1、高压变电站电磁辐射的测量和分析【摘要】测量了不同结构的 110 kV、220 kV 城区变电站的工频和高频辐射强度，并与相关标准做了比较，供城区变电站设计选型和电磁环境工作者参考。1.引言近年来北京市经济迅速发展，人民生活水平迅速提高，对电力供应提出了新的要求。为了促进城区发展并提高供电质量，供电部门将不断在繁华商业区或居民区建立高压变电站。高压变电站在运行时将产生一定强度的电磁辐射，包括高频辐射和工频辐射。辐射污染将有可能对人体健康及有用信号的接收产生影响。为了明确在人口稠密区建立高压变电站是否可能对居民生活质量产生影响，且影响程度如何，北京供电局设计院与清华大学电机系协作，对几种典型类型的
2、高压变电站内部及周边的电磁辐射进行了测量分析，得出电磁辐射的特性，了解干扰产生的位置、原因及减少措施，判断各频段下的辐射场强是否符合国家规定的安全标准，为以后城区变电站的设计、电力设备的选型提供依据，也可为改善环境状况提供参考，同时可以减轻高压变电站周边一些居民对电磁辐射的不必要的恐惧心里。2.电磁辐射的国家安全标准和安全参考标准2.1 高频电磁辐射的国家安全标准我国环境电磁波卫生标准 （GB9175-88 ）对正常自然环境的电磁场污染及防治规定了标准限值，如表 1 所示。为了防止和减少电磁辐射对人体健康的危害，我国电磁辐射防护标准 （GB8702-88 ）规定了环境电磁辐射对于职业照射和公众
3、照射的限值。同时我国规定按指定的测量方法选择晴朗天气在射频辐射设备外侧横向距离 20m 处测量，各频段干扰电平不应大于 50 dB(此值低于 GB8702-88 中的值)。2.2 工频电场辐射的安全参考标准运行中的高电压设备，特别是输电线路附近会产生工频电场，它对人体的影响主要是电击和长期的生态效应。处于地电位的人体接触对地绝缘的物体时，可能导致疼痛的电击。近几十年来在国际大电网会议（CIGRE）发表的大量科学证据表明，20 kV/m 以下的电场对健康没有有害的影响。但还不能做出长期受电场作用绝对没有危险的结论。因此，很多国家提出电场强度的安全限定标准，如表 2 所示。我国目前尚未规定工频电场
4、强度下的安全限定标准。本文将以发达国家（日本和美国）最严厉的标准(2.5 kV/m)作为参照。文中以后提到的工频电场安全参考标准即指此标准。运行中的高压设备所产生的工频磁场，一般与家用电器的局部磁场相比是很弱的，可以认为工频磁场对于人体在电击和长期生态效应方面的影响要小得多。表 1 环境电磁波卫生标准限值 表 2 各国关于电场强度的安全限定标准频率范围（ Hz） 允许极限(dB)(V/m)一级(安全区) 二级(中间区)30k300M 140 14530M300M 130 140300M300G 135 150国家 限制和规定前苏联 5 kV/m 非居民区但有可能接近的地区10 kV/m 不限定
5、停留时间的地区15 kV/m 跨越道路和经常会接受的地区日本 3 kV/m 群众易接近的地区美国 2.5 kV/m 商业区和居民区3.5 kV/m 跨越购物中心的停车场 3.工作内容本文主要研究内容包括：根据北京供电设计院与清华大学电机系协作内容要求，针对室外、室内和半室内布置的敞开式电气设备、封闭式组合电器、裸导线联接和电缆联接封闭管道等不同设备及不同布置方式的典型 220/110/10 kV 变电站（北土城变电站、知春里变电站、阜城站变电站）的不同位置和不同环境下（湿度变化）进行测试；针对 220 kV 母线（知春里变电站）下及其附近建筑物的不同位置进行测试，研究电磁辐射的特性（包括辐射强
6、度及其变化规律、频率范围、波形特点和影响因素等） ，了解干扰产生的位置、原因和减小措施，并判断各频段下辐射场强是否符合国家规定的安全标准。本文在 150 kHz 30 MHz 频段，选用北京无线电二厂生产的 RR2B 型场强干扰仪，并用杆状天线测量电场强度；在 30 kHz 500 MHz 频段，选用北京无线电二厂生产的 RR3A 型场强干扰仪，并用对称振子天线测量电场强度，要求应能对所有极化方向的辐射波进行测量；在工频范围内，使用自行研制的PFE1 型工频电场测量仪，用平面测量电极测量电场强度。4. 高压变电站内部及周边电磁辐射的现场测量4.1 北土城变电站北土城变电站采用室内 110/10
