气象因素对输变电线路电磁环境的影响*

王灵志　董艳艳　李薇　王占生

（1.华北电力大学区域能源系统优化教育部重点实验室　北京102206；2.中国石油集团安全环保技术研究院　北京102206）

安全技术及工程

气象因素对输变电线路电磁环境的影响*

王灵志1董艳艳1李薇1王占生2

（1.华北电力大学区域能源系统优化教育部重点实验室北京102206；2.中国石油集团安全环保技术研究院北京102206）

不考虑气象因素的输变电线路的电磁环境预测值与实际值之间有差距，探讨了温度、湿度、风等气象因素对输变电线路电磁环境的影响，并提出减缓措施。结果表明：温度上升，则电磁场强度及无线电干扰强度都会增强；高相对湿度下电磁场强度与湿度成正比，低湿度则无明显影响 ，湿度对无线电干扰的影响与线路电压有关；风使输电线发生偏移，改变空间电磁场强度。

工频电磁场 无线电干扰 气象因素 减缓

0　引言

输变电线路产生的电磁环境污染问题是指给定场所中的所有电磁现象的总和，主要包括工频电场、工频磁场以及由电晕产生的无线电干扰等。工频电磁场是指输变电线路上产生的频率为50 Hz的电磁场，它将随着电压等级的升高而增强，其中工频电场的增强尤为明显。根据我国的电压等级进行划分，特高压主要指的是交流电1 000 kV及其以上或者正负直流电800 kV及其以上的电压等级。如此高的电压等级是否会影响人类的健康安全是大家所关心的问题。研究指出工频电磁场对生物体的影响是非电离性的，其通过相互作用的方式在生物组织内产生感应电压和电流，可能对生物体造成不利影响。至于导线电晕放电产生的无线电干扰，指的是导线电晕放电过程中产生的大量高频电磁脉冲对周边无线电通信设备收发信号等方面造成干扰。

研究表明，工频电磁场和无线电干扰强度都会受到环境气象因素的影响。不考虑温度、湿度等环境要素得到的场强的预测结果与实际测量值有一定的差距。因此，很有必要探究不同的气象因素下，输变电线路覆盖区域的电磁环境变化情况。

1　环境气象因素与电磁环境的关系

气象因素将影响输变电线路覆盖区域内的电磁环境情况，下文分别从工频电场、工频磁场、无线电干扰等三个方面具体探讨气象因素改变产生的影响。

1.1气象因素对工频电场的影响

1.1.1气象因素对电场强度的作用

（1）温度对电场强度的作用。温度对工频电场的影响主要是根据输电线路在不同温度会有不同弧垂来作用的。由悬链方程及相关公式可以得出随着温度的升高，水平应力减少，导线的弧垂增大，线下场强也就随着增加，反之则相反。

（2）湿度对电场强度的作用。由于各种电介质内存在一定数量的自由电荷，所以其本身就存在一定的导电能力。湿度改变，导线周围的水分子数目会发生变化，不仅更易产生畸变电场，且会增强电介质的极化程度，最终导致空间中某点场强的改变。

（3）覆冰和风等条件对电场强度的作用。覆冰主要是通过冰的重力作用改变了输电线路的弧垂，造成线下场强改变。风会使输电线偏移原来的位置，使线下场强分布随风向改变。

1.1.2试验分析

彭继文等［1］对研究线路进行了每天分4个时间段采集数据的为期一周的不间断监测，并对数据进行处理，得知：在相对湿度值不高时，相对湿度的变化对场强的影响不是很大 ，基本上不改变场强值；在相对湿度比较高的时候，电场强度随湿度增加而不断增加 ，并呈现出指数增加趋势。说明在大湿度的条件下，湿度对场强的影响较为显著。

通过BP神经网络算法，可以探究湿度与温度和工频电场间的关系［2］。给定湿度向量和温度向量，就可以通过训练网络预测出的数据 ，绘制得到温度和湿度与电场强度的关系曲线。通过设置湿度向量［32，35，36，37，38，39］和三组温度向量［34，34，34，34，34，34］、［35，35，35，35，35，35］、［36，36，36，36，36，36］，计算并绘制图表得出：保持温度不变，则湿度增加场强增加；保持湿度不变，相对湿度在32.0%～37.4%稳定时，温度上升场强增加，在相对湿度是37.4%～39.0%的时候，温度升高场强下降。

肖冬萍等［3］通过试验对3个气象区分别分析了温度、覆冰和风速对输电线线下场强的影响，其中3个气象区是按照风冰组合条件划分的，且分别适用于：川渝、华中和华东；华北和东北；沿海地区。分析数据，可得：在I气象区，对档距一致的导线，温度最高则线下场强最强，温度最低则线下场强最弱，最大风速和最大覆冰的情况下线下场强值差不多大，介于最高温度和最低温度之间。线下场强数据：最高温度：7.82 kV/m；最大风速：7.41 kV/m；最大覆冰：7.45 kV/m；最低温度：6.70 kV/m。在Ⅱ气象区内，温度对输电线的弧垂影响依旧是最大的，温度最高线下场强最大，温度最低线下场强最小，不过在Ⅱ气象区覆冰对场强的影响能力比风速大 ，线下场强数据：最高温度：8.25 kV/m；最大风速：7.54 kV/m；最大覆冰：7.82 kV/m；最低温度：6.45 kV/m。在Ⅲ气象区内，最大风速和最高温度对场强影响都很大，其次是最大覆冰，最低温度影响最小，线下场强数据：最高温度：7.76 kV/m；最大风速：7.66 kV/m；最大覆冰：7.06 kV/m；最低温度：6.55 kV/m。

