500kV變電站工頻電磁場分布及防護分析

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，隨著我國電力需求快速增長，電力工業(yè)發(fā)展逐步壯大，電網(wǎng)建設(shè)步伐不斷加快，電磁輻射對人體健康的影響越來越受到人們的關(guān)注。由于人們對電磁輻射相關(guān)知識的缺乏以及工頻電磁場的不易察覺性，使公眾對電磁輻射的認識產(chǎn)生誤區(qū)。為此，了解和掌握變電站內(nèi)工頻電磁場分布并提出合理防護措施顯得尤為重要。本文對500kV典型變電站工頻電磁場進行仿真計算，并選取廣東18座變電站進行對比測量，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)提出防護屏蔽措施，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，國內(nèi)外計算輸電線路工頻電磁場的主要方法有：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算方法，適用于未畸變的輸電線的工頻電場計算，尤其是計算靠近地面的電場強度。模擬電荷法主要計算輸電線附近有建筑物時的電場分布情況，但對復(fù)雜地面邊界條件等問題，模擬電荷的個數(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，對輸電線電場問題，能考慮任意塔型和導(dǎo)線布置，得到空間中任一點的電場強度數(shù)值解。矩量法是用未知場的積分方程去計算給定媒質(zhì)中場的分布，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)，運用CDEGS軟件包的HIFREQ模塊[11-13]建立500kV典型變電站模型，并計算站內(nèi)工頻電磁場。

1 工頻電磁場計算原理

1.1 工頻電場計算

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

(1)

這里ρv(x',y'z')實質(zhì)上是電位分布的源，R是點(x,y,z)和點(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，為了求出空間每個地方的電位分布，必須估計源區(qū)的電荷分布ρv(x',y'z')。

設(shè)ρv(x',y'z')的一個解是：

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)計算空間任意點的電位分布，進而計算場強分布。

1.2 工頻電場計算

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

(8)

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

對于三相線路，由相位不同形成的磁場強度水平和垂直分量都必須分別考慮電流間的相角，按相位矢量來合成。一般來說合成矢量對時間的軌跡是一個橢圓。

2 工頻電磁場限值標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)ICNIRP(國際非電離輻射防護委員會)2010年提出的《限制時變電場和磁場暴露的原則(1Hz～100kHz)》導(dǎo)則，對電場和磁場的暴露限值規(guī)定：在50Hz頻率下，職業(yè)曝露的工頻電場強度為10kV/m，工頻磁感應(yīng)強度為500μT。

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

3 500kV典型變電站仿真計算

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)備變電站工頻電場強度最大[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計算

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

圖3 500kV區(qū)域工頻電場、工頻磁場分布

從圖3可以看出，工頻電場最強的區(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較強的區(qū)域。仿真計算的工頻電場最大值為14.8kV/m。這里需要說明的是，因此，仿真計算的是磁場強度，單位為A/m，磁場強度1A/m 約等于磁感應(yīng)強度1.26μT。仿真計算的工頻磁場最大值為18.78A/m，即23.6μT。

從工頻電場分布分析，500kV區(qū)域電場強度小于或等于4kV/m的測點占29%，工頻電場強度在5kV/m～7kV/m范圍內(nèi)的測點分別占38%，電場強度在7kV/m～10kV/m范圍內(nèi)的測點占28%，電場強度大于10kV/m的測點占5%。磁感應(yīng)強度小于或等于20μT有測點占96%，電場強度在20μT～100μT 范圍內(nèi)的測點占4%。

同樣，對220kV區(qū)域下方的工頻電場和工頻磁場仿真計算，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強度較大，最大值為5.47kV/m；隔離開關(guān)和母線附近的工頻磁場強度較大，最大值為28.08A/m，即35.38μT。從工頻電場分布分析，220kV區(qū)域電場強度小于或等于4kV/m的測點占76%，電場強度在5kV/m～7kV/m范圍內(nèi)的測點分別占24%。磁感應(yīng)強度小于或等于20μT有測點占93%，電場強度在20μT～100μT 范圍內(nèi)的測點占7%。

圖4 220kV區(qū)域工頻電場、工頻磁場分布

4 500kV典型變電站測量

4.1 測點設(shè)置

根據(jù)對500kV典型變電站的仿真計算結(jié)果，本文選取了廣東省18座500kV變電站進行現(xiàn)場實測，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?？紤]到工作人員在變電站巡檢的區(qū)域和變電站對周邊影響，測量范圍包括站內(nèi)和站外，具體測點分布位置為：(1)主變壓器的高壓側(cè)、中壓測、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；(6)變電站圍墻外5m和20m。依據(jù)《高壓交流架空送電線路、變電站工頻電場和磁場測量方法》(DL/T988-2005)[16]進行測量，本次測量使用Narda NBM-550電磁場測量儀和EHP-50D探頭。

4.2 測量結(jié)果

18個500kV變電站各區(qū)域工頻電磁場強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強度在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強度在大于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)引線的電場強度在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強度在大于10kV/m，其中最大值為12.3kV/m，略低于14.8kV/m,仿真計算工頻電場仿真計算結(jié)果的分布規(guī)律與實測的工頻電場分布規(guī)律基本一致。

所測量變電站在35kV電抗器和電容器處磁感應(yīng)強度都大于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)強度在20μT～100μT范圍，最大值為23.0μT。工頻磁場仿真計算結(jié)果的分布規(guī)律與實測的工頻磁場分布規(guī)律也是基本一致的。

表1 500kV變電站工頻電磁場強度的分布百分比

測點位置工頻電場強度分布百分比/%工頻磁感強度分布的百分比/%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)計結(jié)果顯示敞開式變電站工頻電場強度明顯大于GIS變電站，而工頻磁場由于GIS距離地面較近，強度普遍大于敞開式變電站的同等電氣設(shè)備。變電站內(nèi)大部分測點工頻電場和磁感應(yīng)強度滿足ICNIRP規(guī)定的限值要求，所測量變電站主控樓和站外測點均小于1kV/m,距離我國環(huán)評限值有一定裕度，不會對周邊居民和站內(nèi)工作人員的身體健康造成影響。

5 500kV典型變電站電磁場防護

目前，對高壓變電站工頻電磁場的防護，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)模和運行時間情況下，從保障工作人員的健康出發(fā)，可主要通過以下三個途徑降低工頻電磁場強度：(1)防護距離的增加；(2)接觸時間的控制；(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強度下進行屏蔽效能[17]的測試。測試結(jié)果表明，普通棉質(zhì)工作服幾乎對電場和磁場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工頻電場、磁場的屏蔽效果都在99%以上，上述布料對工頻電場的屏蔽效能都非常明顯，而納米合金鍍膜織物在5個工況下的屏蔽率更達到99.99%以上。不同布料對工頻磁場屏蔽率都很低，屏蔽率在6.3%～13.0%之間，屏蔽效能不明顯，所以對工頻磁場防護只能采取控制接觸距離和接觸時間等其他防護措施。

6 結(jié)語

(1)利用矩量法對500kV變電站建立仿真模型，電場強度和磁感應(yīng)強度計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本一致，可為日后新建或擴建變電站電磁環(huán)境的預(yù)測提供參考依據(jù)。

(2)通過分析廣東18座500kV變電站的工頻電磁場水平，結(jié)果顯示敞開式變電站工頻電場強度明顯大于GIS變電站。敞開式變電站工頻電場強度在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)強度在35kV電抗器處較大。站內(nèi)大部分測點工頻電場和磁感應(yīng)強度滿足ICNIRP規(guī)定的限值要求，主控樓、站外測點均遠小于我國環(huán)評要求。

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

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