输变电工程电磁环境与噪声基础理论xin-张建功

输变电工程电磁环境与噪声基础理论张建功中国电力科学研究院二〇一五年五月2引子地球自身的磁场、电荷形成了地球自然的电磁环境；宇宙中各种射线、粒子等形成的辐射同时作用于地球，进一步加强了这个环境。为了进行通信、测量、检测、广播电视等目的，人类有意识的发射的各类无线电波，是人为的电磁环境；输变电工程是一种产生人为的电磁环境的设施，其电磁现象包括由带电导体产生的电场、载流导体产生的磁场、输电线路导线与变电站（换流站）母线等带电导体电晕放电引起的无线电干扰与电晕噪声、变电站（换流站）主设备运行产生的可听噪声等电磁环境3工频电场和磁场与电磁辐射和电离辐射引子4引子交流输电工程：工频电场、工频磁场、噪声、无线电干扰直流输电工程：合成场、噪声、无线电干扰、直流磁场、离子流工频电场工频磁场可听噪声直流合成场与离子流直流磁场无线电干扰无线电台站电磁干扰12345提纲67一、工频电场产生机理静电场$#$.+"#-((#7点电荷静电场特点：电场线开始于正电荷，终止于负电荷;电场线必须以直角进入理想导体;两条电场线不会相交；电场线的密度越大，电场越强。工频电场由输电线路或带电设备的电荷（电压）产生，随电压的变化而变化。一、工频电场产生机理一、工频电场计算输电线路工频电场的常用计算方法有等效电荷法、模拟电荷法、边界元法和有限元法等。等效电荷计算----电位系数矩阵；----第i导线的坐标，i=1，2，…，m；m为导线数；----分别为导线i及其镜像至观察点的距离9横向分布测试布点一、工频电场计算10对于距地面0～3m的空间，电场是近似均匀分布的，取离地1.5m处工频电场垂直分量来评价输电线路电场水平。一、工频电场特性11序号试验电压（kV）极板电压（kV）无雨有雨110.70.850.85212.00.960.96326.02.142.14440.13.423.42550.54.324.32在所施加的试验电压范围内，无雨和有雨条时的电极极板电压（空间的电位分布）是一致的。一、工频电场特性12电场稳定，不受环境气候影响，计算准确；最大值约在边导线附件；横向衰减快；容易屏蔽；测试时收湿度影响大。一、工频电场特性13一、工频电场影响直接感受:一是通过皮肤和毛发感知静电场力；二是通过流过人体的电流感知。暂态电击：电场中人与其带不同电位的物体接触时，发生火花放电，造成电击。长期暴露影响：工频电场可能会引起生物体内电场和电流的变化，生物体长期曝露于工频电场下对健康是否有影响。4kV/m依据能否完全消除不适感？静电感应14一、工频电场抑制措施改变导线布置方式：提高导线高度、逆相序排列、减小导线半径与分裂数、减小子导线分裂间距、减小相间距离等。屏蔽措施：屏蔽线、树木、墙体、电缆输电等。二、工频磁场产生机理工频磁场由导体中的运动电荷（电流）产生。二、工频磁场计算计算工频磁场时，理论上仍需要考虑导线的镜像，但是在很多情况下，只考虑处于空间的实际导线，忽略镜像导线的影响，其结果能满足工程需要。磁场强度：——导线中的电流，A；

h——导线对地高度，m；

L——导线对地投影至观测点距离，m。二、工频磁场特性磁场主要由电流决定；横向衰减快；屏蔽困难；精确计算；基本不会有超标情况。2输变电工程电磁环境2.3工频磁场生活中的电场、磁场工频磁场衰减很快人体每天磁场曝露水平二、工频磁场特性19二、工频磁场影响直接感受工频磁场与生物组织互相作用后的唯一实质影响是在体内产生的感应电场及电流，在生物体内感应出电流时，皮肤、神经和肌肉等组织会受到刺激，输电线路工频磁场在人体中感应的电流比我们体内自然产生的电流还要小。暂态电击：当平行于输电线路的长导体的一端接地时，另一端与大地之间将出现电位差，如果人体接触导体，可能受到暂态电击或稳态电击。长期暴露影响：工频磁场可能会引起生物体内磁场和电流的变化，生物体长期曝露于工频磁场下对健康是否有影响。100uT二、工频磁场抑制措施改变导线布置方式：高度、排列方式等。屏蔽措施：高磁导率材料（硅钢片、锰锌铁氧体）等。三、声环境声音的本质就是振动通过介质传递而形成的机械波，当振动频率在20-20000Hz时，作用于人的耳鼓膜而产生的感觉称为声音。声波是声源表面振动压缩、拉伸介质进而传播的波，因此没有介质就没有声音。介质的压缩引起声压增加，形成波形的正峰值、反之介质的拉伸形成负峰值。1.5声环境<20Hz

