氣象因素對輸變電線路電磁環(huán)境的影響*

王靈志　董艷艷　李薇　王占生

（1.華北電力大學區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點實驗室　北京102206；2.中國石油集團安全環(huán)保技術研究院　北京102206）

安全技術及工程

氣象因素對輸變電線路電磁環(huán)境的影響*

王靈志1董艷艷1李薇1王占生2

（1.華北電力大學區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點實驗室北京102206；2.中國石油集團安全環(huán)保技術研究院北京102206）

不考慮氣象因素的輸變電線路的電磁環(huán)境預測值與實際值之間有差距，探討了溫度、濕度、風等氣象因素對輸變電線路電磁環(huán)境的影響，并提出減緩措施。結果表明：溫度上升，則電磁場強度及無線電干擾強度都會增強；高相對濕度下電磁場強度與濕度成正比，低濕度則無明顯影響 ，濕度對無線電干擾的影響與線路電壓有關；風使輸電線發(fā)生偏移，改變空間電磁場強度。

工頻電磁場 無線電干擾 氣象因素 減緩

0　引言

輸變電線路產(chǎn)生的電磁環(huán)境污染問題是指給定場所中的所有電磁現(xiàn)象的總和，主要包括工頻電場、工頻磁場以及由電暈產(chǎn)生的無線電干擾等。工頻電磁場是指輸變電線路上產(chǎn)生的頻率為50 Hz的電磁場，它將隨著電壓等級的升高而增強，其中工頻電場的增強尤為明顯。根據(jù)我國的電壓等級進行劃分，特高壓主要指的是交流電1 000 kV及其以上或者正負直流電800 kV及其以上的電壓等級。如此高的電壓等級是否會影響人類的健康安全是大家所關心的問題。研究指出工頻電磁場對生物體的影響是非電離性的，其通過相互作用的方式在生物組織內產(chǎn)生感應電壓和電流，可能對生物體造成不利影響。至于導線電暈放電產(chǎn)生的無線電干擾，指的是導線電暈放電過程中產(chǎn)生的大量高頻電磁脈沖對周邊無線電通信設備收發(fā)信號等方面造成干擾。

研究表明，工頻電磁場和無線電干擾強度都會受到環(huán)境氣象因素的影響。不考慮溫度、濕度等環(huán)境要素得到的場強的預測結果與實際測量值有一定的差距。因此，很有必要探究不同的氣象因素下，輸變電線路覆蓋區(qū)域的電磁環(huán)境變化情況。

1　環(huán)境氣象因素與電磁環(huán)境的關系

氣象因素將影響輸變電線路覆蓋區(qū)域內的電磁環(huán)境情況，下文分別從工頻電場、工頻磁場、無線電干擾等三個方面具體探討氣象因素改變產(chǎn)生的影響。

1.1氣象因素對工頻電場的影響

1.1.1氣象因素對電場強度的作用

（1）溫度對電場強度的作用。溫度對工頻電場的影響主要是根據(jù)輸電線路在不同溫度會有不同弧垂來作用的。由懸鏈方程及相關公式可以得出隨著溫度的升高，水平應力減少，導線的弧垂增大，線下場強也就隨著增加，反之則相反。

（2）濕度對電場強度的作用。由于各種電介質內存在一定數(shù)量的自由電荷，所以其本身就存在一定的導電能力。濕度改變，導線周圍的水分子數(shù)目會發(fā)生變化，不僅更易產(chǎn)生畸變電場，且會增強電介質的極化程度，最終導致空間中某點場強的改變。

（3）覆冰和風等條件對電場強度的作用。覆冰主要是通過冰的重力作用改變了輸電線路的弧垂，造成線下場強改變。風會使輸電線偏移原來的位置，使線下場強分布隨風向改變。

1.1.2試驗分析

彭繼文等［1］對研究線路進行了每天分4個時間段采集數(shù)據(jù)的為期一周的不間斷監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行處理，得知：在相對濕度值不高時，相對濕度的變化對場強的影響不是很大 ，基本上不改變場強值；在相對濕度比較高的時候，電場強度隨濕度增加而不斷增加 ，并呈現(xiàn)出指數(shù)增加趨勢。說明在大濕度的條件下，濕度對場強的影響較為顯著。

通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，可以探究濕度與溫度和工頻電場間的關系［2］。給定濕度向量和溫度向量，就可以通過訓練網(wǎng)絡預測出的數(shù)據(jù) ，繪制得到溫度和濕度與電場強度的關系曲線。通過設置濕度向量［32，35，36，37，38，39］和三組溫度向量［34，34，34，34，34，34］、［35，35，35，35，35，35］、［36，36，36，36，36，36］，計算并繪制圖表得出：保持溫度不變，則濕度增加場強增加；保持濕度不變，相對濕度在32.0%～37.4%穩(wěn)定時，溫度上升場強增加，在相對濕度是37.4%～39.0%的時候，溫度升高場強下降。

