第十章输变电工程的电磁环境

第十章输变电工程的电磁环境问题第一节概述第二节电力系统对邻近其他设施的电磁影响第三节电力系统工频磁场问题第四节工频电磁场的生物效应问题第一节概述电力系统对邻近其他设施如通信设施和金属结构等的电磁影响是一个既涉及电磁兼容也涉及电气安全的问题。高压架空送电线对环境的污染影响，一般包括:工频电场、磁场、无线电骚扰和可听噪声四个方面。高压架空送电线路下的工频电场对处在场中的人和物会产生两种影响：(1)对活的有机体的影响，即生态效应。(2)强电场可能引燃易燃物品及引爆易爆物品。电力系统的工频磁场问题一直受到广泛关注。鉴于对磁场的安全水平的争论持续存在和输电容量的不断扩大，输电线路的设计者正在寻求从技术上和经济上都能接受的削减工频电磁场的措施。几十年来在动物身上进行的体外实验和体内实验结果还不能有效表明架空线等附近的电磁场对健康的危害程度。然而有一些医学家确信电磁场与人类的健康之间可能存在相互关联。有人认为输电线路的电场不会对健康构成威胁，而磁场对健康的影响仍需进一步研究，但争论依然存在。第二节电力系统对邻近其他设施的电磁影响一、电力设施对无线电的电磁骚扰电力线路和变电设施是无线电设施和通信线路等的重要骚扰源。骚扰主要分为无源骚扰和有源骚扰。有源骚扰主要是由导线及金具表面电晕放电和绝缘子因局部场强过高引起火花放电产生，频率范围基本上30MHz。无源骚扰是无线电信号通到线路的导线和铁塔以及变电站的大型架构后因电磁感应而形成的散射和屏蔽作用，其频率范围30MHz，尤其是UHF频段。架空送电线路的无线电骚扰主要是对无线电信号的接收质量产生影响。(一)无线电骚扰水平根据我国110～500kV线路的实际情况制定的GBl5707—1995《高压交流架空送电线无线电骚扰限值》见表10-1。目前我国各电压等级的送电线路，除高海拔地区外，基本上不超过表中限值。表10-1无线电骚扰限值电压(kV)110220～330500限值(dB)465355(二)架空送电线路无线电骚扰的影响(1)对专业或军用无线电台站的影响自80年代以来，我国陆续发布了数项对送电线和变电站无线电骚扰进行防护的国家标准。这些标准的防护距离大大减少，且更具科学性。对降低电力建设成本十分有利。如500kV线路与电视差转台的防护距离已降至500m。实际上继续减小某些防护距离是可能的，即可以通过实测和计算分析来确定具体的防护距离。国内就有不少成功的实测和协调工作，如：青岛彩电中心建设与220kV线路距离问题等。(2)对居民无线电接收的影响对居民无线电接收质量的影响，一般考虑4个因素：①无线电骚扰水平②无线电信号强度；③信号与骚扰之比(信噪比)；④线路与接收点的距离。ITU推荐的广播信号的最小服务强度如表10-2，这是中国所处地带的情况。表10-2ITU推荐的广播信号的最小服务强度频率(MHz)0.511.6信号强度(dB)656057对广播接收质量影响的评价指标是信噪比，表10-3为CISPR第18号出版物规定的取值。CISPR推荐26dB作为评价无线电骚扰影响可接受的信噪比，亦即当无线电信号强度(dB值)减去骚扰水平，其差值大于26dB就可认为具有满意的接收质量。表10-3信噪比的取值判别(信号用平均值检波、骚扰用准峰值)信噪比(dB)判别40对古典音乐收听完全满意32对—般收听满意26不易察觉的背景噪声20背景噪声明显15背景噪声很明显8很难听懂电视信号频段＞30MHz，其接收包括伴音与图像两个方面，所以电视频段骚扰影响的分析比30MHz以下的骚扰影响复杂。目前对架空送电线所产生频段骚扰的测量，缺乏足够的可用数据，包括能够获得满意接收质量的最小信噪比。另外，电视图像的接收还可能受到无源骚扰的影响，如图像重影。电视骚扰问题目前尚处于定性分析阶段。二、电力系统对邻近金属结构的电磁影响电力系统对邻近其他设施如金属结构的电磁影响是一个既涉及电磁兼容也涉及电气安全的问题。为指导这类问题解决，1995年国际大电网会议发布了“高压电力系统对金属管线的影响导则”。