次声波20~20000Hz

可听声>20000Hz

超声波三、声环境23从物理现象判断，一切无规律的或随机的声信号叫噪声。但通常人们把生活和工作所不需要的声音就叫噪声。噪声的量度可分为两类，一类是描述声波的客观特性的物理量，即噪声的物理量度；另一类是考虑噪声对人听觉的刺激，从人耳的听觉特性出发，对噪声进行量度，即噪声的主观量度。噪声的强弱量度反映声音的大小，常用的物理参量包括声压、声强、声功率等，其中声压和声强反映声场中声的强弱；声功率反映声源辐射噪声能力的大小。噪声的频率特性通常采用频谱分析的方法来描述，用这种方法可以对不同频率范围内噪声的分布情况进行分析，反映出噪声频率的大小，即噪声音调高低的程度。对于噪声的衡量主要从强度和频谱分析两个方面进行：三、声环境三、噪声基本概念基本概念声压：由振动引起的介质压力在平均压力的基础上面变化的部分，或介质压强的变化量称为声压，单位是帕(Pa)。声压范围一般在10-5～106Pa之间，人耳听阈到痛阈：2×10-5Pa。某段时间内瞬时声压的均方根值称为有效声压P0=2×10-5Pa三、噪声基本概念基本概念声功率：声源单位时间辐射的声能量,单位为瓦。

声强：单位时间通过垂直声波传播方向的单位面积的平均声能量，为矢量，具有方向性，用I表示。一般的，某点声强可以表示为该点声压与其质点速度之积。W0=1×10-12wI0=1×10-12w/m226使用dB时必须注意到其基准量，采用不同的基准量就有不同的dB值。空气中基准声压为20uPa，水中基准声压为1uPa。三、噪声基本概念27日常生活中的声压、声压级对比图三、噪声基本概念基本概念声音计权:等响曲线记录不同频率下的纯音同等响度下的声压级曲线三、噪声基本概念耳对不同频率的声音反应不同使声压级不能反映人的主观反映根据等响曲线，选择几条有代表性的曲线，设计计权网络Ａ计权网络40方等响曲线的倒置，模拟人耳对低强度噪声的感觉Ｂ计权网络70方等响曲线的倒置模拟人耳对中等噪声的响度感觉Ｃ计权网络100方等响曲线的倒置模拟人耳对高强度噪声的响度感觉实际应用中，Ａ声级对强和弱的噪声都比较能够反映人的主观感受同时，与人耳的损伤程度也对应的很好。Ｂ、Ｃ应用范围窄三、噪声基本概念导线表面场强导线表面电晕起始强度Ec：电晕临界场强E0：经验常数，29.8kV/cm（峰值）m：导线表面系数，需要考虑表面状况；r0：导线半径(cm)；δ：相对空气密度；C1为经验常数，皮克发现其为0.301cm-1/2；