肖冬萍等［3］通過試驗對3個氣象區(qū)分別分析了溫度、覆冰和風速對輸電線線下場強的影響，其中3個氣象區(qū)是按照風冰組合條件劃分的，且分別適用于：川渝、華中和華東；華北和東北；沿海地區(qū)。分析數(shù)據(jù)，可得：在I氣象區(qū)，對檔距一致的導線，溫度最高則線下場強最強，溫度最低則線下場強最弱，最大風速和最大覆冰的情況下線下場強值差不多大，介于最高溫度和最低溫度之間。線下場強數(shù)據(jù)：最高溫度：7.82 kV/m；最大風速：7.41 kV/m；最大覆冰：7.45 kV/m；最低溫度：6.70 kV/m。在Ⅱ氣象區(qū)內，溫度對輸電線的弧垂影響依舊是最大的，溫度最高線下場強最大，溫度最低線下場強最小，不過在Ⅱ氣象區(qū)覆冰對場強的影響能力比風速大 ，線下場強數(shù)據(jù)：最高溫度：8.25 kV/m；最大風速：7.54 kV/m；最大覆冰：7.82 kV/m；最低溫度：6.45 kV/m。在Ⅲ氣象區(qū)內，最大風速和最高溫度對場強影響都很大，其次是最大覆冰，最低溫度影響最小，線下場強數(shù)據(jù)：最高溫度：7.76 kV/m；最大風速：7.66 kV/m；最大覆冰：7.06 kV/m；最低溫度：6.55 kV/m。

濕度、溫度等氣象因素對工頻電場強度的影響還是較為明顯的，在實際輸電線路架設過程中，不能忽視氣象因素對工頻電場場強的影響。除此之外，工頻電場的環(huán)境影響因素應該還要考慮其他一些常見的天氣現(xiàn)象，例如降雨和降雪以及長時間的霧霾等。由于這些天氣現(xiàn)象是生活中經(jīng)常會遇到的，所以對此方面的研究是很有意義。此外，蘭新生等［4］認為濕度等影響輸變電線下工頻電場場強值是因為濕度影響了測量儀器的準確度，并非是濕度不同導致的線下場強不同，這值得深入探討。

1.2氣象因素對工頻磁場的影響

1.2.1溫度和風對磁場強度的作用

溫度和風速會改變輸電線的弧垂和其所處位置，導致空間中某點的工頻磁場強度改變。

1.2.2試驗分析

在研究氣象因素對輸變電過程中工頻電磁場的影響時，可以對溫度和風速與工頻磁場的影響關系做一定的分析。通過研究溫度和磁場的關系可知：溫度的升高將引起磁場強度的增強；不過距離檔距中心較遠的地方，升高同等溫度時，工頻磁場場強的增加量不及線下場強增加量。通過研究風速和磁場的關系可得：風速會導致磁場分布曲線向著風向偏移，且線路下方的導線偏移程度大于距離檔距中心比較遠的地方的偏移程度；若以中相輸電線為對稱中心，在上風向一側的磁場強度隨著風速的增大而降低，下風向則相反。雖然溫度和風對工頻磁場強度的強弱有一定的影響，但只考慮上述兩種因素的影響是遠遠不夠的 ，為了能夠深入研究氣象因素對工頻磁場的影響，仍需繼續(xù)收集數(shù)據(jù)并結合實地監(jiān)測以探究更多常見的氣象因素對工頻電磁場強度的影響。

1.3氣象因素對無線電干擾的影響

氣象因素對無線電干擾的影響主要考慮氣壓、溫濕度等因素，將分從電暈起始電壓和無線電干擾強度兩個方面來分析氣象因素帶來的影響。

1.3.1氣象因素對電暈起始電壓的影響

1.3.1.1氣象因素對電暈起始電壓的作用

（1）空氣密度對電暈起始電壓的作用。根據(jù)皮克公式，可知空氣分子密度與起暈電場強度成正相關。隨著空氣密度的增大，輸電線的起暈電場強度也增大 ，反之則減小。起暈電場強度對應的電壓就是輸電線的電暈起始電壓，所以電暈起始電壓與空氣密度也成正相關。

（2）濕度對電暈起始電壓的作用。具有極性的水分子團會在輸電線路的表面不均勻的分布，導致線路表面出現(xiàn)畸變電場，增加了該區(qū)域中分子碰撞電離的能力，使起暈電壓降低。

