高壓直流輸變電項目電磁環境監測探討

摘 要：目前國內環境監測機構對交流輸變電項目電磁環境監測已有深入研究和豐富的實踐經驗，但對近幾年發展較快的高壓直流輸變電項目電磁環境監測技術的研究和確立仍處于起步階段。文章從分析直流電磁環境影響因子入手，結合現有監測和管理標準方法，對高壓直流輸變電項目的電磁環境監測進行了探討，以提供一個可行的直流電磁環境監測技術框架。

關鍵詞：高壓直流；電磁環境；監測；標準；儀器

前言

保護環境是我國的基本國策。從我國制定的《國家環境保護“十二五”規劃》可以看出，目前我國核與輻射安全風險增加，人民群眾環境訴求不斷提高，突發環境事件的數量居高不下，環境問題已成為威脅人體健康、公共安全和社會穩定的重要因素之一[1]。電磁環境管理是核與輻射環境管理中的一項重要任務，也是當前群眾環境訴求最為集中的領域之一，電磁環境監測則是電磁環境管理的重要組成部分和技術支持。隨著高壓直流輸電工程項目的增加，有必要對直流電磁環境監測技術進行研究，切實提高監測水平和監管能力。文章對高壓直流輸變電項目電磁環境監測因子、方法和儀器等方面進行了分析和探討，以為環境監測機構建立直流電磁環境監測技術框架提供借鑒。

1 我國電磁環境監測現狀

當前，我國電磁環境的環保監測任務、尤其是驗收監測主要由各地輻射環境監督（監測）站承擔。國家環境保護部（原國家環境保護總局）為指導和規范全國各級輻射環境監測與監察機構能力建設，曾于2002年和2007年，發布并完善了全國輻射環境監測與監察機構建設標準，體現出輻射環境監測在我國環境保護管理中的重要性。經過近三十年的發展，各地輻射監測機構和技術人員都已掌握了較為豐富的電磁環境監測方法，尤其是針對高壓交流輸變電項目的電磁環境監測，已形成一套非常成熟的監測技術體系和方案。

直流輸電技術發展起于1882年，1987年我國首個全部采用國內技術的舟山直流輸電工程投入運行[2]。自2005年開始，隨著我國國內對高壓直流輸變電技術研究的不斷深入，直流輸電項目立項和建設也開始進入了高峰期。2009年，世界上第一個800kv直流輸變電工程在我國實現。高壓直流輸變電工程在我國建設起步較晚，目前對其合成場強、直流磁場等的環境影響研究尚不充分[3]，相關的環境監測和管理標準尚未完全建立，因此各地電磁環境監測機構、包括輻射環境監督（監測）站普遍缺乏相應的監測經驗，監測技術體系尚未形成。

2 高壓直流輸變電項目電磁環境影響因子

高壓直流輸變電項目一般由換流站、輸電線路（文章研究主要針對架空線路）和接地極三部分組成，三者均會帶來一定的電磁環境影響。

2.1 換流站

在直流輸電系統中，完成交、直流電相互變換功能的站體統稱為換流站。其中，將直流電變換為交流電的換流站稱為逆變站，將交流電變換為直流電的換流站稱為整流站。

換流站電磁環境因子包括：直流合成電場、離子流密度、直流磁場、工頻電場、工頻磁場和無線電干擾。

直流母線是換流站直流電磁環境影響的主要污染源，污染因子包括合成電場、離子流密度和直流磁場；另外，換流站內其他帶電導體發生電暈后也會對合成電場和離子流密度產生一定的貢獻。各類交流設備是換流站交流電磁環境影響的污染源，污染因子包括工頻電磁和工頻磁場。換流閥和交直流電氣設備則是直流換流站內造成無線電干擾的主要污染源。

2.2 輸電線路

高壓直流輸變電項目的輸電線路用于將直流電自送端換流站輸送至受端換流站，除不含直流輸電線路的背靠背直流輸電系統外，一般情況可根據輸電線路的形式將直流輸電系統分為單極和雙極兩種類型。

單極系統運行的可靠性和靈活性不如雙極系統好，因此直流輸電項目普遍采用雙極系統的接線方式，我國三峽至常州、廣東、上海的直流輸電線路均采用該種接線方式[4]。

與換流站中直流母線類似的，直流輸電線路對其周圍環境的主要污染因此包括合成電場、離子流密度和直流磁場；在輸電過程中，由于電暈的存在，直流線路同樣會對周圍環境產生無線電干擾。

