輸變電設(shè)施電磁環(huán)境影響機(jī)理研究

王冠，蔣忠湧，翟國(guó)慶

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.北京交通大學(xué)，北京 100044；3.浙江大學(xué)，浙江杭州 310012)

輸變電設(shè)施電磁環(huán)境影響機(jī)理研究

王冠1，蔣忠湧2，翟國(guó)慶3

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.北京交通大學(xué)，北京 100044；3.浙江大學(xué)，浙江杭州 310012)

從物理概念論述了產(chǎn)生電磁輻射的必要條件是系統(tǒng)必須存在位移電流，且在空間形成開(kāi)放結(jié)構(gòu)，由此形成輻射場(chǎng)。電磁場(chǎng)理論研究證明，時(shí)變場(chǎng)源在其表面鄰近空間形成感應(yīng)場(chǎng)。以上述分析結(jié)論與輸配電設(shè)施的線路架設(shè)方式、工作頻率和線路電長(zhǎng)度等實(shí)際結(jié)構(gòu)型式對(duì)應(yīng)比較，論證了輸變電設(shè)施不是以電磁波形式向空間傳送能量，而是通過(guò)電磁感應(yīng)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生影響。

電磁場(chǎng)；位移電流；輻射場(chǎng)

國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)在《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)曝露的導(dǎo)則(300 GHz以下)》中指出：在1 Hz～10 MHz頻率范圍內(nèi)，為防止對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)功能造成影響，基本限值主要是感應(yīng)電流密度[1]。交流輸變電設(shè)施的工作頻率為50 Hz(簡(jiǎn)稱工頻)，是極低頻的電磁場(chǎng)，其電磁環(huán)境影響應(yīng)是基于準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象[2-3]。本文從電磁場(chǎng)理論分析出發(fā)，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)輸變電設(shè)施對(duì)電磁環(huán)境影響的機(jī)理進(jìn)行研究，說(shuō)明其對(duì)環(huán)境的影響是感應(yīng)場(chǎng)而非輻射場(chǎng)。

1 電磁輻射的必要條件

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電磁輻射的必要條件為：具備位移電流和位移電流充分曝露于空間。

1.1具備位移電流

位移電流即是變化著的電場(chǎng)，表達(dá)式為ε·?E/?t。其中，ε為介電常數(shù)，如在低層大氣空間中可看作是均勻的理想媒質(zhì)，則它等于真空的介電常數(shù)值ε0=1/36π×10-9F/m。位移電流根據(jù)空間中傳播的麥克斯韋(Maxwell)電磁方程組導(dǎo)出。Maxwell電磁方程組為：

(1)

式中，E和H分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量。上述方程等式的左側(cè)表示形成的交變磁場(chǎng)，右側(cè)表示產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)的源，因?yàn)榇艌?chǎng)是電流產(chǎn)生的，所以稱公式右側(cè)為位移電流，它在實(shí)際空間電磁場(chǎng)中表現(xiàn)為閉合電力線。位移電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和傳導(dǎo)電流(金屬導(dǎo)體中電子定向流動(dòng)形成的電流)產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用是相同的。按傳導(dǎo)性質(zhì)而言，媒質(zhì)和空間是位移電流的“導(dǎo)體”，它在媒質(zhì)和空間傳播的性質(zhì)與傳導(dǎo)電流沿導(dǎo)體傳播的性質(zhì)相似。正是由于電磁輻射中保持了傳導(dǎo)電流和位移電流的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)了電磁能量在空間(媒質(zhì))不需導(dǎo)線傳播的可能性。

