输变电工程电磁环境防控措施分析

2022-11-21李素萍池光湧韩方虎陈安安王云楷

科技创新与应用 2022年33期

李素萍，池光湧，韩方虎，陈安安，王云楷

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510570）

电磁场是一种特殊的物质，具有物质所具有的一些属性，如占有空间、可以运动、具有能量，但电磁场和由分子、原子所组成的物质又有区别，比如原子、分子占据某一空间后，其他原子、分子不能再占领，但电磁场占据某一空间后，其他电磁场还可以加入进来，形成电磁场叠加[1]。

1 电磁理论基础简述

1.1 电场

空间中任意一点存在电荷，会在其周围空间产生激发电场。2个电荷之间的相互作用并不是电荷间的直接作用，而是一个电荷的电场对处于其中的其他电荷产生的力的作用，这种力称为电场力。可见，电场力是电场作用的，电场是作用的媒介。电场强度是从力的角度描述电场性质的物理量，在数值上等于单位正电荷在该点所受的电场力，方向为单位正电荷受力的方向，单位为V/m或kV/m[2]。电场强度是由形成电场的电荷所决定的，其大小和方向，不因放在该电场中的其他电荷有任何改变[1]。

1.2 磁场

导体中的电流在其周围空间产生磁场，磁场对处于其中的载流导体具有力的作用，该力是通过磁场作用的，磁场是作用的媒介。磁场强度是描述磁场强弱的物理量，单位为A/m。由安培定律可知，磁场强度与电流大小成正比，与距离成反比。但磁场中某一点的磁体或通电导线的受力情况，取决于该点磁感应强度的大小和方向，磁感应强度为磁场强度乘以磁导率，在国际单位制中的单位为T、mT、μT[2]。磁感应强度在磁场中的重要性比较接近电场中的电场强度，其大小和方向不因放在磁场中某点的磁体或通电导体的存在而改变，只取决于产生磁场的磁体或通电导体[1]。

1.3 电磁场与电磁波

随时间变化的磁场产生电场，随时间变化的电场又产生磁场，在充满变化电场的空间，同时也充满变化的磁场，二者互相作用、互相垂直且与自己的运动方向垂直，这种电场和磁场的统一体叫做电磁场。

交流电是指周期性地改变运动方向和数值的电流，任何交流电路在其周围一定范围空间存在着交变电磁场，该电磁场的频率和交流电的频率相同。交变电磁场在空间的运动和传播，像波一样以光速在空间由源向远处传播电磁能量，称为电磁波，电磁波在一个周期中传播的长度称为波长，如图1所示[3]。我国交流电压、电流的频率为50 Hz，波长为6 000 km，其产生的电场和磁场的频率也为50 Hz，波长也为6 000 km。

2 输变电设施的工频电场和工频磁场

在低频的振荡线路中，电磁互变比较缓慢，其能量几乎全部在原振荡电路中传递，没有能量辐射出去，只能借助有形的导体才能向外传递能量；在高频振荡电路中磁电互变很快，能量以电磁波形式向外围空间传播出去，不需要媒介也能传递，产生电磁辐射。

输变电设施的基本功能是输送50 Hz的交流电能，属极低频率范围，因载有高电压和大电流，在周围空间内会产生电场和磁场。然而，由天线辐射电磁波原理等电磁场理论可知，只有当电磁系统的尺度与其工作波长相当时，该系统才能向空间有效发射电磁能量，输变电设施的尺寸远小于这一波长，构不成有效的电磁能量发射，其周围空间的电场和磁场没有互相依存和转化的关系，彼此独立，因此在实际工程与环境健康等的研究中，工频电场和工频磁场是相互独立的，一般予以分别讨论。

2.1 工频电场

输送电能需要一定的电压和电流，由于高电压和大电流，电力设施和大地之间形成电场，在电力设施处电场高度集中，衡量电力设施工频电场强度强弱的量是电场强度，距电力设施越近电场强度越强，随距离增加，电场强度降低通常很快。一般来说，不受人体和周围物体影响的电场为非畸变电场，当电场中有人或物体存在时会使空间电场发生畸变，对电场起增强或减弱作用，称为畸变电场[2]。

2.2 工频磁场

电力运行中，导体中的电流会在周围空间产生磁场。工频磁场的分布特点与工频电场大体类似，磁感应强度随着与磁场源（载流的导体）距离的增大而迅速衰减。在变电站周界或围墙外，由变电设备产生的磁场水平已经很低。磁场一般不受周围物体影响，只有铁磁性物体才会使磁场产生畸变，对磁场有屏蔽作用[3]。

3 输变电工程电磁环境影响因素

输变电工程是是输电线路建设和变压器安装工程的统称，在其电路和电器设备周围一定空间内产生工频电场和工频磁场，影响源主要有变压器、高压并联电抗器、母线、阻波器、线路开关设备及导线等，影响因素主要包括运行工况、布置形式、配电装置类型和导线对地高度等，各影响因素的改变会导致变电站四周和横断面处的电场、磁场强度和分布情况发生变化。

3.1 变电站电磁环境影响因素

（1）电压等级。由电磁理论基础可知，电压等级越高，电场强度越大；电流越大，磁场强度越大。选取某地区500 kV、220 kV户外型变电站开展围墙外工频电场强度、工频磁感应强度实测，结果见表1。总体来看，220 kV变电站围墙外工频电场、磁场强度水平小于500 kV变电站。