皮克公式（临界起晕场强）导线表面场强三、线路噪声机理与特性

架空输电线路电晕放电的主要影响因素导线表面状况皮克公式中的导线表面系数m，是表征导线表面状况所产生的不确定因素：（1）理想光滑的圆柱导线，在早期试验研究中使用的m取1；（2）干净的绞线，m值在0.5至0.85；（3）导线上额任何沉积物（昆虫、植物性物质、水滴、雪、冰）：m值0.3至0.6的范围；（4）极端条件下，比如热带雨林，近海地区，m值可以减小到0.2的低值。环境气候影响环境气候条件包括：环境温度、大气压力和湿度、风速和风向、以及降水的发生，比如雨雪。三、线路噪声机理与特性三、线路噪声机理及特性电晕放电：当导线表面场强高于起晕场强时，致使导线周围的空气发生游离放电并显现辉光和发出轻微的嘶嘶声的现象。架空线路导线噪声是指导线周围空气电晕放电时所产生的一种人耳能够直接听到的噪声，当输电线路导线的表面场强高于起晕场强时，导线会发生连续的电晕放电，产生较明显的噪声。可听噪声特性：宽频带噪声是由导线表面电晕放电产生的脉冲所引起。这种放电产生的突发脉冲具有一定的随机性。宽频带噪声听起来象破碎声、吱吱声或嘶嘶声，与一般环境噪声有着明显区别，对人们造成的烦恼程度起主导作用。纯音是由于电压周期性变化，使导线附近带电离子往返运动产生的嗡嗡声。对于交流线路，随着电压正负半波的交变，导线先后表现为正电晕极和负电晕极，由电晕在导线周围产生的正离子和负离子被导线以两倍工频排斥和吸引。因此，这种噪声的频率是工频的倍数，若电源频率为50Hz，对应100Hz的量最明显。三、线路噪声机理与特性34三、线路噪声机理与特性输电线路可听噪声特性输电线路产生的最大噪声水平出现在坏天气下，当下雨的水珠和湿的雪花积累在导线上，就形成了电晕源，这些电晕源是不连续的，每个电晕放电产生的声压波通过空气传播到测点，相位关系是随机的。这些随机性和高频噪声分量一起，引起了和高压线路可听噪声相联系的“噼啪”和“嘶嘶”声。在晴好天气时，交流线路的可听噪声较小；随着空气湿度的增加，导体起晕电压将降低，电晕放电增强，从而导致电晕可听噪声的增大。一般而言，大雨天气条件下的噪声比晴好天气下大15dB左右。但由于大雨天气时背景噪声很大，电晕可听噪声并不明显，而在下雨或大雾等相对湿度很大，背景噪声较小时，交流输电线的噪声比较明显。三、线路噪声机理与特性36三、线路噪声机理与特性对于直流电晕来讲，当线路电压超过了电晕起始水平，导体就开始持续电晕放电。好天气下的噪声能听得到，但是噪声水平很低。直流电晕噪声有一个特征，它发出间断的“噼啪”或者“爆裂”声，而不是交流线路坏天气下连续的噼啪声，而且是正极性电晕噪声占优势。在坏天气下（如雨雾等天气），导线表面因形成强烈电晕源导致单极性导体周围的空间电荷急剧增加，而这些电荷围绕在导体周围反过来又来限制导体表面的电场强度，所以，噪声较大的“电晕流注（coronasteamer）”同样受到限制，导致坏天气下的直流线路噪声比好天气下的要小，或在相当的水平。直流输电线路与交流输电线路不同，直流输电线路晴天时的可听噪声比雨天时的大。37三、线路噪声机理与特性三、线路噪声计算交流线路计算方法

三、线路噪声计算

直流线路计算方法

美国的BPA和EPRI，德国FGH，加拿大IREQ和日本CRIEPI等，但BPA的计算结果最接近于实测结果。三、变电（换流）站噪声源变压器噪声产生机理变压器噪声是由铁心、绕组、油箱（包括磁屏蔽等）及冷却装置的振动产生。a)硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动;b)绕组导体间产生电磁力而引起绕组的振动;c)漏磁通引起油箱壁（包括磁屏蔽等）的振动；d)括冷却风扇运转产生的空气动力噪声e)变压器本体振动传递给冷却装置并向外辐射的噪声。41三、变电（换流）站噪声源42变压器噪声特性：a)变压器声功率级随着系统电压等级的提高而增大；b)变压器本体噪声频率为100Hz基频及其整数倍，而冷却装置噪声频率为500~4000Hz中高频，频谱为二者叠加；c)声压级随离开变压器距离的增加而衰减。三、变电（换流）站噪声源电抗器噪声产生机理电抗器噪声是也由铁心、绕组、油箱（包括磁屏蔽等）及冷却装置的振动产生，与变压器类似。差别：a)电抗器磁通密度（约为1.4T）较变压器磁通密度（1.5~1.8T）小，铁心磁致伸缩引起的噪声相对较小。b)电抗器冷却风扇通常采用向下排风方式，冷却风扇功率低，产生的噪声比变压器风扇产生的噪声小。三、变电（换流）站噪声源44三、变电（换流）站噪声源45电抗器噪声特性：a)高压并联电抗器声功率级随电压等级和额定容量提高而增大；b)高压并联电抗器噪声能量主要集中在100Hz为中心的1/3倍频带，其他频段的噪声能量较小；c)声压级随离开变压器距离的增加而衰减，产生明显的干涉现象。三、变电（换流）站噪声源站噪声计算（soundplan）

