輸變電工程電磁環境防控措施分析

李素萍，池光湧，韓方虎，陳安安，王云楷

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510570）

電磁場是一種特殊的物質，具有物質所具有的一些屬性，如占有空間、可以運動、具有能量，但電磁場和由分子、原子所組成的物質又有區別，比如原子、分子占據某一空間后，其他原子、分子不能再占領，但電磁場占據某一空間后，其他電磁場還可以加入進來，形成電磁場疊加[1]。

1 電磁理論基礎簡述

1.1 電場

空間中任意一點存在電荷，會在其周圍空間產生激發電場。2個電荷之間的相互作用并不是電荷間的直接作用，而是一個電荷的電場對處于其中的其他電荷產生的力的作用，這種力稱為電場力?？梢?，電場力是電場作用的，電場是作用的媒介。電場強度是從力的角度描述電場性質的物理量，在數值上等于單位正電荷在該點所受的電場力，方向為單位正電荷受力的方向，單位為V/m或kV/m[2]。電場強度是由形成電場的電荷所決定的，其大小和方向，不因放在該電場中的其他電荷有任何改變[1]。

1.2 磁場

導體中的電流在其周圍空間產生磁場，磁場對處于其中的載流導體具有力的作用，該力是通過磁場作用的，磁場是作用的媒介。磁場強度是描述磁場強弱的物理量，單位為A/m。由安培定律可知，磁場強度與電流大小成正比，與距離成反比。但磁場中某一點的磁體或通電導線的受力情況，取決于該點磁感應強度的大小和方向，磁感應強度為磁場強度乘以磁導率，在國際單位制中的單位為T、mT、μT[2]。磁感應強度在磁場中的重要性比較接近電場中的電場強度，其大小和方向不因放在磁場中某點的磁體或通電導體的存在而改變，只取決于產生磁場的磁體或通電導體[1]。

1.3 電磁場與電磁波

隨時間變化的磁場產生電場，隨時間變化的電場又產生磁場，在充滿變化電場的空間，同時也充滿變化的磁場，二者互相作用、互相垂直且與自己的運動方向垂直，這種電場和磁場的統一體叫做電磁場。

交流電是指周期性地改變運動方向和數值的電流，任何交流電路在其周圍一定范圍空間存在著交變電磁場，該電磁場的頻率和交流電的頻率相同。交變電磁場在空間的運動和傳播，像波一樣以光速在空間由源向遠處傳播電磁能量，稱為電磁波，電磁波在一個周期中傳播的長度稱為波長，如圖1所示[3]。我國交流電壓、電流的頻率為50 Hz，波長為6 000 km，其產生的電場和磁場的頻率也為50 Hz，波長也為6 000 km。

2 輸變電設施的工頻電場和工頻磁場

在低頻的振蕩線路中，電磁互變比較緩慢，其能量幾乎全部在原振蕩電路中傳遞，沒有能量輻射出去，只能借助有形的導體才能向外傳遞能量；在高頻振蕩電路中磁電互變很快，能量以電磁波形式向外圍空間傳播出去，不需要媒介也能傳遞，產生電磁輻射。

輸變電設施的基本功能是輸送50 Hz的交流電能，屬極低頻率范圍，因載有高電壓和大電流，在周圍空間內會產生電場和磁場。然而，由天線輻射電磁波原理等電磁場理論可知，只有當電磁系統的尺度與其工作波長相當時，該系統才能向空間有效發射電磁能量，輸變電設施的尺寸遠小于這一波長，構不成有效的電磁能量發射，其周圍空間的電場和磁場沒有互相依存和轉化的關系，彼此獨立，因此在實際工程與環境健康等的研究中，工頻電場和工頻磁場是相互獨立的，一般予以分別討論。

2.1 工頻電場

輸送電能需要一定的電壓和電流，由于高電壓和大電流，電力設施和大地之間形成電場，在電力設施處電場高度集中，衡量電力設施工頻電場強度強弱的量是電場強度，距電力設施越近電場強度越強，隨距離增加，電場強度降低通常很快。一般來說，不受人體和周圍物體影響的電場為非畸變電場，當電場中有人或物體存在時會使空間電場發生畸變，對電場起增強或減弱作用，稱為畸變電場[2]。

2.2 工頻磁場

電力運行中，導體中的電流會在周圍空間產生磁場。工頻磁場的分布特點與工頻電場大體類似，磁感應強度隨著與磁場源（載流的導體）距離的增大而迅速衰減。在變電站周界或圍墻外，由變電設備產生的磁場水平已經很低。磁場一般不受周圍物體影響，只有鐵磁性物體才會使磁場產生畸變，對磁場有屏蔽作用[3]。

