城區(qū)電力設(shè)施電磁影響與低頻段電磁環(huán)境頻譜

徐 斌，鄧曉欽，劉賢峰

(1.四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站，成都 610031，2.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，成都 611731)

1 前言

電力與人們的生活已經(jīng)密不可分，城市中電能消耗量十分巨大，因而將電能輸送進(jìn)城市的輸變電設(shè)施也相應(yīng)增多，特別是高層建筑的大量興建，原有電網(wǎng)已經(jīng)不能滿足需求，需要新增電力設(shè)施供電。而另一方面，隨著社會(huì)大眾環(huán)境意識逐步增強(qiáng)，公眾對電力設(shè)施產(chǎn)生的電磁影響十分關(guān)注，逐漸成為社會(huì)熱點(diǎn)。

本文通過對電力設(shè)施電磁環(huán)境影響［1］的形成機(jī)理、特征分析，并以成都市區(qū)為范例，開展低頻段電磁頻譜分析，對照低頻段電磁環(huán)境頻譜圖，分析論述城市區(qū)域中電力設(shè)施對電磁環(huán)境的影響特征以及在頻譜中的反映和貢獻(xiàn)。

2 電力設(shè)施及其電磁環(huán)境影響機(jī)理

2.1 電力設(shè)施

電力設(shè)施在電網(wǎng)建設(shè)和電力工程中通常是指110kV及以上電壓等級高壓輸變電設(shè)施，主要分為變電站和輸電線路。

變電站是電力輸送環(huán)節(jié)當(dāng)中變換電壓的一種電力設(shè)施。大體上，變電站內(nèi)的設(shè)備可以分為兩部分，一是變壓器，它的作用是變換電壓，它把低電壓升為高電壓，或者把高電壓將為低電壓;二是進(jìn)出線設(shè)備，也就是把高壓電力接進(jìn)來，把低壓電力送出去的相關(guān)設(shè)備。高壓接入端、低壓送出端一般情況下位于變電站的相對兩側(cè)，分別可稱為高壓出線側(cè)、低壓出線側(cè)。變電站根據(jù)這兩部分是否設(shè)置在建筑物內(nèi)，可分為4種形式:全部設(shè)備放置于露天場地上的戶外式;變壓器放置于建筑外而進(jìn)出線設(shè)備集成后放置于建筑物內(nèi)的半戶內(nèi)式;全部設(shè)備放置于建筑物內(nèi)的戶內(nèi)式;全部設(shè)備放置于地下的地下式。

輸電線路是連接變電站 (變壓器)之間的金屬導(dǎo)線。輸電線路包括架空輸電線和地下電纜。

成都市三環(huán)以內(nèi)城市區(qū)域，除了修建時(shí)間較早的個(gè)別變電站外，一般均采取戶內(nèi)式布置，而輸電線路主要以地下電纜為主。整體上看，城區(qū)電力設(shè)備基本無暴露在外的部分，均為墻體、地層所掩蓋屏蔽。

2.2 電磁環(huán)境影響機(jī)理

高壓送電線路 (高電位)與大地 (零電位)之間的位差，感應(yīng)形成工頻［2］電場。同樣，變電站內(nèi)變壓器、高壓帶電構(gòu)架和電氣設(shè)備等也會(huì)感應(yīng)形成工頻電場。工頻電流通過導(dǎo)體，感應(yīng)形成工頻磁場。工頻電磁場屬感應(yīng)場，頻率極低，不能形成有效的電磁激勵(lì)，傳播性能很差，因而會(huì)隨著距離的增加而迅速減小，這是工頻電磁場有別于平時(shí)所稱的高頻“電磁輻射”的一個(gè)重要特征。

圖1 城市環(huán)境低頻電磁場取樣點(diǎn)位示意圖Fig.1 Monitoring points of low frequency electromagnetic field in downtown area of Chengdu

電力設(shè)施除了產(chǎn)生工頻電磁場以外，由于電暈放電、火花放電等原因還會(huì)產(chǎn)生雜亂無章的電磁干擾脈沖 (數(shù)十kHz～數(shù)十MHz)，但其幅值很小，一般對廣播電視節(jié)目信號構(gòu)成一定程度的干擾。由于城市區(qū)域使用閉路電視系統(tǒng)，對電視收看的影響也可消除。因而重點(diǎn)關(guān)注工頻電磁場對電磁環(huán)境的貢獻(xiàn)。

3 低頻段電磁環(huán)境頻譜

3.1 分析頻段

電磁環(huán)境可以粗略地可以劃分為低頻 (10kHz以下)電磁環(huán)境和射頻電磁環(huán)境。如前所述，與工頻電磁場一樣，10kHz以下頻率的電磁波傳播能力很差，因而直接利用10kHz以下頻率的電磁波的應(yīng)用設(shè)備極少，主要應(yīng)用就是電力設(shè)施。工頻就是指工業(yè)上用的交流電源的頻率 (我國為50赫茲)，電力設(shè)施工作頻率工頻處于電磁環(huán)境的低頻段，因此，為保障頻譜分析的精度，對涵蓋電力設(shè)施工作頻率的5～500Hz進(jìn)行頻譜監(jiān)測和分析。

