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，光缆应悬挂在中相下方的铁塔处；对于双回输电线路的杆塔，在正确选择双回线导线相序的条件下，光缆应悬挂在位于两回线中间位置的铁塔处。另外在光缆的螺旋状夹具的末端处安装保护型的屏蔽能够降低此处的电场强度，从而保证光缆的长期安全运行。

五、架空输电线路对居民房屋的影响

为研究架空输电线路对居民房屋的影响，我国曾在500kV平武线下建造了一幢真型砖混结构试验用民房，对房屋周围、屋内、阳台和房顶电场的大小及分布规律进行了测试。

这幢民房具有华东地区主要民房特点，分一层平顶房、两层楼平顶房和两层楼尖顶房三种，位于线路正下方。试验结论为：(1)由于房屋的屏蔽作用，在房屋周围约8m的范围内，场强都有不同程度的降低，屋内场强为0.02～0.17kV/m，是无房屋时地面场强的3%以下，与家用电器设备附近的场强同一数量级；(2)二层楼尖顶房房顶上方离屋面0.5m处的场强为12～18kV/m，是无房屋时地面场强的3.7～4倍；(3)阳台上的场强最大值为无房屋时地面场强的l.8倍，局部最大达9kV/m。

六、工频电场对交通安全的影响

(一)工频电场对公路交通安全的影响

(1)公路上工频电场对易燃物品的引燃危险为了把高压输电线下静电感应产生的电击限制到允许程度，输电线跨越公路时的电场限值不同国家的规定是不同的，表10-4给出了四个国家规定的电场限值。

表10-4不同国家超高压线路跨越公路的允许场强值

国家名前苏联捷克美国中国场强限值kV/m101077按照表10-4限值设计的高压线路，人们在线下或跨越处接触对地绝缘的车辆，仍会产生火花放电并伴随着产生电击。这种火花放电能否引燃输电线下象汽油蒸汽这样的易爆物?不少国家对此做过专门的试验。根据研究报告。为防止汽油蒸汽被引燃，对于765kV线路来说，大型汽车的安全距离为距边相外侧25m，相应的电场强度为2kV/m。美国邦维尔电力管理局发表的报告认为“作为一项谨慎的预防措施，汽车加油时应离开高压输电线路至少21m，按500kV输电线路边相地面投影外侧21m处计算得到该处电场强度为1.5～2kV/m。

1985年国际大电网会议中提到：“有一些成员国规定电场强度超过2kV/m的地方不允许建造加油站”，“有一些国家规定加油站离应离开500kV输电线路一定的距离(如60m)”。综合上述研究可以认为，电场强度<2kV/m的地方不会因为汽车加油引燃汽油蒸汽。

(2)公路上工频电场对行人的影响日本曾用伞在试验线路下和实验室中做了大量电击感受试验，认为场强为3kV/m时，打伞经过线下，由此产生的电击给人造成的不舒服感是可以接受的；但当场强增至4kV/m时，这种电击将使人疼痛并产生惊慌感，为此取3kV/m作为跨越公路的允许最大场强。

1976年我国在试验线路下也做了各种暂态电击试验，被试人员138人，共中8名妇女，试验内容为：雨天、晴天打伞，脚踝接触接地细金属线和食指碰接地金属棒。试验结果表明场强为3kV/m时，雨天打伞被试的全体人员都能感觉到，其中24％的人感到烦恼；脚踝碰细导线的试验，有86％的人能感觉到，其中有烦恼的人也占24％，他们认为一般人能感觉到的暂态电击水平为2.7kV/m。

(二)工频电场对铁路运输的影响

火车车厢通过车轮和铁轨有较好的电连接，不会发生车厢对地放电的问题，因此输电线路跨越铁路没有工频电场限值要求。导线对地距离仅取决于绝缘要求。以500kV线路为例，跨越铁路的距离一般为13～14m。计算得到跨越处离地1～