2.3 接地極

接地極（包括引線）是直流輸電系統中一個特殊的線路部分。當直流輸電系統以雙極模式運行時，接地極起鉗制換流器中性點電位的作用，無電流通過；當直流輸電系統以單極大地回線或是雙極不對稱運行時，接地極不但過著鉗制換流器中性點電位的作用，而且還為直流電流提供通路[5]。

接地極中有直流電流通過時，一方面其引線相當于一回直流輸電線路，會對周圍產生合成電場、離子流密度、直流磁場以及無線電干擾等電磁環境影響；另一方面，接地極將直流電流注入大地的特殊作用，會在極址周圍形成一個穩定直流場，使得大地電位提高，對環境的直流磁場影響最為明顯，同時出現跨步電壓和接觸電動勢可能會影響人畜安全。

3 直流相關電磁環境監測標準

目前，國內直接適用直流輸變電工程電磁環境監測相關的標準方法主要有：

（1）《直流換流站與線路合成場強、離子流密度測量方法》（DL/T 1089-2008）

該方法適用于800kv及以下、正常運行條件下的換流站和直流輸電線路的合成場強、離子流密度的測量。

（2）《高壓架空輸電線、變電站無線電干擾測量方法》（GB/T 7349-2002）

該方法適用于電壓等級為500kv及以下正常運行的高壓架空送電線、變電站、頻率范圍為0.15～30MHz的無線電干擾測量。

針對換流站中的交流部分，則可將以下兩項標準作為監測參考方法：

（1）《高壓交流架空送電線路、變電站工頻電場和磁場測量方法》（DL/T 988-2005）

該方法適用于所有電壓等級的交流高壓架空送電線路和變電站。

（2）《交流輸變電工程電磁環境監測方法（試行）》 （HJ 681-2013）endprint

該方法適用于110kv及以上電壓等級的交流輸變電工程，其他電壓等級的交流輸變電工程電磁環境監測可參照執行。

上述監測方法中除HJ 681-2013外，其他三項監測方法是由國家電力公司/國家電網公司或中國電力企業聯合會提出、武漢高壓研究所起草制定的。而從當前國家環境保護主管部門標準制定規劃來看，短期內最有可能出臺的電磁環境保護相關標準是《電磁環境公眾曝露控制限值》，該標準是針對現有標準《電磁輻射防護規定》（GB 8702-88）的修訂，但卻不包括針對直流電磁環境管理的限值。其修訂說明在“修訂原則”部分明確提出采取了“回避原則”，即“回避了直流輸變電等法規及研究尚無定論或爭論較多之處”[6]。因此，可以預計近階段不會有進一步的直流輸變電工程電磁環境監測標準方法出臺。

4 直流相關電磁環境監測因子確定

接地極極址在事故狀態、單極大地回線或雙極不對稱運行等特殊情況下，會造成跨步電壓、接觸電壓和轉移電壓，并由此可能對電信系統、交流電力系統和埋地金屬管道造成的影響[2]。該部分影響應由項目建設單位根據《高壓直流輸電大地返回運行系統設計技術規范》（DL/T 5224-2005）的規定嚴格設計，保留充分的余地，確保安全。投運后定期檢查，加強在線監測，及時掌握接地極工作狀態。在這種情況下，認為接地極部分可以不列入直流輸變電項目的電磁環境監測對象范圍內。

結合前文對高壓直流輸變電項目電磁環境影響因子綜合分析可以總結認為，該類項目正常運行期間，項目整體對周圍環境造成的電磁影響主要包括合成電場、離子流密度、直流磁場、工頻電場、工頻磁場和無線電干擾六個方面。

經分析并結合工作實踐認為，將合成電場、工頻電場、工頻磁場這三項作為高壓直流輸變電項目的電磁環境監測因子最為適當，離子流密度、直流磁場和無線電干擾這三項則僅作為技術指標研究和控制，不列入電磁環境的監測范圍。原因如下：