表1 典型電力設(shè)施取樣一覽表Tab.1 Typical power facilities

3.2 取樣點(diǎn)設(shè)置

為掌握成都市區(qū)電磁環(huán)境頻譜，在成都市區(qū)三環(huán)路范圍內(nèi)采用網(wǎng)格法按照均布性、代表性原則布置了167個(gè)頻譜測試點(diǎn)，其中既有一般城區(qū)點(diǎn)位，見圖1;也有在電力設(shè)施周圍的居民點(diǎn)點(diǎn)位，見表1。點(diǎn)位布置、儀器設(shè)備滿足《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則·電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》［3］(HJ/T10.2－1996)之相關(guān)規(guī)定，足以反映成都城市區(qū)域的低頻電磁環(huán)境。

監(jiān)測由四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站開展，該站具備相應(yīng)項(xiàng)目計(jì)量認(rèn)證、資質(zhì)認(rèn)證資格，數(shù)據(jù)質(zhì)量得到有效保障。

3.3 低頻電場頻譜

通過對數(shù)百張低頻譜圖的研究分析，表明一般城市區(qū)域低頻電磁環(huán)境在頻譜特性上表現(xiàn)出較好的一致性。

3.3.1 電力設(shè)施影響在一般城市環(huán)境中的頻譜反映

譜圖由測量儀器自動(dòng)生成，按照記錄的點(diǎn)位編號轉(zhuǎn)存至電腦后，由大量專業(yè)技術(shù)人員人工進(jìn)行核查、比對、譜圖分析。一般城市環(huán)境中的低頻電場、磁場5～500Hz典型譜圖如圖2和圖3。

圖2 一般城市環(huán)境中低頻電場典型譜圖Fig.2 Typical LF electric field spectrum

圖3 一般城市環(huán)境中低頻磁場典型譜圖Fig.3 Typical LF magnetic spectrum

可以看出，一般性點(diǎn)位的低頻電場譜線僅在5～20Hz附近有微弱的起伏，電力設(shè)施工作頻率50Hz處未見響應(yīng) (低于儀器探測下限1V/m)，說明城市環(huán)境中即使沒有電力設(shè)施，低頻電場仍存在天然水平;低頻電場較為穩(wěn)定。

低頻磁場譜線在5Hz～45Hz頻段內(nèi)，各圖頻譜曲線基本一致，有較為連續(xù)的起伏，說明低頻磁場存在天然水平;同時(shí)，在50Hz頻點(diǎn)處均出現(xiàn)了較為明顯的波峰，電力設(shè)施的特征頻率在譜圖中出現(xiàn)了明顯的反映。另外在150Hz、250Hz、350Hz、450Hz也較多地出現(xiàn)了峰值。供電系統(tǒng)諧波是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解后，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值 (n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)?？梢姡娏υO(shè)施諧波主要表現(xiàn)為諧波電流，影響低頻磁場。由此可見，電磁環(huán)境中低頻磁場除了天然水平外，還普遍存在人工來源——電力設(shè)施產(chǎn)生的工頻磁場及其諧波分量。

而從幅值上分析，可以看出一般性城市區(qū)域的低頻電場和低頻磁場都極小，接近于天然水平。

3.3.2 電力設(shè)施周圍低頻電磁場的頻譜反映

在電力設(shè)施 (包括城市中的10kV配送電設(shè)備)周圍，其低頻電磁場譜圖峰值更為明顯。下面列出了電力設(shè)施周圍的典型低頻電場、低頻磁場譜圖，見圖4和圖5。

圖4 電力設(shè)施周圍低頻電場典型頻譜圖Fig.4 Typical LF electric field spectrum near power facilities

圖5 電力設(shè)施周圍低頻磁場典型頻譜圖Fig.5 Typical LF magnetic spectrum near power facilities

將圖2與圖4對比可以看出，設(shè)施周圍低頻電場譜圖中在電力設(shè)施特征頻率50Hz處有了較為明顯的峰值，說明低頻段基本無其它設(shè)施影響，主要表現(xiàn)為電力設(shè)施的貢獻(xiàn)。將圖3與圖5對比可以看出，低頻磁場譜圖中各峰值除了幅值上有所差異外，在頻率特性上仍為相同的規(guī)律:主要是電力設(shè)施特征頻率50Hz及其諧波頻率的反映。

設(shè)施周圍點(diǎn)位譜圖從幅值上分析，低頻電場和低頻磁場仍較小，最大值也僅為《500kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)規(guī)范》［4］中推薦限值的數(shù)十分之一。

4 結(jié)論

綜上，針對城區(qū)低頻電磁環(huán)境特點(diǎn)，在對電力設(shè)施的組成及電磁環(huán)境影響機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將城區(qū)環(huán)境劃分為一般環(huán)境和電力設(shè)施周圍環(huán)境，通過對城市區(qū)域大面積、細(xì)致的布置監(jiān)測點(diǎn)位，獲取了大量低頻電磁環(huán)境頻譜圖，綜合比較分析后，可以得到如下結(jié)論:

(1)自然環(huán)境中存在低頻電磁場;

(2)城區(qū)低頻電磁環(huán)境中主要是電力設(shè)施產(chǎn)生工頻電磁場及其諧波分量的貢獻(xiàn)，但其貢獻(xiàn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相關(guān)限值要求，城區(qū)低頻電磁環(huán)境監(jiān)管重點(diǎn)是電力設(shè)施。

［1］劉振亞，特高壓交流輸電工程電磁環(huán)境［M］.北京:中國電力出版社，2008.9.

［2］《輸變電設(shè)施的電場、磁場及其環(huán)境影響》編寫組，輸變電設(shè)施的電場、磁場及其環(huán)境影響［M］.北京:中國電力出版社，2007.22.

［3］HJ/T10.2－1996，輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則·電磁輻射監(jiān)測儀器和方法［S］.

［4］HJ/T24－1998，500kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)規(guī)范［S］.