先進測量實驗區素地電磁環境測試與分析

汪洪軍 黃攀 董玉平 孔偉 劉延

摘要：素地電磁環境實測與分析對于先進測量實驗室建設意義重大，可用于指導先進測量實驗室建設選址的適用性和電磁環境影響控制設計。以中國計量科學研究院實驗基地先進測量實驗區為研究對象，制定測試方案，對實驗區素地電磁環境特性進行測試。結果表明，該實驗區建設地塊四周工頻磁場磁感應強度均大于0.01μT，動力站和10 kV 變電站周邊更大，實驗區核心位置磁感應強度基本在0.01μT 附近，為滿足實驗室工頻磁場容許值，建設地點應沿周邊道路退讓一定距離，并應遠離動力站和變電站，對工頻磁場環境要求更為嚴格的實驗室應依據測試數據采取必要的屏蔽處理措施;實驗區所有位置的射頻電場強度26～3000 MHz頻段均小于1 V/m，最大場強為0.5037 V/m @26.3125 MHz，該頻段射頻電場強度對實驗室建設影響不大，無需做任何防護處理措施。

關鍵詞：實驗室;素地;電磁環境;現場測試

中圖分類號： TB973;TU18文獻標志碼： A文章編號：1674–5124（2021）12–0001–05

Measurement and analysis of electromagnetic environment in ground in plainadvanced measurement experimental area

WANG Hongjun1，HUANG Pan1，DONG Yuping2，KONG Wei1，LIU Yan1

（1. National Institute of Metrology， China， Beijing 100029， China;2. Beijing Branch of

Nanjing Bosen Technology Co.， Ltd.， Beijing 100027， China）

Abstract： The measurement and analysis of the electromagnetic environment is of great significance for the construction of the advanced measurement laboratory， which can be used to guide the applicability of the constructionsiteselection of the advanced measurement laboratory and the design of the electromagnetic environment impact control. Taking the advanced measurement experimental area of the experimental base of National Institute of Metrology as the research object， the test scheme is made to test the electromagnetic environment characteristics of the experimental area. The results show that the magnetic induction intensity of power frequency magnetic field around the construction site of the experimental area is greater than 0.01μT. The magnetic induction intensity around the powerstation and 10 kVsubstation is larger. The magnetic induction intensity at the core of the experimental area is basically around 0.01μT. in order to meet theallowable value of power frequency magnetic field of the laboratory， the construction site should retreat acertain distance along the surrounding road， and should be far away from the power station and substation For a more strict laboratory， necessary shielding measures should be taken according to the test data; the RF electric field strength of all positions in the experimental area is less than 1 V/m in the 26-3000 MHz frequency band， and the maximumelectricfieldstrength is 0.5037 V/m @26.3125 MHz， which has little impacton the laboratory construction and does not need any protective measures.

Keywords： laboratory; plain ground; electromagnetic environment; field test

0引言

近年來，隨著科教興國戰略的深入實施，國家對科技教育領域的投入也越來越大，各個大學、科研院所紛紛興建新的先進測量實驗室，并自研或采購大量的高端科學儀器。但由于對實驗設備正常使用所需的電磁環境條件的要求認識不足，在建設選址階段不了解建設區域素地電磁環境狀況，在實驗室附近布置了大量的無線電通信設備和高壓變配電設施且未對其做任何的處理措施，最終導致精密儀器設備損害、降低測量精度或產生難以接受的偏離。

影響儀器正常工作的電磁污染主要是工頻電磁場和無線電干擾，其主要來源于變配電設備、大功率廣播發射臺、無線通信等，這些設施設備產生的復雜干擾會給檢測數據采集和監測儀器正常運行帶來困難[1-2]。如果電磁場強度過大，還可能對人體健康造成危害[3-6]。由于電磁場看不見、摸不到，不易被察覺，大多數設計者又缺乏對電磁污染相關知識的了解，在實驗室建設選址和設計時就會對電磁干擾產生某些認識誤區或忽略其影響。當一個地塊被選擇擬作為先進測量實驗室建設用地時，通常需要對素地電磁環境進行現場測試及分析，以便對建設地塊工頻磁場和射頻干擾的影響進行量化評價。若素地測量值超過實驗室所要求的電磁環境容許值，則該場地通常將被拒絕，或采取有效的電磁環境防護措施。另外，在建設用地選擇過程中，還應考慮場地未來使用以及場地周圍環境的發展情況。因此，在先進測量實驗室建設前對素地進行相關頻段電磁和射頻環境測試分析，了解實驗室建設地塊的電磁環境影響水平是十分重要的，這不僅是保證先進測量實驗室精密儀器設備安全正常使用至關重要的程序，也是科學規劃實驗室建設布局和精準電磁防護處理的重要技術手段[7]。

