架空电力线路的电场\磁场和辐射

一、架空电力线路运行方式简介：

电力线路与电信线路的区别称呼为电力线路称为―强电线路。电信线路称为―弱电线路。而在强电线路中，指的是输电线路和交流电气化铁路接触网，它们的电流频率都是50Hz。

1、对称与不对称的电力线路：

（1）对称制的电力线路：

对称制的电力线路在正常运行时，各相导线内的电流或电压、在数值上相等，相位则各不相同。运行中的电力线路都是三相制的。则发电机、用电设备、电气设备的接线方式不同，按Y形（星形）连接法与形（三角形）连接法有所区别，由于三根相导线上的电压（或电流）的相位彼此差120°。因此三相相电压的向量和为零，三相相电流的向量和亦为零。在三相架空电力线路正常运行情况下，各相导线的电气参数有差异，各相上的负载也不同，以至于各相中的电流或电压在数值上也完全不相等。在实际应用中，常将三相三线制的输电线当作对称制的电力线路。当架空电力线路接近通讯线路时，将在通讯设施上会产生电场和磁场感应影响。

（2）不对称制的电力线路：

不对称制的电力线路利用大地作为返回导体。而两线一地制，三相电力线和交流电气化铁路接触网系统都是不对称制电力线路。

其主要特点是：

①两相架空导线的对地电压，比同电压等级的三相三线制电力线路每相对地电压提高了倍，也就是两相架空导线各自对地电压等于线电压。所以在不对称制电力线路正常运行时，架空导线对地电压向量和很大。因而它的静电场会在附近通讯设施上产生较大的感应电压和感应电流。

②不对称制电力线路的架设于空中的导线，若一相发生接地故障，就形成两相间短路的事故，短路电流的磁场，会在附近的通讯设施上产生很大的感应电压和感应电流。

③不对称制电力线路在正常运行时，不仅两相架空导线合成的电压，能在附近通信线路上产生感应电压和感应电流，两相导线合成电流的磁场，也能在附近通讯线路中感应出电压和电流。

④在三相三线制（对称）的电力系统中，接地装置在正常情况下没有电流通过，而在不对称制的电力系统中接地相的接地装置则工作接地，不是保护接地，所以接地装置在正常运行情况下是通过工作电流。在短路情况下，流过短路电流，此时接地装置将产生较大的感应磁场，对接地装置附近的通讯设施产生较大的干扰。

2、交流电气化铁路接触网：

电气化接触网是单相电力线路，在正常运行时，它的对地电压是25kV，对附近通信线有较大的电场感应。接触网上各机车的负载电流将对附近的通信产生电磁场影响，但铁轨对于磁场感应具有一定屏蔽作用。

二、送电线路的电场和磁场

1、电场、磁场与电磁波

电场与磁场是很抽象的科学概念，场是一种以看不见摸不着的特殊形式存在的物质。电能是依靠运动的电荷来传递的。而带电体或送电线路周围存在电场和电磁场正是其导体上载有的电荷或电子的运动所产生的，因此电场和磁场与电能的传递是不可分割的。

静止的电荷在其周围空间产生电场，而运动的电荷在其周围空间产生磁场。当频率很低时，电场与磁场是相互独立的，彼此又没联系，当频率很高时，变化的电场与磁场可以相互转换且存在定量的波阻抗关系，而且可以脱离电荷或电流以波的形式向空间传播电磁能量。在高频情况下，电场和磁场是相互依存，相互转化的，在这种情况下的电场和磁场统称为电磁场。在把这种能脱离电荷或电流以波的形式向空中传播电磁能量的电磁场形象称为电磁波。

2、送电线路周围的电场、磁场和波长。

分析交流送电线路电场、磁场是按正弦交流电场或磁场的大小与极性，是随时间按正弦波规律变化的。其波长在空气中的长度（单位为m）按下式计算

而送电线路的工作频率f（50Hz）属于极低频（ELF）（0~300Hz）范围，由上式可计算出其波长达6000km。从电磁理论可知，只有电磁系统的尺度与其工作波长相当时，该系统才能向空间有效发射电磁能量，这样的电磁系统称为天线系统。送电线路的设施尺寸远小于这一波长，构不成有效的电磁能量发射，其周围的电场和磁场没有互相依存，互相转化的关系，彼此独立没有联系。