该导则提供了电力系统对平行于输电线路的具有简单结构的金属管线阻性和感性耦合电磁影响的计算方法和计算公式。(一)变电站故障时对邻近复杂金属管线的电磁影响当变电站出现故障的情况下，变电站邻近的金属结构上会感应出过电压和过电流，并沿着金属结构向前传播有时可达数百米，这些骚扰信号可对人员、金属结构本身或与之相连的设备构成威胁。图10-2某邻近有金属管网的变电站示意图图10-1邻近有金属管网的变电站示意图当变电站出现故障的情况下，金属结构上的电磁骚扰来源有两个渠道：1.进入变电站的故障相线上的电流通过感性耦合方式在金属管线上形成骚扰；2.故障电流流入变电站接地网时引起地电位升高通过阻性耦合方式在金属管线上形成骚扰。(二)变电站接地网对附近建筑物接地网和直埋金属管道的阻性耦合骚扰随着电力工业的飞速发展，电压等级不断提高，电网输送容量逐步增大，电力系统故障发生后，经变电站接地网散流的故障电流越来越大。城市变电站接地网对附近建筑物接地网和地下直埋金属管道的阻性耦合问题，日益成为人们关心的问题。研究变电站接地网附近的建筑物接地网和直埋金属管道的地电位升高，并以此为依据提出必要的防护措施，可为城市变电站接地网设计和城市规划提供一定的理论依据。变电站接地网简称主地网，建筑物接地网简称小接地网，直埋金属管道简称管道。相应的防护措施有：如果要降低主接地网电位，应该采用按图10-6(a)布置方式，即采用联络导体连接的方案；如果要降低小接地网电位，应采用按图10-6(b)布置方式。图10-6管道与接地网布置(三)输电线路对地面上的金属管线的电磁影响典型的500kV和220kV输电线路分别如图10-7和图10-8所示。它们在正常和故障情况下均可通过电场和磁场的综合作用对地面上的金属裸管线或具有绝缘外皮金属管线上产生感应电压。图10-7典型的220kV输电线路杆塔图10-8典型的500kV输电线路杆塔图10-10金属管线两端部合成感应电压与输电线杆塔中心距离的关系图10-9高压输电线路旁的金属管线结论:(1)当金属管线离输电线路较近时由电场引起的感应电压较高，而较远时，由磁场引起的感应电压占主导地位。(2)由磁场引起的感应电压在电网正常运行状态下很低，可以忽略，而在短路条件该类电压较高。(3)金属管线上的绝缘护套对由电场引起的感应电压影响很小。(4)对于双回输电线路来说，金属管线上的最大感应电压出现在双回线的排列相序相同时。三、电力电缆短路故障时对直埋通信线路和金属管线的电磁影响地下电力电缆发生缆芯对护套短路故障时，线路上的电流一部分在故障点经过变电站的接地体流入大地，另一部分通过护套流入大地或返回始端电源中性点。流过护套的电流可能会在其附近通信线上耦合出高于通信线正常工作电压时的纵向感应电动势，也可在金属管线上产生感应电压。图10-11电力电缆通信线和金属管道的位置示意图随着通信线不断远离电力电缆，它上面的纵向感应电势越来越小。和通信线相似，金属管道上也会产生纵向感应电势，且随着金属管道逐渐远离电力电缆而逐渐减小。随着变电站接地电阻的不断增加，通信线上面的纵向感应电势越来越小。这是因为：随着变电站接地电阻的不断增加，一方面，它对缆芯电流起到限制作用增大；另一方面，流过变电站接地电阻的分流减小，而流回护套的分流增加，由于护套上的电流始终与缆芯上的电流反向，屏蔽作用增强，从而使通信线的感应电势下降。四、高压架空输电线路对通信线路的工频骚扰(一)同塔双回输电线相线排列方式与其电磁骚扰的关系对于三相对称运行的输电线，当通信线距电力线的距离大于三相电力线间距的若干倍时，电磁骚扰非常微弱。然而，两线路近距离并行架设，甚至交叉的情况在当今线路走廊选取中往往难以避免；另外，电力系统本身的通信及信号线或光缆会与电力线放置于同一杆塔上，既使三相电力线进行良好换位，其电磁骚扰影响仍比较严重。(1)单回线电磁骚扰相位小于60°定理单回线电磁骚扰的相量分析是双回线总骚扰分析的基础，因为双回线的总骚扰为各单回线骚扰量的相量和。