通常來講電磁干擾源同電磁輻射一樣，也分為兩大類：自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源主要來自于大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。人為干擾源是由部分設備輻射的電磁波產生電磁能量干擾，其中一部分設備是特地用來發射無線電波的裝置，另一部分是在完成自身功能的同時附帶產生電磁波[8]。變電站、通信天線塔和動力機房作為人為干擾源是實驗室建設常見的配套基礎設施。有關研究[9-12]表明，這些設施對周圍環境產生的電磁污染主要有工頻電場、磁感應強度和射頻干擾，其中最主要的污染因子為射頻電場和工頻磁場。劉岳定等[13]對典型變電站站場外工頻電磁場進行了實測分析，得出變電站站場外工頻電磁場的分布規律及變化趨勢。濮文青等[14]進行了典型移動通信基站電磁輻射環境影響分析，確定了移動通信基站的電磁輻射環境影響的評價因子、評價范圍。段鋒等[15]對二次雷達場地周圍電磁環境進行了測試，結果表明距離較近的高速公路產生的峰值場強、平均值場強均不會影響該機場擬建空管二次雷達的正常運行。目前，針對人為干擾源工頻電磁場分布特性的研究主要集中在現場測試、數值計算與模擬試驗三種方式[16]。

本文以中國計量科學研究院實驗基地先進測量實驗區建設地塊為例，對擬建設區域素地電磁環境影響特性進行實測與分析，重點評估先進測量實驗區電磁干擾對實驗環境產生的量化影響，以指導該實驗區整體規劃布局和電磁防護設計，亦可為類似精密實驗室工頻磁場和射頻電場環境影響特性研究提供借鑒。

1工程和控制標準概況

中國計量科學研究院實驗基地位于龍山腳下，占地面積約550000 m2，南北長約1300 m，東西200～700 m 不等。實驗基地西南角設有35 kV 變電站一座，靠近35 kV 有一座高約20 m 的通信天線塔。先進測量實驗區位于實驗基地中間位置的東側，緊鄰龍山，總規劃實驗室建設面積約50000 m2，地下一層，局部地上一至兩層，在該地塊范圍內東北角和地塊西側各有一座10 kV 變電站，北側為院區支干道，支干道北側為已建設完成的空調等動力機房。如圖1所示。實驗基地先進測量實驗區主要開展以量子物理為基礎的計量基礎研究和拓展新的計量科技領域中各類前瞻性、基礎性和戰略性計量科學研究，從事這些研究工作所需要的精密設備對電磁環境要求較高。

精密設備的電磁環境容許值由精密設備本身決定，一般通過試驗確定，當條件限制難以實現時，可以對現有精密設備的電磁環境調查及統計分析得到該類設備正常工作的電磁環境容許參考值。當精密設備曝露在多個頻率的電場、磁場、電磁場中時，電磁環境的評價應綜合考慮其影響[17]。現行國家標準 GB 8702—2014《電磁環境控制限制》規定了環境中電場強度、磁感應強度公眾曝露的均方根值控制限值，如表1所示[18]。根據實驗要求，先進測量實驗室電磁環境容許值嚴于國家標準 GB 8702—2014規定的公眾曝露控制限制，工頻磁場磁感應強度容許值為0.01?T， 26～3000 MHz 頻段射頻電場強度容許值為1 V/m。

2電磁環境現場測試

為充分評估中國計量科學研究院實驗基地先進測量實驗區周邊變配電站、動力站和通信天線塔等人為干擾源電磁環境特性，本文參照現行電力行業標準 DL/T 988—2005[19]和 DL/T 799.7—2010[20]，并結合先進測量實驗區精密設備及儀器的電磁環境容許值、場地及周邊布置圖、實驗樓擬建位置及周邊人為干擾源位置等資料，制定測點布置方案，開展實驗基地先進測量實驗區射頻電場和工頻磁場測試和分析。數據采集前，傳感器應進行試采樣及對比分析。采樣期間，要求除規定的電磁干擾源及干擾源組合外，施工等其余臨時可控干擾源應暫時停止，20 m 范圍內無關人員不得靠近。

測試儀器選用經過校準且在有效期內，頻率范圍5～100 kHz 配有 EHP-50C 探頭的 PMM 8053B 場強計，頻率范圍26～3000 MHz 配有3-AXIS- ANTENNA 探頭的 SRM-3006分析儀和配有Schwarzbeck全向雙錐天線的 FSP30頻譜分析儀。鑒于建設場地過大，工頻磁場測量分兩次布點測試。第一次測試共布置117個測點，第1-97號測點圍繞先進測量實驗區邊沿布置，每隔4 m 布置1個點，第101-108號測點圍繞先進實驗區內東北側的10 kV 變電站布置，每隔2 m 布置一個點，第201-211號測點布置在先進測量實驗區北側已建實驗樓動力機房前，每隔4 m 布置一個點，第301號測點布置在實驗區內，使用 FSP30頻譜分析儀和Schwarzbeck全向雙錐天線對該點進行測量，測點布局如圖2所示。第二次測試共布置57個測點，第2101-2504號測點布置在先進測量實驗區內，每隔10 m 布置一個點，第2601-2608號測點圍繞先進測量實驗區內東北側的10 kV 變電站低壓配電室，緊貼配電室箱體布置測試點，第2701-2708號測點布置配電室外圍，距離配電室箱體3m 的位置，測點布局如圖3所示。射頻電場測試共布置測點51個，在先進測量實驗區內按照等間距梯田狀布置，測點布局如圖4所示。

