輸變電工程電磁環(huán)境分析及實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

龍 禹，黃學良，陳 琛(.江蘇省電力公司，江蘇 南京 004；.東南大學，江蘇 南京 0096)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的快速增長，城鎮(zhèn)化建設的不斷深化，越來越多的高電壓等級輸變電設施需要深入主城區(qū)和人口居住密集區(qū)。由于公眾對輸變電工程的電磁環(huán)境不了解以及存在一定的誤解，導致電網(wǎng)建設滯后[1]。因此，為了引導公眾正確認識工頻電磁環(huán)境，對城市輸變電工程工頻電磁環(huán)境進行實時監(jiān)測和公示就顯得非常重要。目前，輸變電設施電磁環(huán)境測量多采用手持式設備，不具備全天候連續(xù)實時監(jiān)測的功能[2-3]，測量儀器均為內置電池的方式，不能滿足全天候的測量要求。

針對以上測量儀器的缺陷和不足，本文設計了一種新型的工頻電磁場數(shù)據(jù)實時采集及顯示系統(tǒng)，提出了一種新型電源系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)高精度工頻電磁傳感器的長時間供電和自動充電，同時具有工頻電磁場強度和工頻磁感應強度測量的自動切換、測量值的上傳、就地顯示等功能，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)長時間無人照看下的自動工作。

1 理論研究

1.1 工頻電磁環(huán)境的限值研究

我國國家環(huán)保總局推薦工頻電場、磁場的限值分別是4kV/m和100μT，與大多數(shù)國家的限值相比，十分嚴格。部分國家及國際組織工頻電磁場暴露限值如表1所示。

表1 部分國家和國際組織工頻電磁場暴露限值[4-6]

項目發(fā)布時間頻率/HzE/(kV·m-1)B/μT職業(yè)暴露公眾暴露職業(yè)暴露公眾暴露ICNIRP199850105500100608．34．242083美國2002502052710904歐盟200450105500100英國199350121216001600日本19765033--中國199850 4100

1.2 雨霧天氣對工頻電磁環(huán)境的影響

對雨霧天氣下輸電線路進行建模，110kV輸電線路為單回架設，導線選用LGJ-300/25型，水平排列，距地面高度23m，電流350A。晴、雨天時變電站三相進線處的工頻電場分布見圖1。

圖1 晴、雨天時變電站三相進線處的電場分布

由仿真分析可知，雨霧天氣對高電壓等級的電場分布的影響微弱，測量過程中可近似忽略。

1.3 輸變電工程電磁環(huán)境分析

我們對某110kV變電站周圍的電磁環(huán)境進行了實際測量，結果見表1、表2。表1位置為變電站正門處，距離地面1.5m；表2位置為變電站正門外3m，距離地面1.5m。

表2 110kV變電站工頻電磁環(huán)境測量結果(一)

次 數(shù)12345電場強度/V·m-10．6930．7050．7030．7090．704磁感應強度/μT0．2020．2080．2090．2130．212

表3 110kV變電站工頻電磁環(huán)境測量結果(二)

次 數(shù)12345電場強度/V·m-11．3311．3291．3321．3301．330磁感應強度/μT0．2300．2220．2100．2000．211

從以上分析可知，輸電線路下的工頻電磁場的常處于一個極低的量級，因此需要對輸變電工程周圍工頻電磁環(huán)境進行高精度的測量。由于高壓鐵塔的影響、輸電線路高度較低、電壓等級較高等原因，接近地面處的部分位置的電場強度可能會達到7kV/m[7]，但一般不會超過10kV/m。為了能夠滿足不同工頻電磁環(huán)境的極限監(jiān)測，本文設計了一種新型工頻電磁場數(shù)據(jù)實時采集及顯示系統(tǒng)。

2 實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

工頻電磁場數(shù)據(jù)實時采集及顯示系統(tǒng)主要由工頻電磁數(shù)據(jù)采集模塊、時間同步采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)傳送模塊、電源系統(tǒng)和主控制器構成。實時監(jiān)測系統(tǒng)是一種集數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、傳送于一體的輸變電設備電磁環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊結構