1.2位移電流充分曝露于空間

可從下列兩種情況進(jìn)行電磁輻射分析。圖1表示一對(duì)導(dǎo)線間距為d、終端開(kāi)路的平行雙導(dǎo)線(d?r1，d?r2)。當(dāng)其始端接入高頻電源U后，在導(dǎo)線上流有高頻電流I，此時(shí)導(dǎo)線間形成位移電流，圖1中以某一觀察時(shí)間t的電力線E表示。由于電路的連續(xù)性特性，電力線主要集中在兩導(dǎo)線間的空間。對(duì)于導(dǎo)線以外空間的輻射場(chǎng)可以通過(guò)空間任一觀察點(diǎn)A所受輻射強(qiáng)度來(lái)分析。如圖1所示，在平行雙導(dǎo)線上選取1與2對(duì)應(yīng)段，由于d?r1、d?r2，則r1與r2近似相等，而流過(guò)1與2線段的電流則等值、反相(流向相反)，由此分別在A點(diǎn)產(chǎn)生的輻射場(chǎng)也量值相等、相位相反，合成結(jié)果互為抵消。所以，理想狀態(tài)下，平行雙導(dǎo)線周?chē)臻g不存在輻射場(chǎng)。

圖1 平行雙導(dǎo)線的電場(chǎng)分布Fig.1 Electric field distribution of two parallel transmission lines

圖2是將圖1中的平行雙導(dǎo)線在距終端L處，導(dǎo)線分別向上、向下彎折90°的情況。此時(shí)，L線段的電流流向由原來(lái)的反向變成了同向(在圖2中示為均向上流動(dòng))，同時(shí)由L線段所形成的電力線(位移電流)已曝露于空間。如此的變化使得1與2線段分別在A點(diǎn)產(chǎn)生的輻射場(chǎng)成為等值同相位，合成的結(jié)果是兩者的相加。同時(shí)，由于位移電流隨著高頻電源U的時(shí)間變化漸入空間，形成了電磁輻射。由此可知，上述過(guò)程的完成關(guān)鍵，即是位移電流具有能夠充分曝露于空間的開(kāi)放性結(jié)構(gòu)[4]。

圖2 平行導(dǎo)線終端分開(kāi)后的電場(chǎng)分布Fig.2 Electric field distribution after separating two parallel transmission lines

2 電磁輻射的原理分析

公式(1)給出了電磁輻射中兩個(gè)重要的理念：引入了位移電流概念和變動(dòng)的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。關(guān)于磁場(chǎng)和電場(chǎng)的關(guān)系則由電磁方程組的另一公式給出，如式(2)所示：

(2)

式中，μ為介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)，在低層大氣空間中等于真空的導(dǎo)磁系數(shù)值μ0=4π×10-7H/m。公式(2)表示了隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，而公式(1)表示了隨時(shí)間變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。綜合兩者就形成了時(shí)變電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)、時(shí)變磁場(chǎng)又產(chǎn)生電場(chǎng)，在時(shí)變電磁場(chǎng)里，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是不可分割的，只要有任何電或磁的擾動(dòng)發(fā)生，就會(huì)產(chǎn)生一連串電與磁的交替變換，如此不斷地連續(xù)變換。變動(dòng)的電場(chǎng)產(chǎn)生變動(dòng)的磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)不但存在于變動(dòng)的電場(chǎng)的原范圍內(nèi)，還存在于鄰近的介質(zhì)內(nèi)。在原范圍內(nèi)變動(dòng)的場(chǎng)也在它附近范圍內(nèi)產(chǎn)生新的場(chǎng)，于是能量便被傳播到遠(yuǎn)處，上述過(guò)程即是電磁波的輻射。

圖3表示了電磁輻射的原理，給出了輻射體右側(cè)空間電場(chǎng)的變化情況。輻射體中心饋以交變電流i(t)，如圖3下方所示的正弦周期信號(hào)。當(dāng)t=t1時(shí)，電流i(t)由零逐漸增大，輻射體上下臂間電場(chǎng)E隨之增強(qiáng)也漸傳向空間；當(dāng)t=t2時(shí)，電流增大到振幅值(最大值)，臂間E值達(dá)到最大；當(dāng)t=t3時(shí)，電流值減小，使E由最大值隨之變?nèi)?、電力線彎向饋電端；當(dāng)t=t4時(shí)，電流值減小至零，電場(chǎng)隨之消失，電力線成為脫離輻射體傳播的封閉形狀；當(dāng)t=t5時(shí)，電流達(dá)到反向振幅值，輻射體側(cè)出現(xiàn)了類似于t2時(shí)電場(chǎng)分布，但由于電流反相導(dǎo)致電場(chǎng)方向也發(fā)生反向；當(dāng)t=t6時(shí)，則反向電流由最大值變化為零，電場(chǎng)完成了由t2至t4時(shí)段的類似變化過(guò)程，但封閉電力線的轉(zhuǎn)向是逆向的。隨著i(t)的周期性變化，其輻射體側(cè)將不斷產(chǎn)生變化著的封閉電力線，變化著的電場(chǎng)與變化著的磁場(chǎng)間的交鏈轉(zhuǎn)換隨時(shí)間連續(xù)傳向遠(yuǎn)方，完成了電磁能量的傳播，這就是電磁輻射過(guò)程的機(jī)理。由于輻射的對(duì)稱性，圖3中輻射體的左側(cè)也發(fā)生著相同的輻射過(guò)程，輻射的電磁能可達(dá)到輻射體周?chē)娜靠臻g，實(shí)現(xiàn)全向輻射。有時(shí)為了需要，可采取電氣或結(jié)構(gòu)上的改造，達(dá)到電磁能集中向某一方向或特定區(qū)域輻射，則為定向輻射。