測試原則如下[17-18]：1）測試時保持室外環境濕度在80%以下;2）測量儀表架設在地面以上1.5 m 的位置;3）測試高壓設備附近工頻磁場時，測量探頭距離設備外殼邊界1 m;4）測試人員距離儀器5 m 以外，關閉或不使用產生輻射電磁場的便攜式設備;5）測試期間，各種設施正常運行，每個測點連續測5次，每次測量時間大于15 s，讀取穩定狀態的最大值，若測試值波動較大，則適當延長測量時間。

3測試結果與分析

作者在對中國計量科學研究院實驗基地先進測量實驗區兩次測試期間，室外環境溫度為20.5～23.8℃，濕度為37.5%～54.1%，風速為0.8～1.5 m /s，大氣壓為101.25 kPa，變電站和周邊動力站等主要干擾源運行正常，滿足電磁環境測試要求。

圖5和圖6為先進測量實驗區建設地塊四周、建設區域內的10 kV 變電站四周以及靠近建設地塊方向動力站附近的工頻磁場磁感應強度測試結果。

結果表明，所有測點工頻磁場磁感應強度均大于0.01?T，不滿足實驗室建設所要求的工頻磁場磁感應強度容許值，10 kV 變電站周邊測點101-108和動力站周邊測點201-211磁感應強度值更大，與距離動力站和10 kV 變電站較近受到干擾有關，建議搬遷該變電站或遠離實驗室建設地點。

圖7和圖8為與第一測試相同工況下，先進測量實驗區地塊內、緊貼400 V 低壓配電室以及距離配電室3米四周的工頻磁場磁感應強度測試結果。根據實測數據可以看出如下規律：

1）退讓主路20 m，來自該方向的工頻磁場磁感應強度由平均0.35?T 衰減到平均0.01?T，且基本穩定;退讓支路15 m，來自該方向的工頻磁場磁感應強度由平均0.45?T 衰減到平均0.015?T。實驗室在規劃設計時，退讓周邊道路一定距離，將無需再做特殊屏蔽處理。

2）實驗區內核心位置各測點工頻磁場磁感應強度均在0.01?T 附近，基本滿足實驗室工頻磁場磁感應強度容許值，對于要求更為嚴格的實驗室應采取相應屏蔽措施。

3）低壓配電室周邊測點2601-2608和距離低壓配電室3米處周邊測點2701-2708工頻磁場磁感應強度仍高于0.01?T，但隨著遠離低壓配電室的距離增加具有明顯的干擾衰減，因低壓配電室無法搬遷或遠離實驗室，建議低壓配電室做專門屏蔽處理。

為量化評價先進測量實驗區射頻電場強度，在該地塊范圍內等間距梯田狀布置測點，測得26～3000 MHz 帶寬范圍內的射頻電場強度如圖9和圖10。結果表明，實驗區所有測點在26～3000 MHz 帶寬范圍內均低于1 V/m，且從 SRM-3006記錄的數據表征最大射頻場強是0.5037 V/m@26.3125 MHz。該建設用地射頻電場滿足先進實驗室建設射頻場強容許值，無需做額外處理措施。

4結束語

通過對中國計量科學研究院實驗基地先進測量實驗區素地進行工頻磁場和射頻電場環境特性測試，得到以下結論。

1）實驗區邊沿四周工頻磁場磁感應強度均大于0.01?T，距離動力站和10 kV 變電站較近測點磁感應強度更大，建議搬遷該變電站或遠離實驗室建設地點。

2）退讓實驗區周邊道路20 m，工頻磁場磁感應強度均在0.01?T 附近，基本滿足實驗室工頻磁場磁感應強度容許值。表明退讓道路一定距離，將無需再做特殊屏蔽處理，但對于要求更為嚴格的實驗室尚應采取相應措施。

3）低壓配電室周邊和距離低壓配電室3 m 處周邊工頻磁場磁感應強度高于0.01?T，但隨著遠離低壓配電室的距離增加具有明顯的干擾衰減，建議低壓配電室做專門屏蔽處理。

4）實驗區所有位置的射頻場強在26～3000 MHz 頻段均低于1 V/m，最大射頻場強為0.5037 V/m @26.3125 MHz，滿足實驗室射頻場強容許值，表明在該地塊建設無需對射頻干擾做任何處理。

5）本次工頻磁場和射頻環境特性測試開展于先進測量實驗室建設前期的素地，而實驗室建設、設備安裝和試運行后各種干擾源必將接踵而至，這些都給設計帶來挑戰。因此，建議對電磁環境敏感的儀器在規劃設計時應盡可能的遠離電氣設備和線路，需要時，應及時準確獲得干擾的來源和它們的干擾量值，適時調整屏蔽處理策略。

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（編輯：徐柳）