7、 kV 油浸式主变压器、室内 110 kV 全封闭组合电器和 110 kV 敞开式母线。北土城电站布局及测量点分布如图 1 所示。对北土城变电站现场测量数据的分析表明：（1）由于组合电器、主变压器外壳和四周墙壁的屏蔽作用，工频场强很低，多在 200V/m 范围内。在 1.7m 高度处距离主变最近处的电场强度并不是此方向上的最大值，相反在此形成一个辐射场强幅值的下凹，而在距 1#主变外壳水平距离 0.6m 处达到最大值。（2）变电室内工频电场强度的最大值（指距地面高度 1.7m）位于距 1#主变外壳水平距离1.7m（西南方向） （E 点） ，它正好位于 110 kV 裸导线偏下方。（3）变电室内
8、、外 10 kV 硬母线下的工频辐射都很小。（4）在测量频率范围内，在变电室内、外几乎测不到强度超过 20 dB 的高频干扰辐射；但是比较而言，在变电室外 10m 范围以内，距离变电室越近，广播电台信号的背景噪声越大，接收效果越差，10m范围以外，接收基本不受影响。（5）变电室外工频辐射和高频干扰辐射都在国家标准和参考标准规定的居民区安全范围之内。图 1 北土城变电站布局及测量点分布图 注：A、B、C 分别为 1#、2# 、3#主变压器；F 、G 为10kV 消弧线圈，E 为电容量； D 为金属网门，高 2m；、距金属网门分别为6m、10m、15m、20m ；北京供电设计院办公楼一层为 10k
9、V 开关室及 110kV 开关室。图 2 阜城门变电站布局及测量点分布图4.2 阜城门变电站电磁辐射测量阜城门变电站采用室外 110/10 kV 油浸式主变压器、室内 110 kV 全封闭组合电器、110 kV 母线电缆封闭式联接、敞开式消弧线圈及金属网屏蔽。变电站布局及测量点分布如图 2 所示。对阜城门变电站现场测量数据的分析表明：（1 ）阜城门变电站 110 kV 电气设备均采用全封闭式设计，即使在设备联接处也使用浸油管道封闭，有效地减少了变电站设备的电磁辐射（包括工频和高频） 。可以看到，阜城门变电站的工频辐射场强（一般小于 20V/m ，最大 145V/m）明显小于北土城变电站（一般约
10、 200V/m ，最大 2100V/m） 。（2）高频干扰辐射有规律性，它受两个因素的影响，一是测量点距离，二是金属网的屏蔽。可以看到，干扰辐射波在绕过由于金属网屏蔽而形成的死角后辐射强度逐渐增加，死角范围约在金属网外 10m左右。所以干扰辐射在金属网外 15m 处达到最大。然后测量点的距离又起主导作用，干扰辐射随距离增加而逐渐减小，如图 3 所示。（3）由于周边建筑物折射和反射等作用的影响，使得阜城门变电站的各高频频段干扰辐射强度普遍高于地形地貌比较空旷、相对而言折射和反射等作用影响较小的知春里变电站。（4）变电站内、外工频辐射和高频干扰辐射都在国家标准和参考标准规定的居民区安全范围之内。图
11、 3 阜城门变电站高频干扰辐射 图 4 知春里变电站布局及测量点分布图4.3 知春里变电站工频场强测量知春里变电站采用室外 220/110/10kV 油浸式主变压器、室内 110kV 敞开式配电装置和室外 220 kV敞开式配电装置。知春里变电站布局及测量点分布如图 4 所示。变电站工频辐射场强的测量结果如下：（1）220kV 北侧母线中相下偏北约 1.5m，距地面高度为 1.3m 处场强最大为 1205V/m ，距地面高度为 1.7m 处场强最大为 1720m （见图 4 点 A） ；220kV 南侧母线中相下偏南约 1m ，距地面高度为1.3m 处场强最大为 1690V/m ，距地面高度为
12、 1.7m 处场强最大为 2615V/m （见图 4 点 B） 。（2）220kV 母线北侧宿舍楼南屋窗口工频电场表现出较强的规律性，从图 5 中可以看到，工频电场强度从第 1 层起逐渐增大，并在第 5 层与输电线处于同一高度时达到最大，然后减小，这与分析是基本一致的。（3）南窗口处工频辐射明显高于南阳台处，这是因为南阳台东西两侧有约 2m 的水泥墙，它的屏蔽作用对工频辐射的影响相当显著；在南窗口，伸出窗口外 0.1m 处的场强比在窗平面内增加 1 倍以上，退入窗口内 0.1m 处场强降低至 5%以下，退入窗口内1m 处场强降低至 50%以下；在北屋室内，由于多层墙壁的屏蔽，工频辐射已降低到几
