輸變電設施電磁環境影響機理研究

王冠，蔣忠湧，翟國慶

(1.環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082；2.北京交通大學，北京 100044；3.浙江大學，浙江杭州 310012)

輸變電設施電磁環境影響機理研究

王冠1，蔣忠湧2，翟國慶3

(1.環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082；2.北京交通大學，北京 100044；3.浙江大學，浙江杭州 310012)

從物理概念論述了產生電磁輻射的必要條件是系統必須存在位移電流，且在空間形成開放結構，由此形成輻射場。電磁場理論研究證明，時變場源在其表面鄰近空間形成感應場。以上述分析結論與輸配電設施的線路架設方式、工作頻率和線路電長度等實際結構型式對應比較，論證了輸變電設施不是以電磁波形式向空間傳送能量，而是通過電磁感應對周圍環境產生影響。

電磁場；位移電流；輻射場

國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)在《限制時變電場、磁場和電磁場曝露的導則(300 GHz以下)》中指出：在1 Hz～10 MHz頻率范圍內，為防止對神經系統功能造成影響，基本限值主要是感應電流密度[1]。交流輸變電設施的工作頻率為50 Hz(簡稱工頻)，是極低頻的電磁場，其電磁環境影響應是基于準靜態場的電磁感應現象[2-3]。本文從電磁場理論分析出發，結合實際監測數據，對輸變電設施對電磁環境影響的機理進行研究，說明其對環境的影響是感應場而非輻射場。

1 電磁輻射的必要條件

根據電磁場理論，電磁輻射的必要條件為：具備位移電流和位移電流充分曝露于空間。

1.1具備位移電流

位移電流即是變化著的電場，表達式為ε·?E/?t。其中，ε為介電常數，如在低層大氣空間中可看作是均勻的理想媒質，則它等于真空的介電常數值ε0=1/36π×10-9F/m。位移電流根據空間中傳播的麥克斯韋(Maxwell)電磁方程組導出。Maxwell電磁方程組為：

(1)

式中，E和H分別表示電場和磁場矢量。上述方程等式的左側表示形成的交變磁場，右側表示產生的交變磁場的源，因為磁場是電流產生的，所以稱公式右側為位移電流，它在實際空間電磁場中表現為閉合電力線。位移電流所產生的磁場和傳導電流(金屬導體中電子定向流動形成的電流)產生的磁場作用是相同的。按傳導性質而言，媒質和空間是位移電流的“導體”，它在媒質和空間傳播的性質與傳導電流沿導體傳播的性質相似。正是由于電磁輻射中保持了傳導電流和位移電流的連續性，實現了電磁能量在空間(媒質)不需導線傳播的可能性。

1.2位移電流充分曝露于空間

可從下列兩種情況進行電磁輻射分析。圖1表示一對導線間距為d、終端開路的平行雙導線(d?r1，d?r2)。當其始端接入高頻電源U后，在導線上流有高頻電流I，此時導線間形成位移電流，圖1中以某一觀察時間t的電力線E表示。由于電路的連續性特性，電力線主要集中在兩導線間的空間。對于導線以外空間的輻射場可以通過空間任一觀察點A所受輻射強度來分析。如圖1所示，在平行雙導線上選取1與2對應段，由于d?r1、d?r2，則r1與r2近似相等，而流過1與2線段的電流則等值、反相(流向相反)，由此分別在A點產生的輻射場也量值相等、相位相反，合成結果互為抵消。所以，理想狀態下，平行雙導線周圍空間不存在輻射場。

圖1 平行雙導線的電場分布Fig.1 Electric field distribution of two parallel transmission lines

圖2是將圖1中的平行雙導線在距終端L處，導線分別向上、向下彎折90°的情況。此時，L線段的電流流向由原來的反向變成了同向(在圖2中示為均向上流動)，同時由L線段所形成的電力線(位移電流)已曝露于空間。如此的變化使得1與2線段分別在A點產生的輻射場成為等值同相位，合成的結果是兩者的相加。同時，由于位移電流隨著高頻電源U的時間變化漸入空間，形成了電磁輻射。由此可知，上述過程的完成關鍵，即是位移電流具有能夠充分曝露于空間的開放性結構[4]。