4m的电场强度约为7kV/m左右。长期运行实践证明：在该电场作用下，对通过载有易燃易爆货物的列车不存在引燃的危险。

(三)工频电场对船舶航运安全的影响当船舶经过跨越船闸的高压输电线路时，由于船体在水中自然保持和江水相同电位，不会发生船体对江水放电的问题。由于船体桅杆高出水面很多，当满足导线对桅杆绝缘距离要求后，导线对江面的距离将大大高于线路跨越公路和铁路时的距离，按此决定的线下电场也将比跨越公路和铁路时大为减小。我国已运行的四个500kV跨江工程。长期运行以来，没有听到有关影响航运安全的反映。不存在对载有易燃易爆物的船舶通过跨越船闸的线路时，因工频电场引燃引爆的危险。当旅游船停在跨越船闸的输电线路下等候过闸的期间，游客在游船甲板上观看船闸景观，船甲板上的游客不会出现任何不舒服感。

但当游客在游船顶层露天平台上观看风景时，情况会大有不同，此时游客直接暴露在工频电场下，加之船体对该处电场的畸变，人体实际承受的电场将比该处未畸变场高很多。

如果游客穿的鞋是导电的，这样人和船体处于同一电位，人在平台上相互接触或触摸船体不会有任何电击感。穿绝缘好的鞋的人在电场作用下将感应一高电位，当他接触和船体同电位的人时，相互间将有电击感。在阳光或小雨天，游客在平台上打伞观光，伞上将感应出一较高电位，并将出现明显电击感。因此有必要对过闸游船上采取局部防护措施，如禁止游客上顶层甲板平台，并在此时可设专人值班，这样架空线下工频电场的静电感应才不至于影响船上旅客的安全。

七、送电线路产生的可听噪声

对送电线路因电晕产生的可听噪声是500kV以上电压等级才出现的问题。电晕放电产生宽带噪声，含有区别于普通环境噪声的高频分量，这种噪声具有碎裂、兹兹声的特点，其频带可扩展到声频以外的频段上，叠加在低频嗡嗡的交流声上。

这种可听噪声与气象条件密切相关，在雨、雾、雪等恶劣天气下，导线上大量分布着电晕源，从而产生较大噪声水平。研究表明，送电线路的可听噪声比交通噪声更令人讨厌，而且在比普通公共噪声低10dB左右时，与睡眠者获得的唤醒概率相同。有研究认为：特高压线路的可听噪声水平应控制在56～58dB之内比较合适。

第三节电力系统工频磁场问题

高电压和大容量是近年来电力系统发展的趋势，电力系统设备所处的电磁环境发生了很大的变化。目前，从供电可靠性和电磁兼容的观点出发，超低频电磁环境问题引起了人们的注意，电力系统的工频电磁场问题受到广泛的关注。

一、变电站中的工频磁场分布

由于电力系统采用三相式输电，且线路和设备的三维布置方式，电力系统设备周围的磁场分布很复杂，对该类问题通常采用现场实验和数值计算结合的方法进行研究。国外有人曾对一个500kV/275kV户外变电站的每相线路电流和高于地面1米处的工频磁场进行了24小时的同时测量和定量评估，该变电站内高于地面1米处典型的工频磁通密度在2μT到20μT之间。该变电站的布置示意图如图10-22所示，变电站有２条500kV和４条275kV的双回线路，导体布置较复杂。

图10-22某500kV/275kV变电站布置示意图利用电流互感器对６条线路和３台变压器副边的三相线路电流幅值、基频相角和谐波进行了测量，典型的测量结果如表10-6和图10-23所示。三相电流的不平衡度在1～5%之间，每条线路电流的谐波成份不超过5%。从图10-23可看出每条线路电流随时间的变化规律完全不同。表10-6线路电流有效值范围输电线路电流有效值[A]输电线路电流有效值[A]TL-1300～6001B副边400～900TL-2100～2002B副边400～850TL-3500～6503B副边380～900TL-4500～1300*500kV母线100～400TL-5400～1000*275kV母线2000～3000TL-62700～3500*由基尔霍夫定理估算值三维磁场分布的测量点选在图10-22中P点和Q点，并沿着通道#MB进行测量，所有测量点距离地面的高度均为１米，测量结果如图10-24、10-25和10-26所示。从图10-23(a)和10-24(a)可以看出，在P点三维磁场强度(Bx、By、Bz)随时间的变化规律与第3条线路(TL-3)中线电流随时间的变化规律的对应一致性很强。图10-24(b)给出了P点三维磁场强度与距离最近的第3条线路中第一回线路的边相Ｂ相(TL-31LＢ相)中线电流的关系，从图中可看出它们具有很强的线性相关性。图中P点三维磁场强度的分散性是由于它们受其他线路电流的影响。

