劉嘉文，李 麗 (廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)電力需求快速增長(zhǎng)，電力工業(yè)發(fā)展逐步壯大，電網(wǎng)建設(shè)步伐不斷加快，電磁輻射對(duì)人體健康的影響越來(lái)越受到人們的關(guān)注。由于人們對(duì)電磁輻射相關(guān)知識(shí)的缺乏以及工頻電磁場(chǎng)的不易察覺性，使公眾對(duì)電磁輻射的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生誤區(qū)。為此，了解和掌握變電站內(nèi)工頻電磁場(chǎng)分布并提出合理防護(hù)措施顯得尤為重要。本文對(duì)500kV典型變電站工頻電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并選取廣東18座變電站進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提出防護(hù)屏蔽措施，為今后可能出現(xiàn)電磁環(huán)境糾紛問題提供數(shù)據(jù)支撐。

目前，國(guó)內(nèi)外計(jì)算輸電線路工頻電磁場(chǎng)的主要方法有：等效電荷法[1]、模擬電荷法[2-3]、邊界元法[4]、有限元法[5-8]、矩量法[9-10]。等效電荷法是最為基本的計(jì)算方法，適用于未畸變的輸電線的工頻電場(chǎng)計(jì)算，尤其是計(jì)算靠近地面的電場(chǎng)強(qiáng)度。模擬電荷法主要計(jì)算輸電線附近有建筑物時(shí)的電場(chǎng)分布情況，但對(duì)復(fù)雜地面邊界條件等問題，模擬電荷的個(gè)數(shù)和位置較難確定。有限元方法適合于各種含有復(fù)雜媒質(zhì)和不同幾何邊界條件問題的數(shù)值分析，對(duì)輸電線電場(chǎng)問題，能考慮任意塔型和導(dǎo)線布置，得到空間中任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值解。矩量法是用未知場(chǎng)的積分方程去計(jì)算給定媒質(zhì)中場(chǎng)的分布，避免了復(fù)雜的模擬電荷配置問題。本文基于距量法，根據(jù)一次設(shè)備主接線圖、設(shè)備平面布置圖和工況參數(shù)，運(yùn)用CDEGS軟件包的HIFREQ模塊[11-13]建立500kV典型變電站模型，并計(jì)算站內(nèi)工頻電磁場(chǎng)。

1 工頻電磁場(chǎng)計(jì)算原理

1.1 工頻電場(chǎng)計(jì)算

本文使用矩量法對(duì)變電站的工頻電場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在靜電學(xué)中，在由點(diǎn)(x',y'z')的電荷分布在點(diǎn)(x,y,z)產(chǎn)生的電位分布可以表示為：

(1)

這里ρv(x',y'z')實(shí)質(zhì)上是電位分布的源，R是點(diǎn)(x,y,z)和點(diǎn)(x',y',z')間的距離。然而一般情況下ρv(x',y'z')是未知的，而源區(qū)電位的分布是給定的。因此，為了求出空間每個(gè)地方的電位分布，必須估計(jì)源區(qū)的電荷分布ρv(x',y'z')。

設(shè)ρv(x',y'z')的一個(gè)解是：

ρv(x',y'z')=ɑ1ρ1(x',y'z')+ɑ2ρ2(x',y',z')+…

(2)

ρi(x',y'z')是源區(qū)一些離散位置上預(yù)先選定的電荷分布，ɑi是待定未知系數(shù)，代入式(1)得：

(3)

(4)

這里j=1,2,…,n?？紤]在ρi(x',y',z')位置的電荷，V(x,y,z)可表示：

(5)

(6)

由于V(x,y,z)在源區(qū)是已知的，所以未知系數(shù)ɑ1,ɑ2,…ɑn可以由數(shù)列確定，或表示成矩陣形式：

(7)

ɑ求出后，利用式(2)，就可以確定源區(qū)的電荷分布ρi(x',y'z')。接著就可以用式(3)計(jì)算空間任意點(diǎn)的電位分布，進(jìn)而計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)分布。

1.2 工頻電場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)“國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議第36.01工作組”推薦的計(jì)算方法[1]，使用安培定律計(jì)算高壓線路的空間工頻電場(chǎng)。在工頻情況下，線路的磁場(chǎng)僅由電流產(chǎn)生。應(yīng)用安培定律，將計(jì)算結(jié)果按矢量疊加，可得出導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度。不考慮導(dǎo)線的鏡像，用安培環(huán)路定律計(jì)算導(dǎo)線電流在空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度：

(8)

式中：I為導(dǎo)線中的電流；h為導(dǎo)線假設(shè)高度；L為任意點(diǎn)與導(dǎo)線的水平距離。

對(duì)于三相線路，由相位不同形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度水平和垂直分量都必須分別考慮電流間的相角，按相位矢量來(lái)合成。一般來(lái)說(shuō)合成矢量對(duì)時(shí)間的軌跡是一個(gè)橢圓。

2 工頻電磁場(chǎng)限值標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)ICNIRP(國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì))2010年提出的《限制時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)暴露的原則(1Hz～100kHz)》導(dǎo)則，對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的暴露限值規(guī)定：在50Hz頻率下，職業(yè)曝露的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度為10kV/m，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度為500μT。