13、乎测量不到的程度。（4）母线旁居民建筑物内外的工频强度，在国家标准和参考标准规定的居民区安全范围之内，不会对人体健康及居民正常生活产生任何不良影响；但在局部位置，场强最大值接近安全参考标准 2.5kV/m ，建筑物如有突出屋外的未接地金属物体（金属衣架、金属窗栏等） ，由于工频场强较强，在人与之接触的一瞬间，可能发生电击现象（火花放电） 。为避免此类现象的发生，应将金属物体可靠接地。变电站内高频干扰辐射强度均低于 50dB ，符合国家规定的无线电干扰控制指标。4.4 湿度对高频幅射的影响4.4.1 知春里变电站在不同湿度条件下的高频辐射测量知春里变电站布局及测量点分布如图 4 所示。结果如表
14、3。相同测量位置，不同湿度条件下，也可能是由于高频辐射受其它各种因素的影响（例如设备运行状况等） ，辐射强度没有表现出规律性。4.4.2 实验室环境不同湿度下高频电磁辐射的测量在高压实验室的屏蔽室内，给新的细铜裸导线施加高电压产生电晕放电。实验室环境在不同湿度不同屏蔽条件下的高频辐射测量结果如表 4 所示。其它频率干扰场强在 30MHz 500MHz 范围内所测值均低于 10dB 。实验结果表明，湿度对高频辐射的影响无规律性。表 3 不同湿度下的高频辐射测量频率(MHz) 1#主变压器 10m 处场强 (dB) 2#主变压器 30m 处场强(dB)湿度 92% 湿度 46% 湿度 92% 湿度
15、 46%5.3 47 20 20 2036 10 25 6 30100 35 26 25 32表 4 实验室环境不同湿度不同屏蔽条件下的高频辐射测量 频率(MHz) 屏蔽室内场强 (dB) 屏蔽室外场强 (dB) 高频辐射性质湿度 100% 湿度 86% 湿度 73% 湿度 54% 湿度46% 加压 不加压 加压 不加压 加压 不加压 37 14 17 13 10 14 10 18 10 干扰124 12 14 11 10 10 10 14 10 干扰154 17 13 16 10 11 10 10 10 干扰270 11 10 14 10 10 10 12 10 干扰80 15 20 24
16、12 19 11 25 13 干扰5.结论本文针对几种典型的 200/110/10kV 变电站的高频和工频电磁辐射进行测量和分析。（1）本文测量的三种典型的 220/110/10kV变电站的高频电磁辐射（150kHz 500MHz）在设备外侧 10m 以外（标准为 20m）的强度都小于50dB ，远远低于环境电磁辐射的安全标准；同时符合国家规定的无线电干扰控制指标。在高压设备周边（10m 范围以内） ，由于存在较强的干扰场强，广播信号和电视信号较弱时，信号的接收质量会有不同程度的下降。 一般而言，全封闭电器设备的电磁辐射强度小于敞开式电器设备的电磁辐射强度；在室外测量时，室内布置的电器设备的电
17、磁辐射强度小于室外布置的电器设备的电磁辐射强度。现场测量和实验室条件下的测量都表明，电晕放电是高压变电站设备正常运行时高频电磁辐射的主要原因；在辐射源附近安装屏蔽装置，可以有效地降低电磁辐射强度；环境湿度的变化对高频电磁辐射存在一定程度的影响，但在本文测量的频段范围内没有观察到明显的规律性。以上工频电场强度测量值除极个别不易到达的地点外均在工频电场强度安全参考标准（2.5 kV/m）的范围之内，所以不会对人体健康和居民正常生活产生任何短期或长期有害的影响。（2）高压母线的工频电场辐射是高压变电站内工频电场辐射的主要来源，应该采取必要的措施降低母线下方及附近建筑物表面的电场强度，以避免可能的危害。在工频辐射场中，屏蔽作用非常显著。如果变电站选址于商业区或居民区，建议 110 kV 以上母线应使用油绝缘或气体绝缘的套管封闭；对于分立式输变电设备（包括消弧线圈、电容器、电压互感器等）可在其周围设立金属屏蔽网。以上措施将会很好地降低网外的电场强度。当输变电设备装设在室内时，室外工频场强由于墙壁的屏蔽也有很大程度的下降。对于混凝土及砖结构建筑，室内的工频电场强度可以降低到无房屋时的 5%以下甚至更小，如在墙内加入金属屏蔽网，可以达到更好的效果。