湿度、温度等气象因素对工频电场强度的影响还是较为明显的，在实际输电线路架设过程中，不能忽视气象因素对工频电场场强的影响。除此之外，工频电场的环境影响因素应该还要考虑其他一些常见的天气现象，例如降雨和降雪以及长时间的雾霾等。由于这些天气现象是生活中经常会遇到的，所以对此方面的研究是很有意义。此外，兰新生等［4］认为湿度等影响输变电线下工频电场场强值是因为湿度影响了测量仪器的准确度，并非是湿度不同导致的线下场强不同，这值得深入探讨。

1.2气象因素对工频磁场的影响

1.2.1温度和风对磁场强度的作用

温度和风速会改变输电线的弧垂和其所处位置，导致空间中某点的工频磁场强度改变。

1.2.2试验分析

在研究气象因素对输变电过程中工频电磁场的影响时，可以对温度和风速与工频磁场的影响关系做一定的分析。通过研究温度和磁场的关系可知：温度的升高将引起磁场强度的增强；不过距离档距中心较远的地方，升高同等温度时，工频磁场场强的增加量不及线下场强增加量。通过研究风速和磁场的关系可得：风速会导致磁场分布曲线向着风向偏移，且线路下方的导线偏移程度大于距离档距中心比较远的地方的偏移程度；若以中相输电线为对称中心，在上风向一侧的磁场强度随着风速的增大而降低，下风向则相反。虽然温度和风对工频磁场强度的强弱有一定的影响，但只考虑上述两种因素的影响是远远不够的 ，为了能够深入研究气象因素对工频磁场的影响，仍需继续收集数据并结合实地监测以探究更多常见的气象因素对工频电磁场强度的影响。

1.3气象因素对无线电干扰的影响

气象因素对无线电干扰的影响主要考虑气压、温湿度等因素，将分从电晕起始电压和无线电干扰强度两个方面来分析气象因素带来的影响。

1.3.1气象因素对电晕起始电压的影响

1.3.1.1气象因素对电晕起始电压的作用

（1）空气密度对电晕起始电压的作用。根据皮克公式，可知空气分子密度与起晕电场强度成正相关。随着空气密度的增大，输电线的起晕电场强度也增大 ，反之则减小。起晕电场强度对应的电压就是输电线的电晕起始电压，所以电晕起始电压与空气密度也成正相关。

（2）湿度对电晕起始电压的作用。具有极性的水分子团会在输电线路的表面不均匀的分布，导致线路表面出现畸变电场，增加了该区域中分子碰撞电离的能力，使起晕电压降低。

1.3.1.2试验分析

（1）气压对电晕起始电压的影响。耿庆忠［5］对气压与输电线的起晕电压之间的关系做了较为细致的研究。他们选取特变电工生产的型号为LGJ-400/50的钢芯铝绞线作为试验用导线，在保证试验点天气条件相同的前提下，分别选择了武汉、西宁、海北等3个不同海拔高度的试验点进行试验。通过紫外成像检测技术对电晕起始电压进行测试得到：通过电晕起始电压的关系为海北＜西宁＜武汉，可以得出海拔越高，输电线的起始电压越低 ，且海拔平均升高1 km输电线的起晕电压就会降低约8%。

（2）湿度对电晕起始电压的影响。通过对湿度与正负直流输电线的电晕起始电压二者间相互关系的研究 ，得出交流线路的起晕电压是在负半周先出现的，所以交流线路的电晕起始电压与湿度的关系和直流负极性线路的电晕起始电压与湿度的关系相似。通过电晕脉冲法和电晕平均电流法在研究中的使用得出：空气的湿度小于50%的时候，湿度增大会导致电晕起始电压增大；空气的湿度大于50%时，湿度的增大将使电晕起始电压降低。

（3）温度对电晕起始电压的影响。对温度与起晕电压的影响做相关研究，可以在设计的2组试验中，分别保持绝对湿度与气压不变、保持相对湿度与气压不变，通过不断改变温度 ，研究温度与电晕起始电压的关系。研究表明：在绝对湿度和大气压强恒定时，温度对电晕起始电压影响不很明显；在相对湿度和大气压强恒定时，温度与起电晕起始电压成正比，温度升高则电晕起始电压升高。