1.3.1.2試驗分析

（1）氣壓對電暈起始電壓的影響。耿慶忠［5］對氣壓與輸電線的起暈電壓之間的關系做了較為細致的研究。他們選取特變電工生產(chǎn)的型號為LGJ-400/50的鋼芯鋁絞線作為試驗用導線，在保證試驗點天氣條件相同的前提下，分別選擇了武漢、西寧、海北等3個不同海拔高度的試驗點進行試驗。通過紫外成像檢測技術對電暈起始電壓進行測試得到：通過電暈起始電壓的關系為海北＜西寧＜武漢，可以得出海拔越高，輸電線的起始電壓越低 ，且海拔平均升高1 km輸電線的起暈電壓就會降低約8%。

（2）濕度對電暈起始電壓的影響。通過對濕度與正負直流輸電線的電暈起始電壓二者間相互關系的研究 ，得出交流線路的起暈電壓是在負半周先出現(xiàn)的，所以交流線路的電暈起始電壓與濕度的關系和直流負極性線路的電暈起始電壓與濕度的關系相似。通過電暈脈沖法和電暈平均電流法在研究中的使用得出：空氣的濕度小于50%的時候，濕度增大會導致電暈起始電壓增大；空氣的濕度大于50%時，濕度的增大將使電暈起始電壓降低。

（3）溫度對電暈起始電壓的影響。對溫度與起暈電壓的影響做相關研究，可以在設計的2組試驗中，分別保持絕對濕度與氣壓不變、保持相對濕度與氣壓不變，通過不斷改變溫度 ，研究溫度與電暈起始電壓的關系。研究表明：在絕對濕度和大氣壓強恒定時，溫度對電暈起始電壓影響不很明顯；在相對濕度和大氣壓強恒定時，溫度與起電暈起始電壓成正比，溫度升高則電暈起始電壓升高。

1.3.2氣象因素對無線電干擾的影響

1.3.2.1氣象因素對無線電干擾強度的作用

（1）氣壓對無線電干擾強度的作用。氣壓不同，空氣密度不同?？諝饷芏认陆禃篃o線電干擾強度增加。

（2）溫-濕度對無線電干擾強度的作用。溫度對無線電干擾強度的影響主要表現(xiàn)為溫度會影響空氣密度 ，進而影響到輸電線路的起暈電壓。濕度對無線電干擾強度的影響可能是不同濕度下，空氣中水分子的數(shù)量不同。由于空氣中的水分子會吸附自由電子，所以會影響電暈放電的強度。

1.3.2.2試驗分析

（1）氣壓對無線電干擾強度的影響。馮天佑［6］采用3組不同電壓做海拔高度與無線電干擾強度相關性試驗。研究表明：對于恒定電壓，海拔高度增加則無線電干擾強度將增強，說明大氣壓強降低會導致無線電干擾能力增強。與此同時，氣壓下降的過程中，無線電干擾能力呈三段式增強，且不同階段無線電干擾值增強的趨勢不同，基本上呈現(xiàn)為先緩慢增長然后陡升最后平緩上升。

（2）溫-濕度對無線電干擾強度的影響。通過交流導線電暈分析試驗得出數(shù)據(jù) ，并采取多元線性回歸分析進行驗證得出：當相對濕度為 20%～90%，溫度為20～40℃時，溫度上升1℃，無線電干擾值將會上升0.029 dB；相對濕度增加1%，則無線電干擾值平均會下降0.06 dB。

安冰［7］在華北電力大學的電氣設備環(huán)境模擬試驗箱內進行了溫度和濕度對導線電暈特性的影響試驗。對溫度的研究方法：維持濕度在一個恒定的范圍，設置5個溫度點，改變溫度觀察電暈特性；對濕度的研究方法：維持溫度在一個恒定的范圍，設置4個相對濕度點，改變濕度觀察電暈特性。最后得到，無論正負極性導線，隨著溫度的升高，無線電干擾強度都有所上升，但加強的幅度不是很明顯；濕度增加，負極性導線的無線電干擾強度變化不大 ，正極性導線的無線電干擾強度的變化情況與導線上施加的電壓等級有關，不同電壓等級導致無線電干擾強度變化趨勢不同。

2　氣象因素對電磁環(huán)境影響的減緩措施

2.1工頻電場的減緩措施

溫度的改變導致輸變電線路弧垂改變，進而使得線下場強的改變?？梢酝ㄟ^增高桿塔的高度來降低弧垂增大帶來的危害。同時還可以通過架設屏蔽線起到降低線下場強值的作用。

濕度改變同樣會引起場強改變。同樣的，可以通過增加桿塔的高度、改變各輸電線的相間距離及架設屏蔽線等方式降低危害。

對于線路上存在的冰雪災害問題，主要采取“抗”、“改”、“避”、“防”、“融”等措施應對。通過對線路進行防冰設計，避開冰雪災害嚴重區(qū)域，線路融冰等方案減少冰災對線路的影響，減少線下場強的增加量。

