(以下简称西自动站)的数据进行分析。

西厂界自南向北有3个电缆隧道(隧道四、隧道三、隧道二)，中心线距西自动站分别为4.6、9.2、16.35 m。可见，西厂界自动站的工频磁感应强度主要受隧道四中220 kV电缆电流的影响。

1.2监测仪器

变电站西厂界几何中心点、北厂界、南厂界中心处各安装有1套工频磁场自动监测设备(以下分别称H1、H2、H3)，探头距地面1.7 m。自动监测设备主机为PMM8057，准峰值检波，数据记录间隔3秒；配磁场探头HP-1B-01，频率范围10Hz～5 kHz，测量范围50 nT～200 μT。3秒的监测数据实时显示在主楼西墙的LED大屏上，每3秒刷新一次，4套工频磁场自动监测设备的数据循环依次显示；显示的数据同时传回变电站主控室数据库，并按一定时间间隔传回辐射中心监控室的数据库中进行数据的汇总和处理。

1.3监测数据

地下电缆一般安置在地下隧道内，隧道的钢筋水泥、地表的覆土或地面水泥等对电场的屏蔽作用很大，所以地表面的工频电场基本可以忽略不计；但对磁场屏蔽效果差，因此对地下电缆主要考虑磁场强度的影响。

调取自动监测站2012-2014年的6 min RMS值，经有效性筛选后计算小时均值、日均值、月均值、季均值等；调取2015年2月2-8日小时均值。

1.4数据分析内容

(1) 工频磁感应强度-电流强度相关性分析

(2) 工频磁场长期、短期、瞬时变化规律分析

2数据分析

2.1工频磁感应强度-电流强度相关性分析

随着用电负荷的变化，即通过电缆的电流的变化，工频磁感应强度也随之变化，因此在线路电缆中基本参数(如电缆埋深，电缆尺寸，电缆材料，相间距，相序，电压等级等)一定的情况下，工频磁感应强度的大小主要取决于电流强度大小。但二者之间相关程度的高低需要通过数据分析进行评定。

2.1.1工频磁感应强度与电流强度相关

选取2012年1月-2014年5月西厂界工频磁场自动监测设备的工频磁感应强度月均值及对应西侧电缆隧道内电缆的电流值，同时选取2015年2月2日-2015年2月8日工频磁感应强度小时均值及对应的电缆电流值，绘制了电流强度与工频磁感应强度的对应关系曲线图，分别见图1(a)、(b)。

由图1可以看出，随时间的变化，与之对应的电流强度有较大幅度的变化；同时监测的工频磁感应强度值也随之变化，且两条曲线形状相似，变化趋势也一致，说明电流强度与工频磁感应强度之间有关联。

2.1.2工频磁感应强度-电流强度的相关系数

通过SPSS数据统计分析软件对图1中第一组和第二组数据分别进行Pearson相关性分析，结果显示在99%的置信区间，两组数据中工频磁感应强度与电流强度相关系数分别为0.985和0.823，均为显著相关。

图1(b)中第二组数据的相关系数相比第一组较低，原因是该时段离自动站最近的隧道四中的电缆由于改造暂停工作，因此西自动站主要受中间的隧道三中电缆电流的影响，而隧道三距离自动站相对较远，磁感应强度值偏低，易受其他环境干扰因素影响，相关性自然会小一些，但依然为显著相关。

可见，工频磁感应强度的变化主要取决于电流强度的变化，即用电负荷大小。因此，工频磁感应强度的长期变化规律与用电负荷的变化强相关。

2.2工频磁场长期变化规律分析

选取2012年和2013年的西厂界、2013和2014北厂界/南厂界工频磁场自动监测设备的6 min RMS数据，计算其小时均值、日均值、月均值、季均值等，并进行变化规律分析。

(a)第一组： 月均值(2012.1-2014.5)