图10-23电流幅值随时间变化曲线图10-24P点处磁场强度的测量结果从图10-25中可看出y方向的磁场强度By、z方向的磁场强度Bz均有两条与变压器副边电流的相关性曲线；而x方向的磁场强度Bx只有一条与变压器副边电流的相关性曲线。图10-25(b)表明除了电力系统的布置方式和线路电流之外，设备的运行状态也是影响设备旁边的磁场分布的重要因素。从10-26图中可以看出计算值与测量值的一致性很强，这说明可以通过线路电流的测量结果及由此推出的母线电流分布再利用Biot-Savart定律来准确地计算变电站内工频磁场的分布。

图10-27中磁通密度的等值线每间隔2μT画１条，从图中可以看出275kV单元内的磁通密度大约为2～20μT，远大于500kV单元内的磁通密度，这是由于275kV母线电流较大的缘故。另外275kV单元内的磁场分布的变化梯度比500kV单元内的磁场分布的变化梯度大。

图10-25Q点处磁场强度的测量结果图10-26通道#MB磁场Bx分布的测量值与计算值比较图10-27整个500kV/275kV变电站中磁场Bx分布的计算值二、输电线路走廊边缘处工频磁场的减缓技术

鉴于架空输电线路产生的电磁场对健康的影响问题的争论依然存在和输电容量的不断扩大，有必要采取从技术上和经济上都能接受的工频电磁场削减措施。为减小ROW的工频磁场，可采用在输电线路附近安装无源回路和有源回路的工频磁场减缓技术。针对输电线路三相导体水平布置的情况，可以通过架设平行于输电线路的无源回路或有源回路抑制ROW的工频磁场。在无源回路中，可分别采用直接通过回路感应电流的工频磁场减缓技术和在回路中串联补偿电容利用谐振减小回路阻抗增大回路感应电流的工频磁场减缓技术。下面简要介绍其原理。

减缓ROW边缘的工频磁场的方法之一是在输电线路和ROW边缘之间架设两条平行于输电线路的低绝缘等级架空屏蔽导线，该两条屏蔽导线在屏蔽区域的两端相连在一起形成闭合屏蔽环路(见图10-28)图10-28屏蔽环路结构示意图(a)俯视图(b)正视图由于闭合屏蔽环路在输电线路的磁场作用下会产生感应电流，而该感应电流产生的磁场会部分地抵消输电线路的磁场。闭合屏蔽环路中的电阻和感抗影响着电流的大小和相位。在闭合屏蔽环路中串联电容器可抵消部分感抗从而增大环路电流，适当选择电容器的容抗可显著提高屏蔽效果。(一)α和β分量电流法

为便于理解上述屏蔽原理，可利用Clarke变换将三相输电线路(水平布置)的正序电流(中相)、(左边相)、(右边相)转换为分量、β分量、0分量：

图10-29正序电流转换为α分量和β分量从图10-29可以看出：在输电线路水平布置的情况下，中相和边相的分量电流间呈同轴性分布，β分量电流间呈双极性分布。若将一组正序电流分解成分量和β分量电流，则分量和β分量电流相量正交。对边相来说，β分量电流是分量电流的1.732倍，每一电流分量产生的磁场相量是一线状矢量，而不像一组正序电流产生的总磁场那样呈椭圆状。该线状矢量特性是由于分量电流或β分量电流要么同相位，要么反相位。

和β分量电流产生的磁场分布图明显不同：分量电流产生的磁场强度随着远离输电线路杆塔中心距离的立方成反比减小；而β分量电流产生的磁场强度随着远离输电线路杆塔中心距离的平方成反比减小；

从10-30图中可看出，总磁场强度主要取决于β分量电流产生的磁场强度。ROW边缘(22.8米处)外部的工频磁场几乎完全取决于β分量电流产生的磁场。

在屏蔽环路中相当于有一个“反向流动”的β分量电流，它产生的磁场部分地抵消了起主导作用的β分量线路电流产生的磁场，这就是屏蔽环路削减ROW边缘的工频电磁场的基本原理。