圖3 電磁輻射原理圖Fig.3 The schematic diagram of electromagnetic radiation

3 影響電磁環(huán)境的要素

電磁輻射必定會(huì)向輻射體鄰近空間輻射電磁能量，致使該區(qū)域電磁環(huán)境發(fā)生變化，其中導(dǎo)致其變化的因素主要有：頻率和電磁輻射強(qiáng)度。

3.1頻率

由公式(1)與公式(2)可知，時(shí)變電磁場(chǎng)中變化的電場(chǎng)、磁場(chǎng)均與時(shí)間變化率(?/?t)相關(guān)，變化速率高有利于轉(zhuǎn)換能量的增強(qiáng)。位移電流(ε·?E/?t)也與時(shí)間變化率密切相關(guān)，如穩(wěn)定的直流電流，其隨時(shí)間變化率為零，不能形成位移電流，因而無(wú)電磁輻射現(xiàn)象。同樣，流有工頻(50 Hz)電流的導(dǎo)體，也由于其時(shí)間變化率很低而不能有效進(jìn)行電磁輻射。所謂時(shí)間變化率通常即為每秒內(nèi)周期性信號(hào)重復(fù)出現(xiàn)的周波數(shù)，定義為頻率。顯然在相同的電磁能量下，射頻的電磁輻射效應(yīng)優(yōu)于低頻，這也就決定了電磁環(huán)境影響的差別。

3.2電磁輻射強(qiáng)度

毋庸置疑，電磁輻射強(qiáng)度決定著電磁環(huán)境的增量，它與輻射體上的電流分布密切相關(guān)。由以上分析可知：終端開(kāi)路的平行雙導(dǎo)線將其終端導(dǎo)線相向分開(kāi)后，當(dāng)始端饋以交變電源后，即可在分開(kāi)的導(dǎo)線間產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象。

根據(jù)傳輸線理論，由開(kāi)路導(dǎo)線終端電流為零、導(dǎo)線上各點(diǎn)電流呈駐波分布的情況，可畫(huà)出不同彎折長(zhǎng)度L上的電流分布。電磁輻射強(qiáng)度與電流分布密切相關(guān)，當(dāng)饋入正弦信號(hào)電流時(shí)：L?λ/4(λ為波長(zhǎng))時(shí)，上下臂上的電流處于正弦信號(hào)零值點(diǎn)，量值很小，可將此時(shí)的正弦分布近似為直線分布；L<λ/4時(shí)，臂上電流呈正弦規(guī)律增大；L=λ/4時(shí)，饋電電流達(dá)到振幅值(最大值)，稱為電流諧振狀態(tài)，饋電的輸入阻抗為純電阻性，理論值為73.1 Ω，可以與特性阻抗為75 Ω的同軸電纜直接相接，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配下最大能量的傳輸。由于上下臂對(duì)稱，且2L=λ/2，故稱為半波對(duì)稱振子，其可以單獨(dú)應(yīng)用，也可經(jīng)過(guò)變形或組合成振子陣作為電磁輻射天線。L>λ/4時(shí)，輸入端電流由振幅值減小，輸入阻抗呈現(xiàn)感性，因與饋源的阻抗失配引發(fā)傳輸能量的附加損耗；L=λ/2時(shí)，饋端電流為零，表示輸入阻抗理論值為無(wú)窮大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與饋源間的阻抗匹配連接，饋源傳送給振子的電磁能量將絕大部分被反射回饋源，不能形成有效輻射；L>λ/2時(shí)，振子臂上出現(xiàn)反向電流，其在空間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)將抵消正向電流形成的電磁場(chǎng)，結(jié)果是降低了輻射場(chǎng)強(qiáng)度，這是不希望出現(xiàn)的，在輻射場(chǎng)中應(yīng)絕對(duì)避免。從振子臂上電流分布與輻射效能的關(guān)系可確定應(yīng)用半波對(duì)稱振子的必然性。