圖2 平行導線終端分開后的電場分布Fig.2 Electric field distribution after separating two parallel transmission lines

2 電磁輻射的原理分析

公式(1)給出了電磁輻射中兩個重要的理念：引入了位移電流概念和變動的電場可以產生磁場。關于磁場和電場的關系則由電磁方程組的另一公式給出，如式(2)所示：

(2)

式中，μ為介質的導磁系數，在低層大氣空間中等于真空的導磁系數值μ0=4π×10-7H/m。公式(2)表示了隨時間變化的磁場產生電場，而公式(1)表示了隨時間變化的電場產生磁場。綜合兩者就形成了時變電場產生磁場、時變磁場又產生電場，在時變電磁場里，電場和磁場是不可分割的，只要有任何電或磁的擾動發生，就會產生一連串電與磁的交替變換，如此不斷地連續變換。變動的電場產生變動的磁場，此磁場不但存在于變動的電場的原范圍內，還存在于鄰近的介質內。在原范圍內變動的場也在它附近范圍內產生新的場，于是能量便被傳播到遠處，上述過程即是電磁波的輻射。

圖3表示了電磁輻射的原理，給出了輻射體右側空間電場的變化情況。輻射體中心饋以交變電流i(t)，如圖3下方所示的正弦周期信號。當t=t1時，電流i(t)由零逐漸增大，輻射體上下臂間電場E隨之增強也漸傳向空間；當t=t2時，電流增大到振幅值(最大值)，臂間E值達到最大；當t=t3時，電流值減小，使E由最大值隨之變弱、電力線彎向饋電端；當t=t4時，電流值減小至零，電場隨之消失，電力線成為脫離輻射體傳播的封閉形狀；當t=t5時，電流達到反向振幅值，輻射體側出現了類似于t2時電場分布，但由于電流反相導致電場方向也發生反向；當t=t6時，則反向電流由最大值變化為零，電場完成了由t2至t4時段的類似變化過程，但封閉電力線的轉向是逆向的。隨著i(t)的周期性變化，其輻射體側將不斷產生變化著的封閉電力線，變化著的電場與變化著的磁場間的交鏈轉換隨時間連續傳向遠方，完成了電磁能量的傳播，這就是電磁輻射過程的機理。由于輻射的對稱性，圖3中輻射體的左側也發生著相同的輻射過程，輻射的電磁能可達到輻射體周圍的全部空間，實現全向輻射。有時為了需要，可采取電氣或結構上的改造，達到電磁能集中向某一方向或特定區域輻射，則為定向輻射。

圖3 電磁輻射原理圖Fig.3 The schematic diagram of electromagnetic radiation

3 影響電磁環境的要素

電磁輻射必定會向輻射體鄰近空間輻射電磁能量，致使該區域電磁環境發生變化，其中導致其變化的因素主要有：頻率和電磁輻射強度。

3.1頻率

由公式(1)與公式(2)可知，時變電磁場中變化的電場、磁場均與時間變化率(?/?t)相關，變化速率高有利于轉換能量的增強。位移電流(ε·?E/?t)也與時間變化率密切相關，如穩定的直流電流，其隨時間變化率為零，不能形成位移電流，因而無電磁輻射現象。同樣，流有工頻(50 Hz)電流的導體，也由于其時間變化率很低而不能有效進行電磁輻射。所謂時間變化率通常即為每秒內周期性信號重復出現的周波數，定義為頻率。顯然在相同的電磁能量下，射頻的電磁輻射效應優于低頻，這也就決定了電磁環境影響的差別。

3.2電磁輻射強度

毋庸置疑，電磁輻射強度決定著電磁環境的增量，它與輻射體上的電流分布密切相關。由以上分析可知：終端開路的平行雙導線將其終端導線相向分開后，當始端饋以交變電源后，即可在分開的導線間產生電磁輻射現象。