先分析图10-16所示的双回线路第一回线对其下面通信线(如M1和M2点)的电磁骚扰相量。图10-17为各相线骚扰与总骚扰F的相量分析示意图(F可以为容性耦合电压或感性耦合电动势)。图10-16双回线与图10-17第1回线各相通信线结构示意图干扰与总干扰的相量分析从图10-17可以看出，随着M线从靠近电力线处向远离电力线的方向移动，总骚扰相量F将沿图中曲线轨迹顺时针移动，当M线趋于无限远时，三相骚扰对称，总骚扰趋于零，θ角的绝对值趋于60°。由此可见，总骚扰相量的幅角为0|θ|60°。此为一条重要定理，其一般描述为：设单回线各相线的排列方式从下至上为X1、X2和X3，其对下方M线的总骚扰相量的相位一定在从X1相的骚扰相量开始，向X2相骚扰相量方向旋转60°的范围内。(2)双回线相线排列关系正确选择饼图若第2回线各相线排列顺序与第1回线相同，则第2回线总骚扰相量的相位也一定在0～60°范围内。特别地，当M线位于两回线的中垂线上(如图10-16中M1点)时，两回线骚扰相量的相位同相，两回线骚扰矢量和的幅值最大。图10-18不同相线排列方式下单回线骚扰相量相位范围及双回线相线排列关系正确选择饼图由图10-18可以看出：若第1回线为A1B1Cl形式排列，则第2回线采用C2B2A2排列时总骚扰最小，因两回线骚扰的相位差最大；显然，第2回线采用A2B2C2形式排列，则双回总骚扰最大。图中任意两种相位范围位置相对(接近180°)的布线组合均为双回线相导线的相序最佳排列方式。不同最佳组合的总骚扰大小一定相同，尽管总骚扰的相位会不同。因此，图10-18给出的饼图为双回线相序最佳排列确定方法图从饼图可以看出:A、正确选择双回线导线相序放置可以明显减小其电磁骚扰。B、在正确排列双回线导线的情况下，双回运行时的电磁骚扰小于单回运行的骚扰；C、具有相同高度的M线，位于两回线中间位置时所受的骚扰一定小于位于偏离中心且未明显超出杆塔横担长度范围内时的骚扰。然而，若采取不正确的相同相序排列，则情况相反。因此，对于双回线架设在同一杆塔两侧，且三相导线竖直放置的情况，相导线排列方式应为中间同相，上下反相，如AlBlCl与C2B2A2。(二)高压输电线路在铁塔周围三维电场的分布考虑到实际测量的困难，使用数值计算方法将铁塔、铁塔接地系统、输电线路和避雷线同时考虑后可求出铁塔周围的电场分布。实际工程中某典型的500kV直线铁塔示意图如图10-19所示，图10-20为图10-19中的铁塔的三维工频电场分布。图10-21为图10-19中铁塔周围电场瞬时值的分布。图10-19典型的500kV直线铁塔示意图图10-20铁塔周围的工频电场分布图10-21铁塔周围的瞬时电场分布从图10-20和图10-21中可以看到，对于每一相，在x方向有很低的等电场强度线沿竖直方向穿越分裂导线，在z方向有很低的等电场强度线沿水平方向穿越分裂导线；从图10-20中还可以看出，y方向的电场强度均远远小于其它两个方向。当给定ADSS光缆所能承受的最高电场值以后，从图10-20和图10-21中可以找到铁塔周围留有一定裕度的低于给定电场值的区域，也就是悬挂ADSS光缆的安全位置；同时图10-20和图10-21所给的电场分布也为带电作业的安全防护提供了一定的理论依据。(三)全介质自承式光缆(ADSS)的电蚀现象全介质自承式光缆(ADSS)通常应能抵制这些不良环境的侵害作用，而这种抵御作用主要依靠防护套来实现。研究认为：影响ADSS光缆保护型护套的主要因素是输电线路杆塔上各种光缆夹具对ADSS光缆端部的火花式电晕放电。该放电会沿火花电晕放电的方向在夹具处的护套上形成不同程度的白色沉淀物，从而造成光缆护套的破坏(这种现象称为全介质自承式光缆的电蚀现象)。而出现在光缆夹具等处的火花式电晕放电所需场强通常是光缆许可场强的３倍左右。ADSS光缆应选择在场强不超过ADSS光缆３倍许可场强的区域内悬挂，并注意悬挂点的位置。对于单回输电线路的杆塔，光缆应悬挂