而根據(jù)我國(guó)《500kV超高壓送變電程電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T24-1998)[14]的規(guī)定：以4kV/m作為居民區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，100μT作為磁感應(yīng)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 500kV典型變電站仿真計(jì)算

3.1 500kV典型變電站模型

廣東省500kV變電站有70%以上是空氣絕緣的敞開式開關(guān)設(shè)備變電站，而且相對(duì)于混合式氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備或氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備的變電站，敞開式開關(guān)設(shè)備變電站工頻電場(chǎng)強(qiáng)度最大[15]，所以本文以500kV敞開式開關(guān)設(shè)備變電站模型為例，根據(jù)不同電壓將500kV變電站等級(jí)分為500kV區(qū)域和220kV區(qū)域，分別建立區(qū)域仿真模型，詳見圖1和圖2。

圖1 變電站500kV區(qū)域仿真模型

圖2 變電站220kV區(qū)域仿真模型

3.2 500kV典型變電站工頻電磁場(chǎng)計(jì)算

500kV區(qū)域下方地面1.5m的工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 500kV區(qū)域工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)分布

從圖3可以看出，工頻電場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域在斷路器附近和母線的下方，在兩母線之間也存在著工頻電場(chǎng)較強(qiáng)的區(qū)域。仿真計(jì)算的工頻電場(chǎng)最大值為14.8kV/m。這里需要說(shuō)明的是，因此，仿真計(jì)算的是磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為A/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度1A/m 約等于磁感應(yīng)強(qiáng)度1.26μT。仿真計(jì)算的工頻磁場(chǎng)最大值為18.78A/m，即23.6μT。

從工頻電場(chǎng)分布分析，500kV區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度小于或等于4kV/m的測(cè)點(diǎn)占29%，工頻電場(chǎng)強(qiáng)度在5kV/m～7kV/m范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)分別占38%，電場(chǎng)強(qiáng)度在7kV/m～10kV/m范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)占28%，電場(chǎng)強(qiáng)度大于10kV/m的測(cè)點(diǎn)占5%。磁感應(yīng)強(qiáng)度小于或等于20μT有測(cè)點(diǎn)占96%，電場(chǎng)強(qiáng)度在20μT～100μT 范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)占4%。

同樣，對(duì)220kV區(qū)域下方的工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)仿真計(jì)算，結(jié)果見圖4(a)和圖4(b)。從圖中可以看出，220kV母線下方和斷路器附近的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度較大，最大值為5.47kV/m；隔離開關(guān)和母線附近的工頻磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，最大值為28.08A/m，即35.38μT。從工頻電場(chǎng)分布分析，220kV區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度小于或等于4kV/m的測(cè)點(diǎn)占76%，電場(chǎng)強(qiáng)度在5kV/m～7kV/m范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)分別占24%。磁感應(yīng)強(qiáng)度小于或等于20μT有測(cè)點(diǎn)占93%，電場(chǎng)強(qiáng)度在20μT～100μT 范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)占7%。

圖4 220kV區(qū)域工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)分布

4 500kV典型變電站測(cè)量

4.1 測(cè)點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)對(duì)500kV典型變電站的仿真計(jì)算結(jié)果，本文選取了廣東省18座500kV變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，其中敞開式變電站有13座，HGIS變電站有4座，GIS變電站有 1座。考慮到工作人員在變電站巡檢的區(qū)域和變電站對(duì)周邊影響，測(cè)量范圍包括站內(nèi)和站外，具體測(cè)點(diǎn)分布位置為：(1)主變壓器的高壓側(cè)、中壓測(cè)、低壓側(cè)；(2)隔離開關(guān)和斷路器連線的中垂線，斷路器和CT連線的中垂線；(3)邊相母線的正下方；(4)高壓設(shè)備旁，如斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、電抗器、電容器等；(5)值班室操作臺(tái)；(6)變電站圍墻外5m和20m。依據(jù)《高壓交流架空送電線路、變電站工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)測(cè)量方法》(DL/T988-2005)[16]進(jìn)行測(cè)量，本次測(cè)量使用Narda NBM-550電磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x和EHP-50D探頭。

4.2 測(cè)量結(jié)果

18個(gè)500kV變電站各區(qū)域工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的百分比見表1。從表1可知，在500kV區(qū)域，有73%變電站在斷路器和電流互感器引線的電場(chǎng)強(qiáng)度在7kV/m～10kV/m范圍，有13%變電站在斷路器和電流互感器引線的電場(chǎng)強(qiáng)度在大于10kV/m，其中最大值為10.7kV/m。有47%變電站在斷路器和隔離開關(guān)引線的電場(chǎng)強(qiáng)度在4kV/m～7kV/m范圍，有13%變電站在斷路器和電流互感器引線的電場(chǎng)強(qiáng)度在大于10kV/m，其中最大值為12.3kV/m，略低于14.8kV/m,仿真計(jì)算工頻電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果的分布規(guī)律與實(shí)測(cè)的工頻電場(chǎng)分布規(guī)律基本一致。