噪声源、噪声传播衰减（地面衰减、空气吸收衰减屏障衰减、其他衰减）系数、接受区域。基础数据的导入：BMP，DXF，SHP文件声环境的建立：地势信息的输入及DGM的计算声环境的建立：墙，建筑物（障碍物），悬浮墙，地面情况，衰减区等的定义（从数据库创建/选择频谱数据）声源的设定：声源的类型，声源的位置，声源的大小，工业建筑（有噪声），公路，铁路的定义（从数据库创建/选择频谱数据）工业建筑从内向外的计算敏感点的设置（接收点），横截面的设置（接收线），计算区域的设置（接收面）三、站噪声计算三、站噪声计算三、噪声影响与电场、磁场，无线电干扰等的无声、无形、无影不同，可听噪声是一种人们听觉直接感受到的现象，所以更容易形成投诉的焦点问题。噪声生理影响噪声对睡眠的影响：40dB(A),10%人群可能受到影响；70dB(A),50%人群可能受到影响。噪声对睡眠的影响：超过85dB(A)可能造成听力损伤。对心血管系统、神经系统影响。噪声生理影响主要表现为主观烦恼，包括注意力不集中、记忆力衰退、思维能力下降等49三、噪声抑制措施线路降噪措施增加导线分裂数目和控制分裂导线间距；提高导线对地高度；同相序排列；增大相间距离；三、噪声抑制措施避让措施尽量选择对声环境质量要求较低的区域；

噪声源布置在站中央区域或远离站外声环境敏感目标的区域。三、噪声抑制措施声屏障，声屏障是一种专门设计的立于噪声源和受声点之间的声学障板，

它通常是针对某一特定声源和特定保护位置或区域(设计的）。三、噪声抑制措施隔声罩：隔声罩是用来阻隔设备向外辐射噪声的罩体，隔声罩通常是具有隔声“吸声”消声“阻尼”隔振和通风等功能的综合体。三、噪声抑制措施声源控制选用低噪声设备；

有源消声。负极性电晕放电在负极性电晕放电过程中，导线附近强电场中电离出来的正离子以相对缓慢的速度向导线运动，不断与导线上的电荷中和电离出来的电子在电场力作用下远离导线向外运动。在导线附近积聚大量负极性空间电荷，从而减弱导线附近的场强，使电离停止。此后，正离子逐渐向负极迁移使导线附近电场重新增强，电离再次上述过程不断重复，就形成了重复脉冲放电的现象。四、直流合成场与离子流产生机理55正极性电晕放电

导线附近强电场中电离出来的电子到达导线，在空间留下正离子。由于正离子的迁移率小，造成正离子的积聚，当积聚达到一定程度时，在导线附近产生足够大的反向电场，使电离停止。此后，正离子继续向外驱散，导线处电场又重新增强，重复上述过程。四、直流合成场与离子流产生机理相对负极性流注，正极性放电强度大，但频率低。四、直流合成场与离子流产生机理正极性起始流注负极性起始流注四、直流合成场与离子流产生机理标称场：当高压直流输电线路表面场强小于其起晕场强（不起晕）时，线路周围的电场由线路所带电荷决定，与所带电压成正比。直流合成场：当高压直流输电线路表面场强大于其起晕场强时，将其附近的空气电离，在其周围产生与其带电性质相同的空间电荷，标称场与空间电荷产生的电场矢量合成的总场强。58空间带电粒子在电场作用下产生的运动形成离子电流，称为离子流。通过单位面积的离子流称为离子流密度。交流输电线路导线附近的正负离子在交变电场的作用下，迁移距离较小；直流输电线路，导线电晕产生的离子，在直流电场和气流等因素的作用下，可迁移到百米外的区域。四、直流合成场与离子流产生机理计算方法

模型复杂，采用数值计算方法。1）模拟电荷法2）有限差分法3）有限元法

四、直流合成场与离子流计算计算方法一般根据Deutsch架设：1）忽略导线周围电离层的厚度；2）空间电荷只影响电场的强度而不影响场的方向；3）正、负电荷的迁移率为常数；4）起晕导线表面场强保持为常数，等于起晕场强；5）导线表面电荷恒定；6）导线电晕电流恒定；7）电晕电流是场强的某一函数。四、直流合成场与离子流计算（1）（2）（3）（4）（5）（5）四、直流合成场与离子流计算四、直流合成场与离子流计算四、直流合成场与离子流特性直流合成电场和离子流特性