2.2工頻磁場的減緩措施

溫度改變同樣會影響輸電線路的周邊磁場強度。溫度改變，則輸電線的弧垂改變，增高桿塔高度能夠減少磁場強度。對同塔多回線路采用逆相序排列或架設屏蔽線也能起到很好的屏蔽磁場的作用。

濕度改變，導線表面及周邊水分子數(shù)改變，可以通過改變線路上桿塔的架設高度、各導線的相間距離及架設屏蔽線等方式減少工頻磁場帶來的危害。

2.3無線電干擾強度的減緩措施

導線采取的措施：通過增加輸電導線的分裂數(shù)、增大導線直徑、采用Z形或者外層梯形結構的導線等方法減少電暈放電，以減少無線電干擾強度的改變帶來的危害。

桿塔采取的措施：通過選擇高度較高的桿塔來提升桿塔間輸電線的高度。

附加材料的措施：輸電線表面噴涂防電暈涂料，可以有效降低電暈起始電壓 ，降低無線電干擾強度。

3　結論與展望

（1）氣象因素對電磁環(huán)境的影響。電場強度的影響：溫度不變時，濕度增加則電場強度增加；低濕度下，溫度上升則電場強度增加，高濕度下，溫度上升則電場強度下降；覆冰、風等氣象因素的改變同樣會影響輸變電區(qū)域的電場強度。磁場強度的影響：溫度上升則磁場強度增加；刮風情況下，若以中相輸電線為對稱線，在上風向一側的磁場強度隨著風速的增大而降低，下風向則相反。無線電干擾強度的影響：氣壓下降則無線電干擾強度增強；溫度上升會增強無線電干擾強度不過增幅不大；相對濕度和無線電干擾強度的關系與施加給導線的電壓值相關，不同電壓值下，無線電干擾與相對濕度的關系不同。

（2）減緩措施。采用調整桿塔設計高度、改變相間距離和增設屏蔽線等方式，應對不同的氣象因素下輸變電線路線下場強改變情況 ，盡可能的減少其對人體可能造成的危害。

通過相關研究，了解到溫度、濕度等氣象因素對電磁場及無線電干擾強度的影響。希望能夠建立不同氣象因素下輸變電線路電磁環(huán)境的預測模型 ，為輸變電線路的設計施工及運行期間的環(huán)境保護工作提供技術支持。

［1］彭繼文，周建飛 ，周年光，等.濕度對500 kV超高壓交流架空送電線路區(qū)域電磁環(huán)境的影響研究［J］.電網(wǎng)技術，2008，32（S2）：236-239.

［2］俞集輝，鄭亞利，徐祿文 ，等.濕度、溫度對工頻電場強度的影響［J］.重慶大學學報，2009，32（2）：137-140.

［3］肖冬萍 ，何為，楊帆，等.不同氣象條件下特高壓輸電線路工頻電場計算與檔距選擇［J］.高電壓技術，2009，35（9）：2081-2086.

［4］蘭新生 ，林巧紅，劉虹，等.環(huán)境濕度對實驗室工頻電場強度測量結果的影響研究［J］.四川電力技術，2013，36（4）：92-94.

［5］耿慶忠 .考慮海拔影響的正極性針環(huán)電極模型和交流750 kV導線的電暈起始特性研究［D］.北京：華北電力大學，2014.

［6］馮天佑.環(huán)境氣候條件對多分裂導線交流電暈特性的影響研究［D］.武漢：華中科技大學，2011.

［7］安冰.溫度、濕度對電暈籠中導線直流電暈特性的影響［D］.北京：華北電力大學，2009.

The Influence of Meteorological Factors on the Electromagnetic Environment of Transmission Lines

WANG Lingzhi1DONG Yanyan1LIWei1WANG Zhansheng2
（1.Key Laboratory of Reginal Energy System Optimization（North China Electric Power University），Ministry of Education Beijing 102206）

There is a certain gap between the predicted value regardless of meteorological factors and the actual value. Thus，how power frequency electromagnetic field intensity and radio interference intensity change in power transmission and transformation area are discussed and the changes are caused by some meteorologicalfactors，such as temperature，humidity，wind and so on.In addition，some relevantmeasures are putforward.The results show that the electromagnetic field intensity and radio interference intensity will be enhanced when temperature rises.The electromagnetic field intensity is proportional to humidity in high relative humidity while there is no obvious relationship between them in low relative humidity，and the influence of humidity on radio interference is related to line voltage.In addition，the space magnetic field intensity will change when wind deflects transmission lines.

power frequency electromagnetic field radio interference meteorological factors slow down

國家自然科學基金面上項目（61471171），中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（MS0128）。

王靈志，男，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)的環(huán)境污染控制。

（2015-09-15）