(b)第二组：小时均值(2015.2.2-2015.2.8)图1　西厂界自动点位工频磁感应强度与电流强度变化关系

2.2.1西厂界工频磁场季度、月变化规律

西自动站2012、2013年工频磁感应强度季均值、月均值变化趋势详见图2(a)、(b)。从图中可以看出该点位的工频磁场呈现较明显的季节性和月份变化规律，每年的1季度磁感应强度值最高，4季度次之，2季度最低，说明该220kV线路电流强度在1季度最大；从月份看，12月、1～3月磁感应强度最大，其中2013年1月份达到3.6μT； 而4～6月份最低，其中2013年5月份仅为0.5μT。图2(a)中2014年3、4季度工频磁场规律与2012、2013年不同的原因是2014年5～12月该线路由于其他原因暂时中断供电。总体看，本测点工频磁场呈现冬季高、夏季低的变化趋势。

(a)季均值

(b)月均值图2　西厂界磁场强度均值变化趋势图(2012年-2013年)

2.2.2北、南厂界工频磁场季度、月变化规律

图3为北厂界、南厂界自动监测站2013、2014年工频磁感应强度月均值变化趋势。由于北自动站、南自动站分别离变电站北侧、南侧电缆隧道10 m以上，而且北侧、南侧隧道中220 kV线路电流强度值低于西厂界的220 kV线路，因此北、南厂界的工频磁感应强度远低于西厂界，如2013年1月北自动站工频磁感应强度为0.31 μT，仅是同期西自动站的1/10；但北、南厂界长期变化规律与西厂界基本一致，即呈两头高、中间低的变化趋势，冬季略高于其他季节。

图3　北厂界、南厂界磁感应强度月均值变化趋势(2013-2014年)

2.2.3工频磁场长期变化规律原因分析

统计资料显示，北京地区夏季用电负荷高于冬季，但该变电站西厂界处的工频磁场变化呈明显的季节性，即冬季远高于夏季，南、北厂界工频磁感应强度值虽然幅值较低，但规律也为冬季略高于夏季。初步分析，与西侧220 kV出线沿路供电用户的功能有关，因沿路除居民区外，有不少商业用办公楼、大厦、商场、工厂等，年底、春节前工厂和公司为完成年度指标会经常加班，商场也会搞各类促销活动等；且冬天昼间短，用电时间长；另外，冬季取暖时常会看到由于集中供暖温度不够，在居室内或办公室里再增加电加热设备等现象，因此该线路冬季用电负荷高于夏季，工频磁感应强度自然就会出现冬季高于夏季的规律。

2.3工频磁场短期变化趋势分析

2.3.1工频磁感应强度日均值变化趋势分析

图4是西自动站2012-2013年全年及2014年1～4月底的日均值变化情况，可以看出3年中12月、1～3月工频磁感应强度变化趋势基本一致，且始终稳定在高值，没有出现相邻两日幅值呈现大幅振荡的情况，因此在进行工频电磁场实验室比对时建议选取12月、1～3月。

图4　全年工频磁感应强度日均值变化趋势(2012-2014年)

2.3.2工频磁场工作日与周末的变化规律分析

选取西自动站2013年1～3月、9～10月每日工频磁感应强度数据，并分别按周一至周日计算同期算术均值，结果如图5所示。可以看出：两组数据的工作日(周一至周五)的工频磁感应强度均高于周末(周六和周日)；在工作日中，周一最高(分别为3.63 μT和2.82 μT)，周三最低(分别为3.59 μT和2.71 μT)；从周末两天看，周日的工频磁感应强度低于周六。一周当中，周一工频磁感应强度最高，而周日最低(分别为3.47 μT和2.68 μT)。但总体上，

图5　工作日与周末工频磁感应强度对比

一周当中各日的工频磁感应强度幅度相差很近，最大值与最低值相差0.15 μT左右。

2.3.3工频磁场24小时变化规律分析

分别选取2013.3.11-3.17及2014.3.22-3.28各日的小时均值并做变化趋势图，见图6(a)、(b)。

(a)2013.3.11-3.17

(b) 2014.3.22-3.28图6　西厂界自动站工频磁感应强度小时变化趋

可以看出图6(a)的工频磁感应强度在3.1～3.6 μT之间，而图6(b)的工频磁感应强度在0.3～0.7 μT之间，相差近10倍，但二者的变化规律基本一致：呈现两个波峰、两个波谷。其中波峰分别出现在昼间上午9～10点和晚上18～22点，波谷分别出现在凌晨2～4点和昼间下午14～15点；昼间的波峰通常高于晚间的波峰，而昼间的波谷低于夜间的波谷；但最高波峰、最低波谷的绝对值差值均不大，图6(a)、(b)中最大绝对差值均为0.2 μT左右，说明一段时间内或一天中工频磁感应强度值幅度变化不大。