首先，從數(shù)據(jù)源頭保證測量數(shù)據(jù)的精度。其次，在信號傳輸過程中保證數(shù)據(jù)精度。傳感器將電場強度和磁感應強度測量值傳送給DSP處理。數(shù)據(jù)采用光纖通訊，控制器DSP將工頻電磁傳感器傳回的測量數(shù)據(jù)進行相應的算法處理后得到被測點的工頻電磁場和工頻磁感應值，并將該測值與處理器內部的時間系統(tǒng)進行對應保存。

2.1.2 電源系統(tǒng)設計

采用電源線直接供電會對傳感器產(chǎn)生很大的引入誤差。電源線引入的干擾誤差主要來源于供電導線的靜電感應。因此，供電導線實行多段隔離可極大地減弱電纜引入的對測量單元的干擾。電源系統(tǒng)結構設計框如圖2所示。

圖2 電源系統(tǒng)結構

主電路的功能是將輸入的交流電轉變成蓄電池負載需要的直流電，控制回路的功能是實現(xiàn)自動充放電和物理隔離的核心。

2.1.3 非磁性防感應支架的設計

該支架具有防水、防高溫等功能，滿足全天候工作要求，并且可有效屏蔽外界固定裝置的接入對測量結果的影響。支架內具有導流層，可與空氣形成對流，有利于封閉層內各部件的散熱，避免戶外高溫環(huán)境下因長時間工作引起系統(tǒng)過熱而影響穩(wěn)定性和精度情況的發(fā)生，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.1.4 數(shù)據(jù)顯示模塊設計

數(shù)據(jù)顯示模塊主要實現(xiàn)將采集的工頻電磁場數(shù)據(jù)進行顯示，同時作為一種的宣傳工具，顯示時間、日期等信息。本系統(tǒng)采用點陣式P10單基色LED顯示屏進行數(shù)據(jù)顯示。顯示屏系統(tǒng)由信號源、控制系統(tǒng)和顯示屏屏體構成。系統(tǒng)采用RS232進行數(shù)據(jù)傳送，主控制器將采集的電磁數(shù)據(jù)、同步時間等通過RS232接口送至屏控制系統(tǒng)，然后由屏控制系統(tǒng)送至顯示屏屏體進行顯示。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

具體的軟件設計流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)首先通過控制器對外設進行初始化，數(shù)據(jù)的顯示刷新率為8s，數(shù)據(jù)保存的刷新率為5min。存儲數(shù)據(jù)的讀取與發(fā)送采用中斷的方式進行，當需要進行數(shù)據(jù)的外傳操作時系統(tǒng)會檢測到相應的中斷信號，并進入數(shù)據(jù)的讀取傳送操作程序，在傳送的同時也要進行數(shù)據(jù)的采集、顯示等，并通過網(wǎng)絡接口傳送至網(wǎng)絡平臺可進行下一步的網(wǎng)絡發(fā)布、數(shù)據(jù)分析等。此外，系統(tǒng)開始工作后，主控制器需不斷檢測傳感器電池的狀態(tài)，如果電池電量不足需立即閉合微時控開關對傳感器進行充電。

3 試驗

利用本文研制的工頻電磁場數(shù)據(jù)實時采集及顯示系統(tǒng)，選擇在某110kV輸電線路下進行試驗，對輸電線路下方的工頻電場強度與工頻磁感應強度進行了測量，結果如圖4所示。

圖4 工頻磁感應強度、電場強度實測

從圖4可知，110kV輸電線路下工頻磁感應強度最大值為1.0579×10-3mT，工頻電場強度最大值為0.0915V/m，與仿真結果接近，表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測量真實可靠。

4 結語

仿真模擬了輸電線路下工頻電磁環(huán)境、雨霧天氣對電場分布的影響及實測分析，總結了輸電線路的工頻電磁環(huán)境分布的極限情況，介紹了電磁場數(shù)據(jù)實時采集及顯示系統(tǒng)，最后通過實測證明，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量真實可靠。

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