图10-30α分量和β分量电流的磁场分布与合成正序电流的磁场分布比较(二)无源屏蔽环路的电抗补偿问题

环路阻抗是影响工频磁场减缓效果的主要因素。在无源屏蔽环路中串入电容器可以补偿环路电抗，环路电流随着电抗补偿度的增加而增加。电抗补偿度(或容性补偿度)的定义式如下式所示，其中：Xc是电容器的容抗；XS是每条屏蔽线路导体的自感；Xm是屏蔽线路导体间的互感。

电抗补偿度=随着电抗补偿度的增加，屏蔽环路的阻抗角减小，从而可使其电流的相角变得不利于磁场的削减。电抗补偿度对磁场屏蔽效果的影响如图10-31所示，图中给出的是β分量电流产生的磁场矢量，其中园的直径随着屏蔽环路电阻的增加而减小。

图10-31电抗补偿度对磁场屏蔽效果的影响无容性补偿时在图中水平线下方，其相角为屏蔽环路的固有阻抗角约80˚左右。随着容性补偿度的增加，合成磁场矢量的大小减少至最小值，若进一步朝100%方向增加电抗补偿度，则的幅值增大。一般来说，屏蔽环路的电阻越小，最佳容性补偿度越小。

根据图10-32所示的输电线路模型，充分考虑屏蔽环路、避雷线、输电线路之间的相互影响，利用EMTP程序可以计算输电线路ROW边缘的工频磁场分布。

图10-32输电线路模型的单相电路图(三)无源环路对输电线路的影响屏蔽环路电流产生的磁场会在输电线路中感应出一个小的纵向电势，从而可对输电线路的正序有效阻抗、负序电流、零序电流产生影响。表10-7给出了某典型的345kV输电线路的计算结果。

表10-7屏蔽环路对输电线路正序有效阻抗及负序、零序不平衡电流的影响类型正序有效阻抗(Ω/m)I2/I1(%)I0/I1(%)无屏蔽环路时0.5935.21.0有屏蔽但无容性补偿时0.5884.61.0有屏蔽且最佳容性补偿度为+60%时0.5823.90.99从表中可看出：采用补偿的屏蔽环路对正序有效阻抗和负序不平衡电流有明显的影响，但影响不太。而它对零序不平衡电流无显著影响。总的来说，屏蔽环路对输电线路的影响是不显著的。

(四)输电线路水平布置时不同位置的无源屏蔽环路对磁场的削减效果

三相导体水平布置的情况下屏蔽环路可能的布置方式见图10-33，其中：屏蔽环路A对应于感应电流最大的位置，而屏蔽环路B对应于ROW边缘磁场最小的位置，环路E处于架空避雷线的位置。

图10-33线路三相导体水平布置时屏蔽环路的不同位置图10-34输电线路导体垂直、△形、双回路布置且屏蔽环路中感应电流最大时的位置三相导体其他布置方式下使屏蔽环路中感应电流最大时的布置位置见图10-34。图10-35和图10-36分别给出了三相导体水平布置且屏蔽环路未采用容性补偿的情况下磁场强度绝对值和磁场强度削减度曲线。对于采用容性补偿的屏蔽环路，一般选择阻值较小的屏蔽导体，对各种环路中串联补偿电容值的选择原则是使ROW处磁场强度削减度最大。图10-37和图10-38分别给出400kV输电线路三相导体水平布置且屏蔽环路采用容性补偿的情况下磁场强度绝对值和磁场强度削减度曲线。

图10-35三相线路导体水平布置且无容性补偿时磁场强度绝对值的分布图10-36线路导体水平布置且无容性补偿时各种环路磁场削减度的分布图10-37三相线路导体水平布置且采用容性补偿时磁场强度绝对值的分布图10-38三相线路导体水平布置且采用容性补偿时各种环路磁场强度削减度的分布从图10-36可以看出：在无容性补偿的情况下，屏蔽环路A和B的屏蔽效果比环路C、D、E的屏蔽效果好。在ROW边缘处屏蔽环路B的屏蔽效果优于屏蔽环路A，在其他位置屏蔽环路B的屏蔽效果比屏蔽环路A差。

