1 000 kV特高壓變電站垂直空間電磁環(huán)境分布的測試與分析

徐 鵬, 柯艷國, 汪 晨, 趙常威, 姚為方, 潘娟琴, 華雪瑩

(1.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責任公司, 安徽 合肥 230601;2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司, 安徽 合肥 230022;3.國網(wǎng)蕪湖供電公司, 安徽 蕪湖 241000;4.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學研究院,安徽 合肥 230601)

0 背景

隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對電力能源的需求也達到了前所未有的高度，而我國能源資源和經(jīng)濟社會發(fā)展不均衡的基本國情，也成為發(fā)展特高壓輸電的重要原因。特高壓工程一般指直流電壓達到±800 kV以上，交流電壓達到1 000 kV以上的高電壓等級輸電工程，其具有輸送距離長、能量損耗小、輸送容量大等優(yōu)勢。我國的主要能源消費中心多集中在東部，但能源資源主要集中在中西部地區(qū)，這也間接造成了東西部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展上的差距。大力發(fā)展特高壓交流輸電技術是解決我國電力負荷和能源分布嚴重不平衡的有效辦法，可以實現(xiàn)資源在更大范圍的優(yōu)化配置，也是建設堅強國家電網(wǎng)的重要措施。

當前，對變電站的水平方向的工頻電磁環(huán)境水平國內(nèi)已有大量的研究，但因變電站內(nèi)設備分布較復雜，安全管控嚴格，站內(nèi)高空測試存在風險等原因，國內(nèi)外鮮有對變電站垂直方向上電磁環(huán)境分布的文獻。本文以某1 000 kV特高壓變電站為例，利用特種無人機搭載專用高空電磁檢測儀器對特高壓變電站內(nèi)外主要設備及工作區(qū)域開展垂直空間的工頻電磁場斷面測試。通過本文的分析和研究結論，為特高壓變電站內(nèi)立體空間電磁環(huán)境研究、站內(nèi)電磁場對巡檢無人機的影響及工作場所職業(yè)衛(wèi)生改善等方面提供參考依據(jù)。

1 測試方法

1.1 測試對象

測試對象為華東地區(qū)某1 000 kV特高壓變電站。為獲取特高壓變電站內(nèi)的垂直空間工頻電場和工頻磁感應強度的基本情況，在滿足電力安規(guī)的前提條件下，經(jīng)嚴格篩選和風險評估在站內(nèi)幾個主要場所和設備附近共布設8個垂直斷面測試點位，并在變電站外布設一個背景斷面測試點位。

1.2 測試儀器

(1)SEM- 600工頻場強計，頻率范圍：1 Hz～100 kHz；測量范圍：工頻電場強度0.01 V/m～100 kV/m，工頻磁感應強度1 nT～10 mT。

(2)UAV-LF- 04，頻率范圍：1 Hz～400 kHz；測量范圍：工頻電場強度0.05V/m～100 kV/m，工頻磁感應強度1 nT～3 mT。

(3)大疆無人機。

圖1 測試設備

1.3 檢測方法

本次為實驗性測試，沒有相對應的測試依據(jù)，測試方法參照《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/T 988-2005)和《交流輸變電工程電磁環(huán)境監(jiān)測方法(試行)》(HJ681-2013)開展，測試方案設計如下：

本次測試在特高壓變電站內(nèi)外主要區(qū)域共布設8個點位，詳見表1。測試時無人機在各測試點位由地面起飛垂直向上飛行，每上升1 m記錄相應的工頻電場和工頻磁感應強度數(shù)據(jù)。飛行高度在0～50 m之間，由于站內(nèi)高壓設備較多，考慮到安全問題具體到達高度以測試點位實際情況調整，當達到最大高度后垂直下降。無人機飛行采用手動模式，由于受到風速、溫度等影響，測試選擇無風無雨天氣晴好的氣候環(huán)境開展，同一高度橫向位置偏移距離約0～0.5 m。

表1 測試點位

1.4 測試環(huán)境

表2 檢測氣象條件

表3 主要設備負荷

2 結果與討論

2.1 工頻電場強度測試結果

根據(jù)對8個工頻電場測點數(shù)據(jù)繪圖，得到各點位垂直方向的工頻電場強度分布曲線。

由圖2可以看出：變電站外背景位置處，由于沒有帶電設備的干擾，自然界工頻電場強度隨高度升高略微增加，在距離地面5～10米高度處達到最大值23.5(V/m)，隨后隨高度增加而減小。

圖2 ①號點位工頻電場強度測試曲線

由圖3可以看出：在變電站內(nèi)空曠位置，雖然離帶電設備有一定距離，但由于受到遠處500 kV架空線路的影響，工頻電場強度隨著高度增加開始有明顯增高，在距離地面35～40米高度處達到最大值206.9(V/m)，隨后降低。

圖3 ②號點位工頻電場強度測試曲線

由圖4可以看出：在變電站站主控樓門前區(qū)域，工頻電場強度從地面開始隨高度升高有所增加，最大值1 149.6(V/m)出現(xiàn)在距離地面10～15米高度，由于主控樓距離線路開關等設備較遠，之后隨高度增加工頻電場強度顯著降低。

圖4 ③號點位工頻電場強度測試曲線

由圖5可以看出：在500 kV線路開關柜附近，工頻電場強度最大值1 393.0(V/m)出現(xiàn)在距離地面0～5米高度附近隨后逐漸降低，在20米高度位置處因受周邊母線開關設備等影響出現(xiàn)短暫增加。