（1）人在直流輸電線路下會同時受到離子流和電場的作用。當人在直流輸電線路下截獲離子流后，被截獲的離子流會通過人體入地。有研究表明，要得到同樣的感受，流過人體的直流電流要比交流電流大5倍以上；而人在直流輸電線路下截獲的電流又比能感覺的臨界值小兩個數量級。因此，人在直流輸電線路下截獲離子流一般不會有感覺。有學者試驗后認為離子流帶來的空間電荷不會在人或動物身體表面產生聚集，不會影響人或動物健康[7]。但整體而言，目前對離子流可能造成的生物效應尚無定論[8]。另外離子流場與直流導線本身產生的靜電場（標稱電場）疊加形成合成電場，表明離子流場的環境影響在合成電場中已有所體現，且兩者基本呈現相同的變化規律，因此離子流密度可不單獨作為一項電磁環境影響因子開展監測。

（2）直流磁場屬于靜磁場。從全球地磁場的分布情況來看，大部分地區的地磁場水平范圍為20～70μT，我國為40～60μT。研究表明，即使對于電壓等級為±800kv的高壓直流輸電線路而言，在極導線距地高度取18m的情況下，其線下地面最大磁感應強度也小于45T；另外，磁感應強度隨距離增加迅速衰減，換流站邊界外水平更低。對于接近或小于地磁場水平的靜磁場，人類早已習慣，不會影響人的健康；否則，人類在地球上生存都成問題[2、9]。因此，認為直流磁場可不作為高壓直流輸變電項目必要的電磁環境監測因子。

（3）是否應將無線電干擾監測列入輸變電項目電磁環境監測因子的爭論由來已久。持支持意見方主要考慮高壓直流輸變電項目造成的無線電干擾會對附近的通信、廣播節目等造成影響，認為實施監測是必需的。但從開展高壓交流輸變電項目無線電干擾監測實踐經驗來看，建議不將其作為高壓直流輸變電項目的電磁環境監測因子：

首先，無線電干擾測量地點選擇困境。無線電干擾的影響作用主要是對各類電子設備而非對人。GB/T 7349-2002中規定了無線電干擾的測量地點應選在“地勢較平坦，遠離建筑物和樹木，沒有其他電力線和通信、廣播線的地方”。符合條件的監測地點在城市或近郊幾乎不存在，而城市或近郊正是公眾對項目環境監測最為關注的區域；反之，符合上述監測條件的區域一般遠離公眾生活區，在該類區域內開展無線電干擾監測意義不大。

其次，從無線電干擾的影響對象和影響程度來看，近年來，中、短波頻段的無線電廣播收聽已不再是居民廣泛關注的問題，收聽率大幅降低，輸變電項目無線電干擾對公眾生活的影響程度和范圍均已很小。1994年10月22日，國家無線電管理委員會辦公室發布了《無線電監測和干擾處理程序（試行）》（國無辦監[1994]181號），規定了“監測各種干擾，對其進行分析，提出處理意見”是各級無線電監測站常規監測的一項任務。因此，當直流輸變電項目產生的不確定性較大的無線電干擾對廣播、電視、通信等造成影響時，可由當地無線電監測站監測分析，由無線電管理部門依法進行處理，不會因該項目未被列入環保部門的電磁環境監測范圍而形成管理缺失，造成嚴重環境污染和干擾。

再次，無線電干擾測量結果受環境背景水平影響較大。由于影響的相互性，廣播信號以及其他通訊設施、電子設備都會對無線電干擾測量帶來影響，進而對這一電磁環境監測項目的結果評定造成干擾。

最后，無線電干擾主要是因換流閥和直流導線等電暈放電造成的，與其同因產生的還有一項非文章討論范圍內的污染因子--可聽噪聲，二者機理、規律均有相似之處。鑒于環境噪聲監測技術和方法已非常成熟可靠，可以將可聽噪聲作為項目必需的監測因子和重點管理目標，通過對噪聲現象的抑制和改善，同樣有助于降低輸電線路的無線電干擾水平。

2013年1月6日，環境保護部曾發辦公廳函（環辦函[2013]12號），向各省、自治區、直轄市環境保護廳（局），環境保護部核與輻射安全中心，環境保護部輻射環境監測技術中心，國家電力監管委員會，國家電網公司，中國南方電網有限責任公司征求對《環境影響評價技術導則 輸變電工程（第二次征求意見稿）》和《建設項目竣工環境保護驗收技術規范 輸變電工程（第二次征求意見稿）》的意見。從上述兩項技術規范制定中的情況來看，直流磁場、離子流密度和無線電干擾在第二次征求意見稿中未被列入直流輸變電工程電磁環境評價和驗收范圍內。endprint