所測(cè)量變電站在35kV電抗器和電容器處磁感應(yīng)強(qiáng)度都大于100μT，最大值為435μT。有59%變電站在主變低壓側(cè)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度在20μT～100μT范圍，最大值為80.4μT。在220kV區(qū)域有10%變電站在隔離開關(guān)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度在20μT～100μT范圍，最大值為23.0μT。工頻磁場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果的分布規(guī)律與實(shí)測(cè)的工頻磁場(chǎng)分布規(guī)律也是基本一致的。

表1 500kV變電站工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布百分比

測(cè)點(diǎn)位置工頻電場(chǎng)強(qiáng)度分布百分比/%工頻磁感強(qiáng)度分布的百分比/%E 1110B≤2020100主控樓值班室100000010000主變高壓側(cè)043570010000主變中壓側(cè)673300078220主變低壓側(cè)356500041590500kV斷路器和隔離開關(guān)引線0040471310000500kV斷路器和電流互感器引線0014731310000500kV斷路器5285611083170500kV隔離開關(guān)029710010000500kV電流互感器043570010000500kV電壓互感器071290010000500kV避雷器078220010000500kV母線00722806940500kV進(jìn)線671230010000220kV斷路器和隔離開關(guān)引線0205030010000220kV斷路器和電流互感器引線056440010000220kV斷路器394411609460220kV隔離開關(guān)020800090100220kV電流互感器010000010000220kV電壓互感器316180010000220kV避雷器1667170089110220kV母線3950110010000220kV出線17785001000035kV電抗器505000000100站門口外5m94600010000圍墻外20m100000010000

此外，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示敞開式變電站工頻電場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于GIS變電站，而工頻磁場(chǎng)由于GIS距離地面較近，強(qiáng)度普遍大于敞開式變電站的同等電氣設(shè)備。變電站內(nèi)大部分測(cè)點(diǎn)工頻電場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足ICNIRP規(guī)定的限值要求，所測(cè)量變電站主控樓和站外測(cè)點(diǎn)均小于1kV/m,距離我國(guó)環(huán)評(píng)限值有一定裕度，不會(huì)對(duì)周邊居民和站內(nèi)工作人員的身體健康造成影響。

5 500kV典型變電站電磁場(chǎng)防護(hù)

目前，對(duì)高壓變電站工頻電磁場(chǎng)的防護(hù)，可采取改變線路高度，相間距，導(dǎo)線半徑等措施，但從建設(shè)規(guī)模和運(yùn)行成本方面考慮，這些措施都是不明智的。在不改變變電站現(xiàn)有規(guī)模和運(yùn)行時(shí)間情況下，從保障工作人員的健康出發(fā)，可主要通過以下三個(gè)途徑降低工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度：(1)防護(hù)距離的增加；(2)接觸時(shí)間的控制；(3)穿著屏蔽服。

本文選取市面上常見的屏蔽布料，如含20%和30%鐵絲織物，納米合金鍍膜織物，以及普通棉質(zhì)工作服在不同電磁場(chǎng)強(qiáng)度下進(jìn)行屏蔽效能[17]的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，普通棉質(zhì)工作服幾乎對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)都沒有任何屏蔽效果，而含20%和30%鐵絲織物，納米合金鍍膜織物對(duì)工頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)的屏蔽效果都在99%以上，上述布料對(duì)工頻電場(chǎng)的屏蔽效能都非常明顯，而納米合金鍍膜織物在5個(gè)工況下的屏蔽率更達(dá)到99.99%以上。不同布料對(duì)工頻磁場(chǎng)屏蔽率都很低，屏蔽率在6.3%～13.0%之間，屏蔽效能不明顯，所以對(duì)工頻磁場(chǎng)防護(hù)只能采取控制接觸距離和接觸時(shí)間等其他防護(hù)措施。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)利用矩量法對(duì)500kV變電站建立仿真模型，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，可為日后新建或擴(kuò)建變電站電磁環(huán)境的預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

(2)通過分析廣東18座500kV變電站的工頻電磁場(chǎng)水平，結(jié)果顯示敞開式變電站工頻電場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于GIS變電站。敞開式變電站工頻電場(chǎng)強(qiáng)度在500kV斷路器和電流互感器或隔離開關(guān)引線以及500kV母線正下方處較大。磁感應(yīng)強(qiáng)度在35kV電抗器處較大。站內(nèi)大部分測(cè)點(diǎn)工頻電場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足ICNIRP規(guī)定的限值要求，主控樓、站外測(cè)點(diǎn)均遠(yuǎn)小于我國(guó)環(huán)評(píng)要求。

(3)棉質(zhì)工作服對(duì)工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)幾乎沒有屏蔽效果，而含20%和30%鐵絲織物，納米合金鍍膜織物對(duì)工頻電場(chǎng)的屏蔽效果明顯，屏蔽率都在99%以上，但對(duì)工頻磁場(chǎng)屏蔽效果不佳，建議從控制接觸距離和接觸時(shí)間方面考慮防護(hù)措施。

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