圖5 ④號點位工頻電場強度測試曲線

由圖6可以看出：500 kV保護小室附近工頻電場強度隨高度增加先顯著增高，在距離地面5～15米高度附近達到最大值1 076.5(V/m)，之后開始不斷降低。

圖6 ⑤號點位工頻電場強度測試曲線

由圖7可以看出：1 000 kV線線高抗中心附近的工頻電場強度隨高度增加不斷升高，距離上方線路越近增加越明顯，在距離地面高度25米時測試值開始顯著增加；由于上方線路限制，該位置只測試到30米高度處4 040.9(V/m)。

圖7 ⑥號點位工頻電場強度測試曲線

由圖8可以看出：1號、2號主變中間的1 000 kV出線構架附近，工頻電場強度較其他位置更大且強度隨高度增加快速上升，最大值7 787.8(V/m)出現(xiàn)在距地面15～25米高度附近，之后隨著飛行高度超過了上方線路，工頻電場強度隨之降低。

圖8 ⑦號點位工頻電場強度測試曲線

由圖9可以看出：2號主變東側的1 000 kV出線構架附近，工頻電場強度較其他位置更大且強度隨高度增加快速上升，最大值7 940.0(V/m)出現(xiàn)在距地面20～25米高度附近，且15～30米范圍內(nèi)場強大小變化不大，30米后場強開始降低。

圖9 ⑧號點位工頻電場強度測試曲線

2.2 工頻磁場強度測試結果

根據(jù)對8個工頻磁感應強度測點數(shù)據(jù)的繪圖，得到各點位垂直方向的工頻磁感應強度分布曲線。從圖9可以看出本次布置在特高壓變電站的8個測試點位，工頻磁感應強度總體較小，3號和8號點位由于受地面其他設備影響，在近地面出現(xiàn)了最大值，隨后隨高度增加而減??；其他測試點位高峰值密集出現(xiàn)在距離地面15～30米高度處。

2.3 場強變化趨勢分析

對比圖2、圖4可知，在距離帶電設備較遠的區(qū)域，工頻電場強度較小，在高度約10米處附近工頻電場強度出現(xiàn)最大值，之后隨高度繼續(xù)增加而降低；但隨著離帶電設備距離減小，工頻電場受設備的影響越來越大，圖3雖為空曠區(qū)域，但受500 kV架空線路影響，電場隨高度增加不斷增大，并在距地面高度約40米處產(chǎn)生最大值。

對比圖3、圖6、圖7、圖8可知，當測點上方有架空線路時，該位置垂直方向工頻電場強度受架空線路影響較大。隨高度的增加，工頻電場強度不斷升高，在靠近上方架空線路附近出現(xiàn)最大值；當高度超越線路高度后，工頻電場強度隨高度升高開始降低。

對比圖4、圖6可知，當測點上方?jīng)]有架空線路時，該位置垂直方向工頻電場受周圍最近的帶電設備影響較大。場強變化趨勢主要是從地面開始先隨高度的上升不斷增加，后逐漸增加出現(xiàn)最大值后，再隨高度增加而降低；圖5位置則是受周圍其他設備影響，在15～20米高度范圍內(nèi)又出現(xiàn)了短暫的場強增大。

分析圖9可知，工頻磁場在垂直方向上的總體變化趨勢是從地面開始先隨高度的上升不斷增加，后在15～25米高度處逐漸增加出現(xiàn)最大值后，再隨高度增加而降低；當周圍有其他工頻磁感應強度較大設備時，會造成距離較近的位置產(chǎn)生峰值。

圖10 1～8號點位工頻磁感應強度曲線

3 結論

本文通過對某1 000 kV特高壓交流變電站垂直空間的工頻電場強度和工頻磁感應強度的檢測，分析其電磁場分布規(guī)律得出以下結論：

(1)變電站垂直空間工頻電場強度與設備分布緊密相關。在主要設備區(qū)域，若上方?jīng)]有高壓線路時，工頻電場強度峰值一般出現(xiàn)在距離地面5～15米的高度范圍；若上方有高壓線時，工頻電場強度隨著高度的升高不斷增加，并在架空線路附近到達最大值，當高度超過高壓線時，工頻電場強度隨高度增加開始降低。

(2)特高壓變電站內(nèi)設備電壓等級越高，周邊垂直空間分布的工頻電場強度越大。1 000 kV設備區(qū)域垂直空間工頻電場強度大于500 kV設備區(qū)域，500 kV設備區(qū)域工頻電場強度大于辦公區(qū)域和非設備區(qū)。

(3)本次測試區(qū)域工頻磁感應強度在垂直空間上變化不大，場強較大值一般出現(xiàn)在距離地面20～30米的架空線路附近；當近地面受到電容器等設備干擾時，區(qū)域場強增大的較為明顯。

(4)1 000 kV設備區(qū)域空間工頻電場強度較大，在距離地面5～40米高度區(qū)域內(nèi)大多超過5 000 V/m，根據(jù)《電力行業(yè)作業(yè)場所工頻電磁場安全防護規(guī)定》(試行)中規(guī)定，進入該區(qū)域長時間工作時應正確佩戴工頻電磁場自動預警器及其他防護措施。