3、送电线路导线空间的电场：

当送电线路带电压时，在其周围空间就形成了工频电场。电场的强度是用沿一定方向单位内的电位差（即电压）来度量，电场强度的计量单位为伏每米或千伏每米（V/m，kV/m）。

由于送电线路导线直径很小，接近导线处电场各点的电场强度不完全相同且该电场属于不均匀电场，导线表面的电场强度高于周围空间的电场强度。当导线表面或周围空间的电场强度达到某一数值，空气介质就会被击穿，而产生稳定的局部气体放电现象，在电极（导线）表面形成电晕放电。不均匀电场的特点是：在曲率半径较小的电极（导线）附近电场强度大。当电压升高到某一数值时，开始出现电晕时导线表面电场强度称为临界电场强度，（用E0表示，一般当电场强度达30kV/cm时，才可能发生空气击穿）。

影响导线表面及周围空间电场强度的因素很多，大致有：

1、与送电线路的运行电压成正比，运行电压越高E0越大；

2、相间距离增加10%，场强增大1.5%~2.5%；

3、导线对地距离增高，强度减小；

4、分裂导线的子导线数目增加，电场强度降低，子导线间距离增加，电场强度降低；

5、导线表面氧化，积污成都越严重，局部电场强度越大，导线表面毛刺越多，局部电场强度越大；

6、水平排列的导线，中相场强最大，两边线最小；

7、导线直径越大，场强越小。

可以得出由导线到地面高度的空间范围内，电位分布按呈指数衰减分布：

带电高压线路下方不同高度空间电位分布

越接近地面处，电场强度（E）越小。同样带电导线对与导线的距离是按倒数迅速衰减的，如下图：

距高压线路的地面场强分布

空间场强的大小与带电导线和对地高度及距离带电导线的距离有关。高度距离增加空间场强逐渐降低。空间电场很容易被导电物质所屏蔽和削弱（即使该物质是不良导电体）其空间或邻近范围内的空间场强。在建筑物内由墙体的屏蔽作用，电场基本上测不到。

送电线路一经带上电压，在无负荷电流的情况下，其导线周围仍存在电场。

4、送电线路的磁场：

当电气设备工作和运行时，其电流使通电导体周围空间产生磁场，磁场不仅有方向，而且还有强弱，一般用磁力线来描述。电流产生的磁场能力的物理量称为磁场强度H，以安培每米（A/m）为计量单位。同样大小的磁场强度在周围介质中产生的总磁通或相应的磁感应强度，则取决与周围空间介质的磁导率。其在自由空间中，磁场强度与磁场感应强度的关系式为

磁感应强度随着与磁场源（载流的导体）距离的增加而迅速衰减。三相送电线路产生的磁场大致按距离平方的倒数衰减。

三、送电线路能否产生“电磁辐射”

在物理学中，能量不经物理接触而从源向周围发散的现象都称为辐射，从广义的角度分析，各种放射性能量发射和电磁能量发射都属于辐射。温热的物体的热量也是一种能量，可以向它的周围散发热量，成为热辐射。就这简单型式本身阐述了能量传播的形式。

然而“电磁辐射”是无线电，通信和电磁等领域里的专业技术工程术语。它是指能量以电磁波的形式由源发射到空间的一种现象。或是指能量以电磁波的形式在空间传播。应清楚的是，从电磁辐射传播能量的观点出发，输变电设备在其周围空间产生的频率为50Hz的工频电场和磁场。与高频电磁场在发射电磁波能力上截然不同。前面叙述过，50Hz工频的波长6000km，输电线路本身长度远远不足以构成有效的发射天线，因此就形不成有效的能量辐射。有关资料表明，典型的输电线路所发射的最大功率密度将不小于0.0001，比晴朗夜晚由满月时月亮送到地球表面的辐射能量（0.2）小2000倍。在频率为300Hz的极低频率范围内引用“电磁辐射”是不妥当的。