从图10-38可以看出：在采用容性补偿的屏蔽环路中，除了ROW边缘处之外，环路A的屏蔽效果的优越性更加明显。距离输电线路杆塔中心较远时屏蔽环路C和D的屏蔽效果比环路B差。环路E的屏蔽效果最差，要达到环路C和D的屏蔽效果所需屏蔽导体的电阻非常小。对比图10-36和图10-38可以看出：采用容性补偿的所有屏蔽环路的屏蔽效果都有明显提高。表10-8给出了在水平布置的400kV输电线路电流为500A情况下，各种位置的无源屏蔽环路中的功率损耗和所需的容性无功功率。该线路电流为额定电流的25%左右，屏蔽环路中的感应电流从9%到50%。

表10-8水平布置的输电线路电流为500A时各种位置的无源屏蔽环路中的功率损耗和所需的容性无功功率

屏蔽环路的位置无容性补偿时有容性补偿时功率损耗(kW/km)功率损耗(Kw/km)无功功率(kVAr/km)ABCDE1.50.61.21.20.541.37.66.14.9185.442.131.728.1(五)无源屏蔽环路的安装环路A、C和D的导体可利用输电线路现有的支撑结构。仅需考虑加固铁塔，使其有效地承受屏蔽环路导体的拉力和重力。如果屏蔽环路E是避雷线，则没有增加原线路支撑结构的负荷，若将其更换为低电阻导线，则需加固铁塔。

屏蔽环路B则需单独架设支撑结构，因此，需要考虑最小净距问题，由于屏蔽环路B的导体远离输电线路导体，故还需单独考虑它与补偿电容器的防雷问题。

在采用容性补偿的屏蔽环路B中，通常在一侧屏蔽导体的中间位置安装接地线，在与接地点位置相对的另一侧屏蔽导体处串接补偿电容器。这样可使在输电线路故障时由线路故障电流中α分量和零序分量电流在屏蔽环路感应的环路对地电压最小另外可用氧化锌避雷器保护电容器。另一个需要考虑的问题是屏蔽环路导体的最小净距问题。尤其对于环路A、C和D的导体来说，最小净距是一个关键性的参数。安装屏蔽环路A、C和D时需要停电，而安装屏蔽环路B时不需要停电。环路A的安装位置几乎不会引起人们的注意，而环路B由于需单独安装支撑结构和屏蔽导体，因此会引起人们的注意，可能引起公众的负面反应。(六)无源屏蔽环路的建设费用

环路A和B的建设费用可粗略地估计出来，环路C和D的建设费用与环路A相当。表10-9给出在水平布置的400kV输电线路附近一个档距的范围内架设一个无源屏蔽环路所需的建设费用，其中，环路A的建设费用是作为新建线路预算的附加费用。表10-9水平布置的400kV输电线路一个档距(450m)内架设一个屏蔽环路所需的建设费用(元)项目屏蔽环路A屏蔽环路B无容性补偿时有容性补偿时无容性补偿时有容性补偿时导体费用支撑结构费用补偿和保护费用安装费用合计25507490--2700127403700797075028701529026009980---460017180373010640500473019600如果输电线路己经存在，则屏蔽环路A的建设费用会显著增加。在50m处，环路A每单位削减度的建设费用是屏蔽环路B的65%，如果屏蔽的范围少于一个档距，则屏蔽环路B的建设费用明显低于屏蔽环路A。而各种屏蔽环路的运行费用主要取决于功率损耗。

(七)有源屏蔽环路的磁场削减效果

有源屏蔽环路是依靠外部电源来调节屏蔽环路中的电流，从而可使ROW边缘处(x0，y0)的磁场削减度最大或使远离输电线路(x0→∞)的磁场最小。图10-39和图10-40给出了在某400kV三相导体水平布置且各种有源环路与无源环路位置相同的情况下，当分别使ROW边缘处和远离输电线路的磁场最小时，y0=1m处的磁场强度削减度的分布曲线。其数值计算结果如表10-10所示。