3 輸變電工程電磁環境影響因素

輸變電工程是是輸電線路建設和變壓器安裝工程的統稱，在其電路和電器設備周圍一定空間內產生工頻電場和工頻磁場，影響源主要有變壓器、高壓并聯電抗器、母線、阻波器、線路開關設備及導線等，影響因素主要包括運行工況、布置形式、配電裝置類型和導線對地高度等，各影響因素的改變會導致變電站四周和橫斷面處的電場、磁場強度和分布情況發生變化。

3.1 變電站電磁環境影響因素

（1）電壓等級。由電磁理論基礎可知，電壓等級越高，電場強度越大；電流越大，磁場強度越大。選取某地區500 kV、220 kV戶外型變電站開展圍墻外工頻電場強度、工頻磁感應強度實測，結果見表1?？傮w來看，220 kV變電站圍墻外工頻電場、磁場強度水平小于500 kV變電站。

表1 某地區典型500 kV、220 kV戶外型變電站圍墻外工頻電磁場測量結果

（2）布置形式。按照建筑形式和電氣設備布置方式，變電站布置可分為戶外、半戶內、戶內和地下布置型變電站。由于空間電場易被建筑物屏蔽或削弱，一般情況下相同電壓等級、相同容量的變電站戶外布置形式電磁參數水平高于其他布置形式。

（3）配電裝置類型。變電站中常見的高壓配電裝置主要有3種，即空氣絕緣的常規配電裝置（AIS）、氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）和混合式氣體絕緣全封閉組合電器（HGIS）。由于HGIS和GIS型配電裝置所用的金屬套管為電的良導體且全部接地，對電場的屏蔽效果較強，因此相同電壓等級、相同容量下，采用HGIS和GIS型配電裝置的變電站四周工頻電場強度會低于常規布置型。

（4）其他因素。變電站構架是變電站進線、出線、內部導線的支撐結構，各種帶電構架從其所處位置到地面的范圍內，電位按指數規律衰減分布，離地面越近，電場強度越小。變電站出線采用電纜方式比采用架空方式產生的電磁影響小，出線回路數越多，地面電場強度的分布越復雜[4]。

3.2 輸電線路電磁環境影響因素

3.2.1 導線對地高度

選取某一電壓為220 kV，導線型號為JL/LB20A-630/45，工作電流800 A，分裂導線數為2的輸電線路，模擬計算導線對地高度分別為7、9、11、13、15、17、19和21 m時，地面1.5 m高度處工頻電場、工頻磁感應強度的最大值，結果見表2。由結果可知，提升導線對地高度，線路下方一定范圍內工頻電場、工頻磁場強度會降低。

表2 導線對地高度不同時線下工頻電場、工頻磁場最大值

3.2.2 導線布置方式

常用的導線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。由數值軟件建模計算結果可知，相對于水平排列和垂直排列，三角形排列方式產生的工頻電磁場強度較小。

3.2.3 導線參數

在計算工頻磁感應強度時，等效半徑一般不予考慮，導線參數變化對磁感應強度影響較小。在計算工頻電場強度時，采用等效電荷法，工頻電場強度隨分裂半徑、分裂數、導線半徑的增大而增大，且影響最明顯的是分裂數。

3.2.4 導線相序

對同塔雙回和同塔多回線路來說，相序排列方式對工頻電磁場影響較大。由數值軟件建模計算結果可知，相對于同相序排列，逆相序排列產生的工頻電磁場強度較小。

3.2.5 導線相間距

降低相間距可在一定程度內減小線路下方工頻電磁場強度最大值和高場強區域的覆蓋范圍，且每降低相同距離，電場強度下降程度逐漸加強。

4 輸變電工程電磁環境防控措施

輸變電工程電磁環境控制是指通過降低變電站、輸電線路等產生的電磁參數水平以減弱其對外界的影響。主要包括優化變電站和輸電線路布置形式、優化配電裝置選型、提升導線對地高度等。

4.1 變電站電磁環境防控措施

4.1.1 優化布置形式

由于建筑物和進出線電纜化的屏蔽作用，在電壓等級相同的條件下，地下布置型、戶內型和半戶內型變電站圍墻外工頻電場強度明顯小于戶外型變電站。因此在變電站的規劃建設過程中，應充分考慮與周圍環境的相對關系，合理選擇布置形式，如對位于城區的220、110 kV變電站，應首先考慮戶內布置，降低周圍電磁參數水平。