4 工作狀態(tài)的比對(duì)

4.1輸配電線路的架設(shè)形式

通常配電線路采用平行雙導(dǎo)線(單相供電)供電方式，則由上述圖1的分析可知，場(chǎng)的干涉效應(yīng)使在其周?chē)臻g不產(chǎn)生輻射的電磁場(chǎng)。又如輸電線路采用三相制(三相式供電)供電方式時(shí)，由于各相間相位差為120°，任意兩相輻射場(chǎng)的合成矢量與第三相矢量必為反相，如果負(fù)荷均勻、電流相等且不考慮導(dǎo)線表面電暈放電產(chǎn)生的無(wú)線電干擾，也可得到理想情況下的零輻射。由此可知，輸配電線路的架設(shè)方式?jīng)Q定了電能只能束縛于導(dǎo)線之間，不能形成電磁輻射場(chǎng)[5]。

4.2輸配電線路的電長(zhǎng)度

以圖2所示平行導(dǎo)線終端分開(kāi)后的電場(chǎng)分布構(gòu)建了振子臂長(zhǎng)為L(zhǎng)，其上為正弦電流分布的對(duì)稱振子電磁輻射單元，分析可知，振子臂末端的電流值為零，且隨趨向振子臂中心而呈正弦規(guī)律增大。為直觀表達(dá)線路實(shí)際長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)的關(guān)系，引入“電長(zhǎng)度”的概念，其定義為線路實(shí)際長(zhǎng)度L(在此即為振子臂長(zhǎng))與工作波長(zhǎng)的比值L/λ，當(dāng)此值為1/4時(shí)具有最佳輻射效果。交流輸變電工程頻率為50 Hz，簡(jiǎn)稱工頻，波長(zhǎng)為6000 km，顯然輸配電線路電長(zhǎng)度值遠(yuǎn)小于此值，鑒于振子(線路)上電流分布很小，也就不能形成有效的電磁輻射。

4.3工頻(50 Hz)

電磁場(chǎng)方程公式(1)、(2)中引入的位移電流概念，以及時(shí)變電磁場(chǎng)中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交互變換特性，奠定了電磁輻射理論的基礎(chǔ)，其中形成電磁輻射的因素是電場(chǎng)和磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化率(?/?t)，即場(chǎng)源的工作頻率。頻率越高，如射頻，則?/?t速率就快，形成的交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)就越強(qiáng)。若?/?t為零，即直流輸變電設(shè)施，則不可能形成電磁輻射。交流輸變電設(shè)施的工作頻率為50 Hz，在廣闊的電磁波頻譜中，已接近于零頻狀態(tài)，相較射頻而言，已屬準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。因此，其電磁輻射效應(yīng)可以忽略[6]。

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)

本文對(duì)1000 kV浙北—福州特高壓交流工程和750 kV哈密—安西輸變電工程電磁環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方法采用《交流輸變電工程電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)方法(試行)》(HJ 681—2013)和《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/T 988—2005)。監(jiān)測(cè)路徑以線路檔距邊導(dǎo)線弧垂最大處地面投影點(diǎn)為測(cè)試原點(diǎn)，沿垂直于線路方向進(jìn)行，邊導(dǎo)線外20 m以內(nèi)測(cè)點(diǎn)間距為1 m或2 m，邊導(dǎo)線外20 m以外測(cè)點(diǎn)間距為5 m，探頭距地面1.5 m，測(cè)至背景值為止。監(jiān)測(cè)儀器和輸電線路運(yùn)行工況符合監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范要求。