图10-39线路导体水平布置且各种有源环路与无源环路位置相同时磁场强度削减度的分布(x0=25m)图10-40线路导体水平布置且各种有源环路与无源环路位置相同时磁场强度削减度的分布(x0→∞)从图10-39和图10-40中可看出，所有位置的有源屏蔽环路都能使ROW边缘处及其远方区域内的磁场强度有显著的削减。从表10-10中可以看出，环路A和B的输入功率远比其他环路的小。因此，环路C、D和E不适合用作有源屏蔽环路。对比图10-39和图10-40可以看出：总体说来，采用使远离输电线路的磁场达最小的注入电流方案时磁场强度的削减度大于采用使ROW边缘处的磁场削减度最大的注入电流方案。

通过分析得出两种优化方案：(1)当使ROW边缘处的磁场削减度最大时采用有源屏蔽环路B。(2)当使远离输电线路的磁场达最小时采用有源屏蔽环路A。方案(1)需要的输入功率小且使ROW边缘处及其远方区域内的磁场削减度达60%及以上。方案(2)需要的输入功率小且使ROW边缘处及其远方区域内的磁场削减度达80%及以上。

(八)有源屏蔽环路和无源屏蔽环路的比较在ROW边缘处，有源屏蔽环路A和B的磁场强度削减度比相同位置的无容性补偿时的无源环路净增50%左右，但它们的运行可靠性和环路结构的牢固性相对较差，建设费用较高。

第四节工频电磁场的生物效应问题

一、工频电场的生态效应问题

(一)工频电场的安全标准限值

研究认为:生活在恶劣电磁环境中的人们，其健康会受到不同程度的损害，但损害的程度与电场的频率、强度、人体接触电场时间的长短以及个人身体素质等因素有关。国际非离子辐射防护协会(ICNIRP)导则及其它国际权威组织或先进工业国家对环境工频电场作了一定的限制。

1998年我国国家环保局发布了环境保护标准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》。该规范推荐了500kV等级的变电站输电线路设计的工频电场限值。详见表10-12。表10-12我国500kV变电站及输电线路工频电场限值

区域场强限值(kV/m)输电线路跨越农田9.5跨越公路7跨越或邻近民房4变电站配电装置区10运行人员操作区8配电装置围墙处5(二)工频电场的生态效应

(1)长期效应长期效应是从生物学和病理学的角度来研究人或动物甚至植物长期经常性的在高场强区的反映，如白细胞增加等。

研究表明:动物在40kV/m工频电场中时，其行为表现、血象、生化指标、脏器病理变化等未发现不良影响。我国第一条500kV平武线线路走廊中的实测场强值约为4.5～5.5kV/m，夏季6kV/m，比设计允许值低30％。该线路自1981年投运以来，有过对沿线居民健康带来影响的来信和反映，但通过查询，至今未发现居民身体健康伤害的事例。

对500kV线路变电站的工作人员作了8年的健康状况跟踪和工频电场对小学生智力影响的测定，结论是没有影响。在2000年5月卫生部组织的座谈会上，这些工作引起了WHO官员的极大兴趣。德国、美国、法国和瑞典等国病理学调查也表明，长期从事输电线路带电作业，或居住在超高压线路附近人员，电场并未引起特别的健康状况差异和变化。(2)暂态电击效应

暂态电击效应是指人体接触金属物时，在接触瞬间出现一小火花，同时在接触点会出现刺痛感。这种现象常发生在输电线下人接触汽车、晾晒衣服的铁丝、雨伞等金属物体的时候。

人们对“火花放电”的反应取决于开路电压及金属体对地电容，除与接触金属体的面积、部位等情况有差别外，还与每个人的心理因素及生理特点有关。由于对暂态电击的反应属主观评价，较难找到统一的标准。武汉高压研究所进行的触摸尖顶金属伞杆的感受试验结果见表10-13。一般认为在3kV/m场强下暂态电击是可以接受的。

表10-13尖顶伞感受试验结果(%)电场强度(kV/m)359感受程度无感受有感但不担心有轻微刺痛感有烦恼刺痛感46540017083040096近30多年来，国际上关于工频电磁场的生物效应研究非常热烈，研究方法主要是基于流行病学、动物实验和暴露量统计分析，所得出的结论存在很大的非一致性。由于缺乏对工频电磁场如何影响人体健康的根本机理的明确认识，因此至今仍未得出关于该论题的确定性结论。二、工频磁场生物效应问题