2.3.4工频磁场短期变化规律原因分析

上述工频磁场短期变化规律亦与线路沿途供电用户性质及工作、生活规律相关，如工频磁感强度在昼间9～10点、晚间18～22点出现峰值，而昼间9～10点正是办公、工厂、商场等用户开始一天工作的时段，晚间18～22点是居民下班、周末出游后回家做饭、看电视或去周边场所休闲、娱乐时段，因此用电负荷较大。国外也有一天内不同时间段工频磁感应强度变化规律的分析，工频磁感应强度高峰时段为晚间18～21点，与本文分析结果相似。

2.4工频磁场瞬时变化规律

选取2013年3月11日和2014年3月25日两个典型日的工作时段，即9：00-17：00的6 min RMS工频磁感应强度值(由于自动系统软件设置，实际系统计算的是5 min左右的RMS均值)，因此每个小时有11～13个RMS均值，记作m1～m13；对每小时的6 min RMS值计算平均值 、标准偏差和各6 min RMS值与平均值的差值，并将差值折算成标准偏差的倍数，关系图见图7。

(a)2013年3月11日

(b)2014年3月25日图7　西厂界自动站磁场强度6 min RMS差值折算成标准偏差倍数的关系

从图7可以看出，(a)、(b)两组数据大部分点落在1个标准偏差之内，但分别约有30%的6 min

RMS值与小时均值的差值大于1个标准偏差。可见，工频磁感应强度6 min的稳定性基本较好，但若进行比对监测等要求稳定性较高的情况下，应考虑偏差修正。

4结语

(1) 由于高压线路/地下电缆沿路用电的用户性质不同，一年中各季度的用电负荷不同、每日工作/生活的时间规律不同等，因此产生的工频磁场具有季节性变化规律，且每日中工频磁感应强度具有波峰和波谷时段。

(2) 工频电磁场自动监测数据能全面反映变电站的工频电磁环境的变化情况，除能积累大量数据外，对周围居民也能起到科普、宣传的作用。该变电站及上海500 kV世博变电站均在特大城市市区内，建设前遇到了来自居民的很大阻力，同步建成了工频电磁场监测系统后，LED大屏上实时显示的监测数据彻底消除了居民的忧虑。因此工频电磁场自动监测系统是宣传的有效途径之一，应加大建设力度。

参考文献

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Analysis on long-term and short-term varying trends of magnetic fields induced by underground cables in 220kV transformer substation

Xu Hui1，Song Fuxiang1，Ruan Lidong2，Sun Weitong2,Shang Zhinan1, Tong Jing1, Li Fei1

(1.Beijing Radiation Safety Technical Center, Beijing 100089;2.Beijing Municipal Environmental Protection Bureau, Beijing 100048)

Abstract:Quantity of magnetic flux density data for 3 years are retrieved from the automatic monitoring system located in the boundary of 220kV transformer substation for monitoring magnetic fields generated from 220kV underground cables, and analysis on long-term, short-term, instantaneous monitoring data as well as the correlation between power frequency magnetic flux density and current density are carried out. It is revealed that magnetic flux density is significantly related to current density, the magnetic flux density in winter and work days are higher than that in summer and weekends respectively, and peak magnetic flux density within one day presents in 9-10AM and 18-22PM. Based on the analysis results, some suggestions in terms of in-situ measurements are put forward.

Keywords:underground cable; power transmission current; power frequency magnetic field; automatic monitoring; data analysis

收稿日期：2015-06-24；2016-03-23修回

作者简介：徐辉，女，1971年生，高级工程师，研究方向：噪声、电磁辐射监测。E-mail:crystalbjmemc@126.com

中图分类号：X837

文献标志码：A