合成场强和离子流是高压直流输电的特有现象，也是与交流输电环境影响的重要差别之一。1、合成电场与分裂数、子导线直径、极导线间距和导线对地高度、导线表面状况2、合成场与离子流的横向分部相似，正极性下方为正值、负极性下方为负值，极距中央为零；3、合成场与离子流远离极导线衰减较快；4、合成场与离子流受环境气候影响大；5、合成场与离子流随着海拔的升高而增加；

64四、直流合成场与离子流特性四、直流合成场与离子流特性66海拔4750m的沱沱河试验现场

四、直流合成场与离子流特性基本没有电场变化产生位移电流的现象，人曝露在直流电场中，在体表会产生感应电荷，人体内部的合成电场强度几乎为零，直流电场对人体内部几乎没有影响。人体表面产生的感应电荷达到一定程度后，与皮肤作用，会对皮肤产生刺激感，即所谓直接感受。人在直流电场中会在体表产生感应电荷，当人接触接地金属体时，电荷会通过接地体放电；离子遇到对地绝缘体，将附着在该物体上使其带电，人接触该物体时，该物体上的电荷可能会通过人体流入大地。四、直流合成场与离子流影响线路设计：增加分裂数；增大子导线半径；增大极导线间距离；提高导线高度。四、直流合成场与离子流抑制直流磁场的产生与交流输电线路产生的工频磁场的机理相同，即电流产生磁场，直流磁场是仅由两个相反方向流动的电流产生。

五、直流磁场产生机理五、直流磁场计算计算方法五、直流磁场特性五、直流磁场特性线下地面的磁场与地磁相当；横向衰减快；

人体内的血液流动和神经传递都可以看作是电荷的运动，因此会受外界磁场的影响。直流磁场对血液流动的影响：位于直流磁场内血液中流动的离子会受到洛伦兹力的作用而向血管壁运动；洛伦兹力的作用还会使离子向血液流动相反的方向运动，而当外界磁场达到15T时，可以阻碍10%的血液流通。直流磁场对动物及细胞的影响：试验的磁感应强度范围从mT到T量级。没有试验表明动物曝露在静磁场中会产生慢性影响，更没有产生与癌症有关的影响。直流磁场对神经的影响：表明当磁感应强度达到4T及以上时，试验用老鼠会产生不适感地球上大部分地区的磁场为20~70μT，我国为40~60μT。直流线路在额定电流下运行，线下地面的磁场与地磁处于同一数量级，不会对健康产生影响。73五、直流磁场影响74五、直流磁场抑制措施改变导线布置方式：高度、排列方式等。屏蔽措施：高磁导率材料（硅钢片、锰锌铁氧体）等。六、无线电干扰产生机理及特性输电线路的无线电干扰主要由导线、绝缘子或线路金具等的电晕放电产生。电晕形成的电流脉冲注入导线，并沿导线向注入点两边流动，从而在导线周围产生磁场，即无线电干扰场。由于高压架空输电线路的导线上沿线“均匀地”出现电晕放电和电流注入点，考虑其合成效应，导线中形成了一种脉冲重复率很高的“稳态”电流，所以架空输电线路周围就形成了脉冲重复率很高的“稳态”无线电干扰场。其单位一般为dB(uV/m)。76正极性极导线电晕强于负极性导线电晕，因此在实际测量或计算中一般只考虑正极性导线电晕。直流电晕现象因天气变化情况与交流相反，晴天时大，雨天时小。无线电干扰的场强随着离开线路横向距离的增加而迅速衰减。六、无线电干扰产生机理及特性77六、无线电干扰产生机理及特性0.5MHz（SOS）作为无线电干扰评价频率。六、无线电干扰计算交流输电线路直流输电线路经验公式（分裂数≤4）：激发函数（分裂数>4）:六、无线电干扰影响广播接受的影响：由于交流输电线路电晕产生的无线电干扰频段正好位于调幅广播频带（535~1605kHz）,可能收音机接受质量产生影响，达到良好收听效果的允许信噪比为26dB。电视接