(一)工频磁场生物效应，暴露量及其不确定性

60年代，通过对电力系统工作人员调查，发现他们中失眠、头痛和呼吸道疾病比普通人群高，从而率先提出了工频电磁场健康影响的课题，并暗示电力设备附近高压电场会对人体健康构成一定的威胁。尽管这一论断在当时没有进一步被证实，但已足以引起全球对该课题的重视。在考察某一有害物质的流行病学影响时，首先应该了解患者受该物质影响的程度，我们习惯称之为暴露量。同样，在调查工频磁场的流行病学影响时，首先应该清楚研究对象的工频磁场暴露量，但这往往非常困难。

首先，对象的工频磁场暴露历史无法从人体组织中获得任何信息，只能采取询问的方式，但询问对象不可能清楚自己以前的工频磁场暴露历史，因为磁场既看不见也摸不着，只能靠以前的工作、生活环境参数作为替代量。

其次，环境磁场在不断地改变，同一个工作空间中，磁场分布极不均匀，即使是同一观察点，磁场因电力负荷改变也在不断改变。同时，人又在不断地移动。更关键的是，我们至今还不知道究竟是电磁场的什么特性直接构成对人体的危害。因此，随意选择评估量是不科学的，这一切的不确定性给工频磁场的流行病学研究带来很大困难。

(二)工频磁场生物效应机理的假设

(1)感应电流

交变磁场在人体中会产生感应电流，它可能会妨碍人体细胞的一些正常机能。但由于人体结构非常复杂，其中良导电体和不良导电体纵横交错，所以精确计算非常困难，而精确测量也不易实现。初步计算表明：当人体处于1μT的工频磁场中时，最大的感应电流为24.1μA／m2。这个电流非常小，和人体器官中自然生物电流相比，前者约为后者的1％，和能够使肌体组织产生反应的外部刺激电流相比，也非常小。因此有些科学家认为如此小的感应电流应该被比它大得多的背景电流所掩盖，不可能产生生物效应。

(2)瞬变效应作为对感应电流假设的补充，人们发现，突变磁场在人体中产生的感应电流有可能超过自然生物电流，从而产生生物效应。实验表明，突变磁场比缓变磁场更能有效阻止老鼠中松果腺的黑素细胞分秘。(3)共振效应

美国AbrahamLiboff将回旋加速器原理应用于生物组织，认为60Hz磁场和地球稳态场相作用能够加速穿越细胞膜的离子(如钙离子)的运动，但也有人对此表示疑问。

(4)直接磁场效应人们发现，有些细菌、鸟、蜜蜂、鱼等动物体中有一个很小的矿物质(很象磁铁)，它能够感知周围磁场的存在。美国Califonia工学院的JosephKirschvink对此作了长期的研究，发现蜜蜂能识别0.3μT的稳态场。但人体中是否存在这样的磁铁，它能否感应我们生活周围的弱磁场?还不得而知，有待探讨。

(三)学术界关于工频磁场流行病学研究的争论(1)工频磁场和儿童癌症

1979年Wertheimer-Leeper的一篇关于工频磁场和儿童癌症的研究报告基于在丹佛对儿童癌症的一项流行病学调查，发现一个比较特别的现象:这些得癌症儿童的生活环境，普遍靠近电力变压器或输电线路。

由此，他们首次提出以工频磁场为儿童癌症的研究对象，并提出电力输电线是工频电磁场的重要来源，认为工频磁场环境可能使儿童由于癌症而导致死亡的可能性提高2～3倍。在这项研究中，他们采用磁场评估法，即根据和电力设施的距离衡量工频磁场的暴露程度。

其后，有研究者对儿童癌症，尤其是儿童白血病和工频磁场之间的关系作了进一步调查研究后得出了类似的结论。在研究中，当环境磁场采用Wertheimer-Leeper的磁场评估法或Feychting—Alhbom的计算机模型法时，均得出生活在电力输电线附近的高磁场暴露儿童得癌症的危险性比普通儿童(低磁场暴露)大2～3倍的结论。而采用点测量法和全天跟踪法时，未能得出相类似的结论。无论是基于磁场的何种测量法，均未发现磁场和白血病之间存在有统计意义的联系。

另外，研究认为，工频电场和儿童癌症之间不存在任何联系。Wertheimer-Le