根據傳輸線理論，由開路導線終端電流為零、導線上各點電流呈駐波分布的情況，可畫出不同彎折長度L上的電流分布。電磁輻射強度與電流分布密切相關，當饋入正弦信號電流時：L?λ/4(λ為波長)時，上下臂上的電流處于正弦信號零值點，量值很小，可將此時的正弦分布近似為直線分布；L<λ/4時，臂上電流呈正弦規律增大；L=λ/4時，饋電電流達到振幅值(最大值)，稱為電流諧振狀態，饋電的輸入阻抗為純電阻性，理論值為73.1 Ω，可以與特性阻抗為75 Ω的同軸電纜直接相接，實現阻抗匹配下最大能量的傳輸。由于上下臂對稱，且2L=λ/2，故稱為半波對稱振子，其可以單獨應用，也可經過變形或組合成振子陣作為電磁輻射天線。L>λ/4時，輸入端電流由振幅值減小，輸入阻抗呈現感性，因與饋源的阻抗失配引發傳輸能量的附加損耗；L=λ/2時，饋端電流為零，表示輸入阻抗理論值為無窮大，無法實現與饋源間的阻抗匹配連接，饋源傳送給振子的電磁能量將絕大部分被反射回饋源，不能形成有效輻射；L>λ/2時，振子臂上出現反向電流，其在空間產生的電磁場將抵消正向電流形成的電磁場，結果是降低了輻射場強度，這是不希望出現的，在輻射場中應絕對避免。從振子臂上電流分布與輻射效能的關系可確定應用半波對稱振子的必然性。

4 工作狀態的比對

4.1輸配電線路的架設形式

通常配電線路采用平行雙導線(單相供電)供電方式，則由上述圖1的分析可知，場的干涉效應使在其周圍空間不產生輻射的電磁場。又如輸電線路采用三相制(三相式供電)供電方式時，由于各相間相位差為120°，任意兩相輻射場的合成矢量與第三相矢量必為反相，如果負荷均勻、電流相等且不考慮導線表面電暈放電產生的無線電干擾，也可得到理想情況下的零輻射。由此可知，輸配電線路的架設方式決定了電能只能束縛于導線之間，不能形成電磁輻射場[5]。

4.2輸配電線路的電長度

以圖2所示平行導線終端分開后的電場分布構建了振子臂長為L，其上為正弦電流分布的對稱振子電磁輻射單元，分析可知，振子臂末端的電流值為零，且隨趨向振子臂中心而呈正弦規律增大。為直觀表達線路實際長度與工作波長的關系，引入“電長度”的概念，其定義為線路實際長度L(在此即為振子臂長)與工作波長的比值L/λ，當此值為1/4時具有最佳輻射效果。交流輸變電工程頻率為50 Hz，簡稱工頻，波長為6000 km，顯然輸配電線路電長度值遠小于此值，鑒于振子(線路)上電流分布很小，也就不能形成有效的電磁輻射。

4.3工頻(50 Hz)

電磁場方程公式(1)、(2)中引入的位移電流概念，以及時變電磁場中電場和磁場的交互變換特性，奠定了電磁輻射理論的基礎，其中形成電磁輻射的因素是電場和磁場隨時間的變化率(?/?t)，即場源的工作頻率。頻率越高，如射頻，則?/?t速率就快，形成的交變電場和磁場就越強。若?/?t為零，即直流輸變電設施，則不可能形成電磁輻射。交流輸變電設施的工作頻率為50 Hz，在廣闊的電磁波頻譜中，已接近于零頻狀態，相較射頻而言，已屬準靜態場。因此，其電磁輻射效應可以忽略[6]。

5 實測數據的比對

本文對1000 kV浙北—福州特高壓交流工程和750 kV哈密—安西輸變電工程電磁環境進行了監測。監測方法采用《交流輸變電工程電磁環境監測方法(試行)》(HJ 681—2013)和《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)。監測路徑以線路檔距邊導線弧垂最大處地面投影點為測試原點，沿垂直于線路方向進行，邊導線外20 m以內測點間距為1 m或2 m，邊導線外20 m以外測點間距為5 m，探頭距地面1.5 m，測至背景值為止。監測儀器和輸電線路運行工況符合監測技術規范要求。

圖4、圖5為兩項工程實測結果。從圖4、圖5可以看出，輸電線路工頻電場強度隨著與邊導線間距的增加呈迅速減小趨勢，工頻磁感應強度也隨著與邊導線間距的增加呈迅速減小趨勢。