电场和磁场是以“场”的形式分别存在。按电磁波理论可以把电力线路传送的能量看成是由电场与磁场以平面场形式（波印亭矢量）在空间沿导线走向传播。即使按工程电磁场理论分析，电信设备等处于距电力线路数十米的距离r处，而相对长度达6000km的工频波的波长，完全处于所谓近场区r＜＜。在该区域内，电场与磁场事实上是分别存在，分别作用的。此时的“场”是一种似稳定或缓变场，它在空间各点的电场和磁场在相位上不存在滞后现象，既不表现为空间传播形式。依据麦克斯韦方程组描述的电磁现象，只有在场源的频率足够高，场源r远大于波长，即r＞＞时，必须考虑由于磁场变化产生感应电场，及由于电场变化产生感应磁场。其表现为电场和磁场为相互依存又相互制约的相互耦合的电磁场为动态电磁场（迅变场）。动态电磁场以电磁波动形式在场或空间的传播，被称为电磁波。在近场区内，电场和磁场对物体的相互作用的机理，表现为通过电场或磁场耦合，在物体上感应较小的电场或电流，而不会像高频电磁波一样，电场和磁场以波阻抗关系紧密耦合向外传播，形成电磁波发射，对附近设施进行干扰。

故而，正确反映低频电场和磁场与高频电磁的特性及效应是存在差异。据世界卫生组织及电磁环境健康领域的国际权威组织，均无例外地在电磁环境健康领域中采用能更准确反映环境影响的客观特性与作用机理的电场，磁场（对100kHz以下频段）或电磁场（100kHz以上频段）等技术语，国际导则还将电场、磁场均统一为EMF这一缩写术语。在通俗的读物中，为便于阐述，世界卫生组织指出，也可采用电磁场这一统称。

当把“电磁辐射”这一词语用于描述输变电设备的工频电场，磁场是否正确。它混淆了极低频场与高频电磁波的本质差异。“工频电磁辐射”一词的概念在国内被引用。在很大程度上产生了对低频场的误解与担忧。正因如此，世界卫生组织及美国国家环境卫生科学研究所（NIEHS），国际非电离辐射防护委员会（ICNRP）等权威的环境卫生组织与机构，在电磁环境与公众健康领域内的官方文件中，均无例外地严格引用电场、磁场、电磁场或统一运用统一的EMF这一术语。并拒绝采用“电磁辐射”这不适当的概念。

在国家标准中，GB8702-88“电磁辐射防护规定”及GB9175-88“环境电磁波卫生标准”和其他有关标准、规范都是针对广播、电视、微波通信等以及各类无线发射台站所产生的电磁辐射制定的。其应用范围100kHz~300GHz。而对于频率为50Hz这样的波形能否产生影响，在DL/T5092-1999“110~500kV架空送电线路设计技术规程“第16.05条中规定”500kV送电线路跨越非长期住人的建筑物或临近厂房时，房屋所在位置离地1m处最大未畸变电场不得超过4kV/m。与HJ/T24-1998“500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范”推荐以4kV/m作为居民区工频电场评价标准以及国际辐射保护协会“关于对公众全天辐射的工频限值”是吻合的。

参考文献

（1）邵文殷：220kV~500kV输电线路跨越和邻近住宅时的工频磁场。北京：中国电力科学研究院，2002。

（2）CIGREWG36-01，输电系统电场和磁国际调查结果（36-09）国际大电网会议

（3）输变电设施的电场、磁场及环境影响编写“输变电设施的电场、磁场及环境影响”中电力出版社2007.6

（4）浙江省电力公司编“输电线路绝缘子运行技术手册”中国电力出版社2003.2

（5）严晋德编“强电线堆通信线影响的计算”人民邮电出版社

（6）GB6830-1986“电信线路遭受强电线路危险影响的允许值”

（7）DL5033-1994“送电线路对电信线路危险影响设计规程”

（8）唐兴祚编著“高电压技术”重庆大学出版社2004.12

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。