既有城市电网输电线路工频电磁场的研究

摘要: 随着城市化步伐的加快，高压及超高压输电线路和变电站建设规模不断扩大，原来在郊区的一些高压输电线路已经进入了市区。长期生活在这些高压线附近的居民的健康以及日常生活是否会受到影响就成为人们关注的问题。本文对某110kv输电线路的工频电磁进行了理论计算和实测，所得结论供同行参考。

关键词:城市电网；输电线路；工频电磁场；计算；评价

1 工频电磁场的计算

1.1工频电场的数学模型

计算工频电场采用的是国际大电网会议36.01工作组推荐的方法。

首先，求出各导线的电荷密度。设各导线线电荷密度分别为τ1、τ2、…、τn (简称电荷，n=6)，则：

(1)、

即

式中:U为各导线上的电压； τ为各导线上电荷密度的列矩阵；λ为各导线自电位系数和互电位系数组成的方阵。U由输电线路的电压和相位给定，λ可由镜像法求得，再利用矩阵方程式(1)解出:τ、U有实部和虚部2部分，所以求得的τ也有实部和虚部2部分。电位系数浇可由式(2)～(4)计算：

（2）

（3）

（4）

式中:εo为空气的介电常数；hi为各导线离地面的垂直距离； Ri为各导线的半径；di，j是各导线间的距离； d,i,j是各导线与其镜象导线间的距离(i，j=1，2，…，6)。求出电荷密度后，输电线路附近任意P点的电场强度可以用高斯定理和叠加原理计算：

式中:x、y为P点的平面坐标；xi、yi为i导线位置的横坐标和纵坐标。

1.2磁场的理论计算方法

磁场的精确计算需要考虑大地的不良导电反应。但在一般情况下，只考虑空间的导线就已经足够精确了。由叠加原理，三相对称电流IA、IB、IC的三相导线在尸点的磁感应强度的水平和垂直分量为：

式中:xi、yi为导线的横坐标和纵坐标；x、y为空间P点的横坐标和纵坐标；r为空间P点与导线的距离。

1.3计算结果

由于两铁塔中间悬垂处的电磁场强度最大，因此，选择此处计算高压线的电磁场强度。计算方案:以中心为原点，垂直高度lm，沿与高压线走向垂直的方向，向左右两侧各计算40m内的电场和磁感应强度值(所有的计算及数据处理均用MATLAB软件来完成)。计算结果如图1、2所示。

图1 理论计算的电场强度图2 理论计算的磁感应强度

由图可知，电场强度的最大值点出现在距原点6m左右的地方，而磁感应强度的最大值出现在原点。不论电场强度还是磁感应强度，它们在10～20m之间衰减最快，到40m以后，电场强度和磁感应强度都趋于稳定，基本保持不变。并且可以看到它们都以原点为对称轴，左右两边的数值大致成对称关系。

由此得到2个结论:1)电场强度主要是由垂直分量决定，水平分量只起辅助作用。2)磁感应强度由水平和垂直分量共同决定，在一段区域内垂直分量起决定作用，在另一段区域内水平分量起决定作用。

2工频电磁场强度分布实测分析

测量仪器采用德国生产的EFA-300工频电磁场分析仪，并配有8号探头，频率为(5～32)kHz。测试的环境温度是10～40℃，相对湿度小于75%。测试时间在上午9:00-12:00之间。

2.1电场测量结果分析

为便于比较，选择的测试点与理论计算点相同。但计算值是在理想的情况即周围没有建筑物而且是取0相位的情况下得到的，实际上，测量点周围是有树木的，因此除此之外还选取了空旷场地进行测量。

电场受环境的影响较大，人体、树木、天气等都会对它有一定的影响，因此对同一地点进行了多次测试，测试结果见图3。图3中曲线1为空旷场地的电场强度；曲线2、3是选取和理论计算值同一地点不同时间测试的电场强度；曲线4为理论计算的电场强度。曲线1、4说明空旷场地的电场强度与理论计算值大致相当。曲线1与曲线2、3相比可以看出树木对电场的影响是很大的，但到30m以后就相差不大了。同时曲线2、3也说明即使是在同一地点电场强度也不是固定不变的，受用电量等的影响。总之，这几条曲线电场强度的最大值点都出现在8m左右。在30m以后都趋向一致。