圖4 1000 kV浙北—福州特高壓交流工程單回線路段斷面監測數據Fig.4 Monitoring data of a single circuit section of the 1000 kV UHV power transmission project from Zhebei to Fuzhou

圖5 750 kV哈密—安西輸變電工程雙回線路段斷面監測數據Fig.5 Monitoring data of a double circuit section of the 750 kV power transmission project from Hami to Anxi

6 結論

本文首先明確了電磁輻射的工作原理和必要條件，然后從輸變電線路的架設方式、電長度及工作頻率等方面與之對應比較，從理論和實踐上澄清了“輸變電設施環境影響電磁輻射機理”的誤識。

電磁場理論研究也已經證明，時變場源在其相鄰的空間形成的電磁場稱為近區場，其場型并非輻射場，而是感應場[7]。

為了正確反映低頻電場、磁場與高頻電磁波在作用機理與生物效應方面的差異，盡可能地向公眾準確傳遞環境健康相關信息，世界衛生組織及相關國際權威組織相繼采用更準確地反映環境影響因子客觀特性與生物作用機理的電場、磁場(100 kHz以下頻段)或電磁場(100 kHz以上頻段)等術語[1, 8]。在我國輸變電設施電磁環境影響評價中，對應直流設施的電場和磁場分別為合成電場和直流磁場，對應交流設施的電場和磁場分別為工頻電場和工頻磁場，以示區別[9-10]。因此，建議今后在學術交流、公眾科普宣傳等方面須科學分析、正確表述輸變電設施的電磁環境影響，推動輸變電工程與環境保護和諧發展。

[1] ICNIRP. Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields(up to 300 GHz)[Z]. 1998.

[2] 張友泉, 王飛, 王紹燦, 等. 輸變電工程電磁環境影響因素分析與對策[J]. 山東電力技術, 2013(6): 28- 31.

[3] 戎曉鵬. 輸變電工程對電磁環境的影響分析[J]. 山東工業技術, 2016(7): 159- 159.

[4] 徐坤生, 蔣忠湧. 天線與電波傳播[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 1987.

[5] 楊佳財, 劉光明. 高壓輸變電工程對環境產生的影響及防治措施探討[J]. 環境科學與管理, 2007, 23(9): 169- 172.

[6] 李蓉, 蔣忠涌. 超高壓送電線路下方空間電磁環境的研究[J]. 北京交通大學學報, 2000, 24(2): 118- 122.

[7] 聞映紅. 天線與電波傳播理論[M]. 北京: 北京交通大學出版社, 2005.

[8] ICNIRP. Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric and Magnetic Fields (1 Hz to 100 kHz) [Z]. 2010.

[9] 鄔雄, 萬保權. 輸變電工程的電磁環境[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[10] 環境保護部. 環境影響評價技術導則 輸變電工程：HJ 24—2014[S]. 北京: 中國環境科學出版社, 2014.

Study on the Mechanism of Electricity Transmission Facilities’ Electromagnetic Environment Impact

WANG Guan1, JIANG Zhong-yong2, DI Guo-qing3

(1.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China; 2.Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3. Zhejiang University, Hangzhou 310012, China)

The necessary conditions to produce electromagnetic radiation from the physics concept are discussed in this paper, i.e. the displacement current must exist in the system and an open structure must be formed in the space, thereby forming the radiation field. The research of electromagnetic field theory can prove that the time-varying field source forms an induction field in the vicinity space. The analysis mentioned above is compared with the way the facilities of electricity transmission and distribution line are constructed, its working frequency and the electrical length of the line. The comparison proves that the transmission facilities do not send energy to the space in the form of electromagnetic waves, but impact the surrounding environment through the electromagnetic induction.

electromagnetic field; displacement current; radiation field

10.14068/j.ceia.2017.05.010

X123

： A

： 2095-6444(2017)05-0043-05

2017-04-06

國家電網公司科技計劃項目(SGTYHT/14-JS-188)

王冠(1985—)，女，工程師，碩士，研究方向為電磁環境影響評價，E-mail：wg_169@163.com

蔣忠湧(1938—)，男，教授，碩士，主要從事電波傳播、電磁兼容和電磁環境影響的教學和科研工作，E-mail：jiangzhongyong515@sina.com