圖4、圖5為兩項(xiàng)工程實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖4、圖5可以看出，輸電線路工頻電場(chǎng)強(qiáng)度隨著與邊導(dǎo)線間距的增加呈迅速減小趨勢(shì)，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨著與邊導(dǎo)線間距的增加呈迅速減小趨勢(shì)。

圖4 1000 kV浙北—福州特高壓交流工程單回線路段斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 Monitoring data of a single circuit section of the 1000 kV UHV power transmission project from Zhebei to Fuzhou

圖5 750 kV哈密—安西輸變電工程雙回線路段斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.5 Monitoring data of a double circuit section of the 750 kV power transmission project from Hami to Anxi

6 結(jié)論

本文首先明確了電磁輻射的工作原理和必要條件，然后從輸變電線路的架設(shè)方式、電長(zhǎng)度及工作頻率等方面與之對(duì)應(yīng)比較，從理論和實(shí)踐上澄清了“輸變電設(shè)施環(huán)境影響電磁輻射機(jī)理”的誤識(shí)。

電磁場(chǎng)理論研究也已經(jīng)證明，時(shí)變場(chǎng)源在其相鄰的空間形成的電磁場(chǎng)稱為近區(qū)場(chǎng)，其場(chǎng)型并非輻射場(chǎng)，而是感應(yīng)場(chǎng)[7]。

為了正確反映低頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)與高頻電磁波在作用機(jī)理與生物效應(yīng)方面的差異，盡可能地向公眾準(zhǔn)確傳遞環(huán)境健康相關(guān)信息，世界衛(wèi)生組織及相關(guān)國(guó)際權(quán)威組織相繼采用更準(zhǔn)確地反映環(huán)境影響因子客觀特性與生物作用機(jī)理的電場(chǎng)、磁場(chǎng)(100 kHz以下頻段)或電磁場(chǎng)(100 kHz以上頻段)等術(shù)語(yǔ)[1, 8]。在我國(guó)輸變電設(shè)施電磁環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，對(duì)應(yīng)直流設(shè)施的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別為合成電場(chǎng)和直流磁場(chǎng)，對(duì)應(yīng)交流設(shè)施的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別為工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)，以示區(qū)別[9-10]。因此，建議今后在學(xué)術(shù)交流、公眾科普宣傳等方面須科學(xué)分析、正確表述輸變電設(shè)施的電磁環(huán)境影響，推動(dòng)輸變電工程與環(huán)境保護(hù)和諧發(fā)展。

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Study on the Mechanism of Electricity Transmission Facilities’ Electromagnetic Environment Impact

WANG Guan1, JIANG Zhong-yong2, DI Guo-qing3

(1.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China; 2.Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3. Zhejiang University, Hangzhou 310012, China)

The necessary conditions to produce electromagnetic radiation from the physics concept are discussed in this paper, i.e. the displacement current must exist in the system and an open structure must be formed in the space, thereby forming the radiation field. The research of electromagnetic field theory can prove that the time-varying field source forms an induction field in the vicinity space. The analysis mentioned above is compared with the way the facilities of electricity transmission and distribution line are constructed, its working frequency and the electrical length of the line. The comparison proves that the transmission facilities do not send energy to the space in the form of electromagnetic waves, but impact the surrounding environment through the electromagnetic induction.

electromagnetic field; displacement current; radiation field

10.14068/j.ceia.2017.05.010

X123

： A

： 2095-6444(2017)05-0043-05

2017-04-06

國(guó)家電網(wǎng)公司科技計(jì)劃項(xiàng)目(SGTYHT/14-JS-188)

王冠(1985—)，女，工程師，碩士，研究方向?yàn)殡姶怒h(huán)境影響評(píng)價(jià)，E-mail：wg_169@163.com

蔣忠湧(1938—)，男，教授，碩士，主要從事電波傳播、電磁兼容和電磁環(huán)境影響的教學(xué)和科研工作，E-mail：jiangzhongyong515@sina.com