2.2磁场测量结果分析

同电场相同，对磁场进行了测试，测试的结果见图4。图4与图2相比变化规律基本相同，垂直分量都出现了一个最低点；水平分量都是先升高后降低，最高点出现在8m左右。理论计算和实际测量值相差不大，但并不完全一致，这是由于高压输电线路中的电流值随用电负荷变化，故所测的磁感应强度也是随用电负荷而变化的一系列不稳定值，以至计算和测试并不完全吻合。

图3 实测的电场强度 图4 实测的磁感应强度

尽管如此，可知是有可能出现如图2所示的图形的。同时把测试结果与500 kv的磁感应强度理论计算图进行比较，看出它们是非常的相似的，甚至水平分量的最大值和垂直分量的最小值的位置也非常接近。由此也可知，不论是110 kv还是500 kv的磁感应强度图的趋势都是相同的，只是数值稍有不同，合成的磁感应强度由水平和垂直分量共同决定。

此外，还研究了在不同高度的磁感应强度和不同时间的磁感应强度的变化情况(见图5,6)。

由图5可知，随着高度的增加，磁感应强度是在增加的，这与相关的报道也是一致的，原因是高压输电线路是三相交流电，变化的电场产生变化的磁场，并不断向四周激发，但是在这个过程中会有一定的衰减，所以说高度越高，离高压线的距离越近，场强也就越大。

由于磁场是不断变化的，测试时间不同时，数值也不尽相同(见图6)。引起数值变化的原因与当时的用电负荷有关，用电量高峰期磁感应强度就大。这可以由5月30日的曲线与5月31日的曲线来说明。5月30日是星期五，而5月31日是星期六，很多设备没有工作。另外，还与天气状况有关，因为空气的湿度对测试结果有一定的影响，这是已经证明了的。除此之外，还有一些其他因素。

图5 不同高度的磁感应强度对比 图6 不同时间的次刚硬强度对比

3对结果的评价

1984年国际非电离辐射委员会和世界卫生组织(WTO)合作，制定了非电离辐射防护标准。我国国家环保局，于1988年颁布了(电磁辐射规定)、(环境电磁波卫生标准)等，但是都没有规定极低频电磁场的限值要求，故推荐4kv/m作为居民区的工频电场评价标准，工频磁场以0.1mT为评价标准。

3.1 工频电场

本实验不论是理论计算值还是实际测量值都小于4kv/m。为了进一步研究测量地点的安全程度，根据表中的限值，对结果进行了评价。如果是居民区则电磁波强度必须符合“一级标准”的要求。如果是学校、医院等可以符合二级标准，但是要采取适当的防护措施。

计算的电场强度值在距原点28m处为26.3V/m，30m处为21.3V/m，可知，长波小于25V/m即为中间区，符合二级标准。所以沿高压线左右两侧28m以外比较安全。由图3可知实际测量值在距原点26m处是20.3V/m，电场强度小于25V/m，所以也是符合要求的。而且所测的高压线下种有较多的树木，一侧还有绿化带，说明采取了相应的防护措施，其电磁环境是安全的。

实际测量结果26m以外就符合二级标准，而理论计算要在28m以外，主要是因为电场受环境影响较大，故会有所衰减。而由实验知，树木的衰减作用很大，建议在高压线下多种些树。

3.2 工频磁场

根据相关的评价标准，即工频磁场以0.1mT为评价标准，当该地的磁感应强度小于0.1mT，就符合安全标准。理论计算的磁感应强度最大值是6.8807×10-4mT；实际测量的最大值是6.8764×10-4mT，它们都远远小于0.1mT，所以磁感应强度符合标准。

一般来说，对于110kv输电线路磁场一般不会超标，受周围建筑物、树木等影响小，故此在实际环境中重点考虑电场强度是否符合国家标准。

4结论

l)电场强度主要由垂直分量决定，水平分量对合成电场强度影响不大；磁感应强度由水平分量和垂直分量共同决定，在不同阶段所起作用不同，例如在8～16m之间，主要由水平分量决定，而26m以后，主要由垂直分量决定。

2)在测量的典型地段内，实测电场强度在26m以外就符合二级标准，理论电场强度在28m以外符合二级标准，总之，不会对人体造成危害。

3)按照相关规定，磁感应强度远远小于国家标准。磁感应强度受周围建筑物、树木影响较小，但受天气、温度及用电量大小的影响较大，

4)由于多种物体如树木、建筑物，对电磁场都有一定的衰减作用，可以降低环境中的电磁场强度及电磁污染，使之不会对附近居民的健康带来明显的影响，但仍应避免长期在高压线下居住，以确保安全。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。