表1 某地区典型500 kV、220 kV户外型变电站围墙外工频电磁场测量结果

（2）布置形式。按照建筑形式和电气设备布置方式，变电站布置可分为户外、半户内、户内和地下布置型变电站。由于空间电场易被建筑物屏蔽或削弱，一般情况下相同电压等级、相同容量的变电站户外布置形式电磁参数水平高于其他布置形式。

（3）配电装置类型。变电站中常见的高压配电装置主要有3种，即空气绝缘的常规配电装置（AIS）、气体绝缘全封闭组合电器（GIS）和混合式气体绝缘全封闭组合电器（HGIS）。由于HGIS和GIS型配电装置所用的金属套管为电的良导体且全部接地，对电场的屏蔽效果较强，因此相同电压等级、相同容量下，采用HGIS和GIS型配电装置的变电站四周工频电场强度会低于常规布置型。

（4）其他因素。变电站构架是变电站进线、出线、内部导线的支撑结构，各种带电构架从其所处位置到地面的范围内，电位按指数规律衰减分布，离地面越近，电场强度越小。变电站出线采用电缆方式比采用架空方式产生的电磁影响小，出线回路数越多，地面电场强度的分布越复杂[4]。

3.2 输电线路电磁环境影响因素

3.2.1 导线对地高度

选取某一电压为220 kV，导线型号为JL/LB20A-630/45，工作电流800 A，分裂导线数为2的输电线路，模拟计算导线对地高度分别为7、9、11、13、15、17、19和21 m时，地面1.5 m高度处工频电场、工频磁感应强度的最大值，结果见表2。由结果可知，提升导线对地高度，线路下方一定范围内工频电场、工频磁场强度会降低。

表2 导线对地高度不同时线下工频电场、工频磁场最大值

3.2.2 导线布置方式

常用的导线布置方式主要有水平排列、垂直排列、正三角排列和倒三角排列。由数值软件建模计算结果可知，相对于水平排列和垂直排列，三角形排列方式产生的工频电磁场强度较小。

3.2.3 导线参数

在计算工频磁感应强度时，等效半径一般不予考虑，导线参数变化对磁感应强度影响较小。在计算工频电场强度时，采用等效电荷法，工频电场强度随分裂半径、分裂数、导线半径的增大而增大，且影响最明显的是分裂数。

3.2.4 导线相序

对同塔双回和同塔多回线路来说，相序排列方式对工频电磁场影响较大。由数值软件建模计算结果可知，相对于同相序排列，逆相序排列产生的工频电磁场强度较小。

3.2.5 导线相间距

降低相间距可在一定程度内减小线路下方工频电磁场强度最大值和高场强区域的覆盖范围，且每降低相同距离，电场强度下降程度逐渐加强。

4 输变电工程电磁环境防控措施

输变电工程电磁环境控制是指通过降低变电站、输电线路等产生的电磁参数水平以减弱其对外界的影响。主要包括优化变电站和输电线路布置形式、优化配电装置选型、提升导线对地高度等。

4.1 变电站电磁环境防控措施

4.1.1 优化布置形式

由于建筑物和进出线电缆化的屏蔽作用，在电压等级相同的条件下，地下布置型、户内型和半户内型变电站围墙外工频电场强度明显小于户外型变电站。因此在变电站的规划建设过程中，应充分考虑与周围环境的相对关系，合理选择布置形式，如对位于城区的220、110 kV变电站，应首先考虑户内布置，降低周围电磁参数水平。

4.1.2 优化配电装置选型

依靠金属封闭装置的屏蔽作用，GIS和HGIS布置的变电站围墙外的工频电场强度明显低于AIS布置的变电站。因此在环境敏感区域，或者电磁参数限值要求较高的重点区域，应通过优化配电装置选型降低周围电磁参数水平，如对于电磁污染较严重的电抗器，选用干式铁芯电抗器代替，同时在电抗器室采用非导磁性材料加以屏蔽；配电装置尽量采用开关柜及封闭式母线等，同时利用金属罩的屏蔽作用降低电磁场强度；使用控制合理的绝缘子，控制绝缘子表面放电；减少因不良接触而产生的火花放电；避免尖角及凸出物等引起火花放电产生高频电场等[5]。

4.1.3 优化站内布局

站内低压侧并联电抗器因空心结构、线圈匝数较多，工频电磁场往往较大，可通过合理布置其排列方式、保证安全距离等加以控制。站内带电构架及进出线产生的工频电场强度与离地高度关系密切，可充分利用地形和环境特点，提高构架高度，抬高进出线高度，降低对地面电磁环境的影响。变电站四周围墙外电磁参数较大值一般位于高压线出线侧下方，选择出线走廊位置时应充分考虑周边环境及电网规划，尽量避开居民点等环境敏感区，降低其对周边敏感目标的影响。

4.1.4 强化建筑物、绿化景观屏蔽

建筑物、树木和绿化景观等均具有一定的电磁屏蔽效果。例如目前在换流站中常在有屏蔽要求的建筑物顶棚、地面及四周墙壁安装金属网或金属薄板，组成一个金属隔离体，通过多点连接地网达到屏蔽效果。另外在不影响设备运行的站内区域或围墙外可采取植树、绿化和景观布置等措施，也可在一定范围内降低变电站的电磁环境影响[4]。