4.1.2 優化配電裝置選型

依靠金屬封閉裝置的屏蔽作用，GIS和HGIS布置的變電站圍墻外的工頻電場強度明顯低于AIS布置的變電站。因此在環境敏感區域，或者電磁參數限值要求較高的重點區域，應通過優化配電裝置選型降低周圍電磁參數水平，如對于電磁污染較嚴重的電抗器，選用干式鐵芯電抗器代替，同時在電抗器室采用非導磁性材料加以屏蔽；配電裝置盡量采用開關柜及封閉式母線等，同時利用金屬罩的屏蔽作用降低電磁場強度；使用控制合理的絕緣子，控制絕緣子表面放電；減少因不良接觸而產生的火花放電；避免尖角及凸出物等引起火花放電產生高頻電場等[5]。

4.1.3 優化站內布局

站內低壓側并聯電抗器因空心結構、線圈匝數較多，工頻電磁場往往較大，可通過合理布置其排列方式、保證安全距離等加以控制。站內帶電構架及進出線產生的工頻電場強度與離地高度關系密切，可充分利用地形和環境特點，提高構架高度，抬高進出線高度，降低對地面電磁環境的影響。變電站四周圍墻外電磁參數較大值一般位于高壓線出線側下方，選擇出線走廊位置時應充分考慮周邊環境及電網規劃，盡量避開居民點等環境敏感區，降低其對周邊敏感目標的影響。

4.1.4 強化建筑物、綠化景觀屏蔽

建筑物、樹木和綠化景觀等均具有一定的電磁屏蔽效果。例如目前在換流站中常在有屏蔽要求的建筑物頂棚、地面及四周墻壁安裝金屬網或金屬薄板，組成一個金屬隔離體，通過多點連接地網達到屏蔽效果。另外在不影響設備運行的站內區域或圍墻外可采取植樹、綠化和景觀布置等措施，也可在一定范圍內降低變電站的電磁環境影響[4]。

4.2 輸電線路電磁環境防控措施

4.2.1 優化線路布置方式

若只考慮降低輸電線路電磁參數，倒三角排列方式線下一定范圍內電磁參數水平最低，因此可在滿足架設要求的前提下，優先選擇倒三角排列布置方式。

4.2.2 提升導線對地高度

提升導線對地高度可有效降低線下一定范圍內電磁參數水平，但當提升至一定高度后，繼續提升時降低效果不明顯，因此應綜合考慮電磁環境及建設的經濟性等。

4.2.3 降低相間距

降低相間距離可在一定程度內減小線路下方工頻電磁場強度，但當相間距過小時，可能會不滿足相間絕緣距離要求而發生相間短路，因此降低相間距時應同時考慮相間絕緣限制。

4.2.4 采用逆相序排列

同塔雙回線路或同塔多回線路架設時，逆相序排列線路下方工頻電磁場比同相序低，因此在滿足其他條件時可盡量采用逆相序排列。

4.2.5 架設屏蔽線

通過架設屏蔽線可以降低線路下方的電磁參數水平，且屏蔽線數越多屏蔽效果越好，但屏蔽線數的增加與工頻電場強度的降低并不成正比，因此應合理選擇屏蔽線的架設數量；此外，屏蔽線的安裝高度、與輸電線路中心的距離對屏蔽效果的影響也較大，為達到最優屏蔽效果，在加裝屏蔽線時還應合理選擇屏蔽線的安裝位置。

4.2.6 同塔多回混合架設

同塔多回混合架設是指在下層架設較低電壓等級的線路，具有一定的屏蔽作用，且與加裝屏蔽線相比，采用同塔多回架設更經濟，如在500 kV線路下方同塔架設110 kV線路，其地面工頻電場強度最大值降低較明顯。因此，可采用不同電壓等級線路混合架設來降低地面工頻電場強度。

5 結束語

為有效降低輸變電工程對周圍電磁環境的影響，本文在簡述相關電磁理論的基礎上，分析了輸變電工程電磁環境影響因素，提出了輸變電工程的電磁環境防控措施。

（1）變電站電磁環境影響因素包括電壓等級、布置形式、配電裝置類型、帶電架構高度、出線方式和回路數等。

（2）輸電線路電磁影響因素包括導線對地高度、布置方式、等效半徑、分裂數和相間距離、相序排列方式等。

（3）變電站電磁環境防控措施主要包括優化布置形式，優化配電裝置選型，優化站內布局，以及強化建筑物、綠化景觀的電磁屏蔽等。

（4）輸電線路電磁環境防控措施主要包括優化線路布置方式、提升導線對地高度、降低相間距、采用逆相序排列、架設屏蔽線和采用同塔多回混合架設等。