綜上分析認為，高壓直流輸變電項目必要的電磁環境監測因子為合成電場、工頻電場、工頻磁場三項，其監測方法最為成熟完整，污染源項易于判定，監測結果易于評價，且基本覆蓋直流輸變電工程的主要電磁環境污染因子，已能夠較為充分滿足該類項目電磁環境影響的管理需要。

5 監測方法和儀器

合成場強的測量方法和對測量儀器的基本要求在DL/T 1089-2008中已明確，其中值得注意的幾點是：

（1）測量的是地面合成場強，測量儀器應直接放置在地面上，探頭與地面間的距離應小于200mm，接地板應良好接地。

（2）風速對高壓直流輸電線路下方合成場強的影響極大。因正負離子在電場作用下的遷移速度和風速相比，屬同一數量級，即使是很小的風，帶電離子運動的隨機性也很大，將會使合成電場分布發生畸變[10-12]，因此方法規定了測量必須在風速小于2m/s條件下進行。

（3）合成場強測量受自然環境影響較大，使得測量數據的分散性也較大，因此方法規定了每個測點每次測量數據不少于100個，且應用累計概率法進行數據處理。

據了解，目前國內僅有武漢高壓研究所和北京森馥科技有限公司等極少數單位進行了高壓直流地面合成場強監測設備的研發工作。2013年，我單位根據需要購入了北京森馥科技有限公司開發的HDEM-1直流合成場強檢測系統。HDEM-1直流合成場強檢測系統采用引進自加拿大博泰公司的測量探頭，并由北京森馥科技有限公司根據DL/T 1089-2008進行了數據采集、傳輸、分析處理系統的二次開發和集成，能夠充分滿足測量方法對合成場強檢測儀器的要求。

我單位在引進HDEM-1直流合成場強檢測系統前，曾赴昆明特高壓直流試驗基地對系統的監測性能進行了驗證實驗，實測數據與理論估算值具有較好的一致性，基本能夠滿足環境監測的需要，為電磁環境管理提供數據支持。

對于工頻電場和磁場的監測，僅涉及換流站周圍。監測儀器方面，國內使用最為廣泛的是意大利PMM公司提供的工頻儀。目前，其已與德國NARDA公司合并同屬于美國L-3 Communications，最新推出的工頻電場、磁場監測儀器是EHP-50D（探頭），可配套NBM-550主機或通過配套EHP-TS軟件連接PC開展監測。

鑒于各電磁環境監測機構對交流輸變電項目電磁環境監測已有豐富的實踐經驗，文章不再進行深入討論。建議以HJ 681-2013作為監測的主要依據，在換流站交流側圍墻外適當增加測點、并設置監測斷面。在測量和儀器選擇方面，應重點注意以下兩點：

（1）工頻電場監測結果受環境濕度影響較大，因此監測時環境溫度應在80%以下，工頻電場監測儀器探頭支架應用不易受潮的非導電材質。

（2）監測結果應選用儀器的方均根值讀數。

6 結束語

伴隨著經濟發展和技術水平的提高，我國已經進入環境風險高發期。環境監測工作是環境保護工作的重要基礎和支持力量，環境監測水平直接關系到環境管理的科學化程度。高壓直流輸變電項目是一種新興的輸變電方式，針對其開展電磁環境監測有助于及時、準確掌握項目運行過程中環境污染的實際情況，為保護公眾利益提供科學依據。高壓直流輸變電項目的電磁環境監測，對保護環境、促進電力項目可持續發展具有重要意義。我國有必要通過研究建立一套包括環境評價、預測、監測和管理等，較為全面且具針對性的環境標準體系；對全國各地的環境監測機構而言，根據高壓直流輸變電項目特點形成完善的監測體系和熟練掌握監測技術方法則是當前工作的重中之重。

參考文獻

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作者簡介：陳偉（1981，12-），男，籍貫江蘇，工程師，目前主要從事電磁和電離輻射環境監測和管理工作。endprint