1.3.2气象因素对无线电干扰的影响

1.3.2.1气象因素对无线电干扰强度的作用

（1）气压对无线电干扰强度的作用。气压不同，空气密度不同。空气密度下降会使无线电干扰强度增加。

（2）温-湿度对无线电干扰强度的作用。温度对无线电干扰强度的影响主要表现为温度会影响空气密度 ，进而影响到输电线路的起晕电压。湿度对无线电干扰强度的影响可能是不同湿度下，空气中水分子的数量不同。由于空气中的水分子会吸附自由电子，所以会影响电晕放电的强度。

1.3.2.2试验分析

（1）气压对无线电干扰强度的影响。冯天佑［6］采用3组不同电压做海拔高度与无线电干扰强度相关性试验。研究表明：对于恒定电压，海拔高度增加则无线电干扰强度将增强，说明大气压强降低会导致无线电干扰能力增强。与此同时，气压下降的过程中，无线电干扰能力呈三段式增强，且不同阶段无线电干扰值增强的趋势不同，基本上呈现为先缓慢增长然后陡升最后平缓上升。

（2）温-湿度对无线电干扰强度的影响。通过交流导线电晕分析试验得出数据 ，并采取多元线性回归分析进行验证得出：当相对湿度为 20%～90%，温度为20～40℃时，温度上升1℃，无线电干扰值将会上升0.029 dB；相对湿度增加1%，则无线电干扰值平均会下降0.06 dB。

安冰［7］在华北电力大学的电气设备环境模拟试验箱内进行了温度和湿度对导线电晕特性的影响试验。对温度的研究方法：维持湿度在一个恒定的范围，设置5个温度点，改变温度观察电晕特性；对湿度的研究方法：维持温度在一个恒定的范围，设置4个相对湿度点，改变湿度观察电晕特性。最后得到，无论正负极性导线，随着温度的升高，无线电干扰强度都有所上升，但加强的幅度不是很明显；湿度增加，负极性导线的无线电干扰强度变化不大 ，正极性导线的无线电干扰强度的变化情况与导线上施加的电压等级有关，不同电压等级导致无线电干扰强度变化趋势不同。

2　气象因素对电磁环境影响的减缓措施

2.1工频电场的减缓措施

温度的改变导致输变电线路弧垂改变，进而使得线下场强的改变。可以通过增高杆塔的高度来降低弧垂增大带来的危害。同时还可以通过架设屏蔽线起到降低线下场强值的作用。

湿度改变同样会引起场强改变。同样的，可以通过增加杆塔的高度、改变各输电线的相间距离及架设屏蔽线等方式降低危害。

对于线路上存在的冰雪灾害问题，主要采取“抗”、“改”、“避”、“防”、“融”等措施应对。通过对线路进行防冰设计，避开冰雪灾害严重区域，线路融冰等方案减少冰灾对线路的影响，减少线下场强的增加量。

2.2工频磁场的减缓措施

温度改变同样会影响输电线路的周边磁场强度。温度改变，则输电线的弧垂改变，增高杆塔高度能够减少磁场强度。对同塔多回线路采用逆相序排列或架设屏蔽线也能起到很好的屏蔽磁场的作用。

湿度改变，导线表面及周边水分子数改变，可以通过改变线路上杆塔的架设高度、各导线的相间距离及架设屏蔽线等方式减少工频磁场带来的危害。

2.3无线电干扰强度的减缓措施

导线采取的措施：通过增加输电导线的分裂数、增大导线直径、采用Z形或者外层梯形结构的导线等方法减少电晕放电，以减少无线电干扰强度的改变带来的危害。

杆塔采取的措施：通过选择高度较高的杆塔来提升杆塔间输电线的高度。

附加材料的措施：输电线表面喷涂防电晕涂料，可以有效降低电晕起始电压 ，降低无线电干扰强度。

3　结论与展望

（1）气象因素对电磁环境的影响。电场强度的影响：温度不变时，湿度增加则电场强度增加；低湿度下，温度上升则电场强度增加，高湿度下，温度上升则电场强度下降；覆冰、风等气象因素的改变同样会影响输变电区域的电场强度。磁场强度的影响：温度上升则磁场强度增加；刮风情况下，若以中相输电线为对称线，在上风向一侧的磁场强度随着风速的增大而降低，下风向则相反。无线电干扰强度的影响：气压下降则无线电干扰强度增强；温度上升会增强无线电干扰强度不过增幅不大；相对湿度和无线电干扰强度的关系与施加给导线的电压值相关，不同电压值下，无线电干扰与相对湿度的关系不同。

（2）减缓措施。采用调整杆塔设计高度、改变相间距离和增设屏蔽线等方式，应对不同的气象因素下输变电线路线下场强改变情况 ，尽可能的减少其对人体可能造成的危害。

通过相关研究，了解到温度、湿度等气象因素对电磁场及无线电干扰强度的影响。希望能够建立不同气象因素下输变电线路电磁环境的预测模型 ，为输变电线路的设计施工及运行期间的环境保护工作提供技术支持。

［1］彭继文，周建飞 ，周年光，等.湿度对500 kV超高压交流架空送电线路区域电磁环境的影响研究［J］.电网技术，2008，32（S2）：236-239.

［2］俞集辉，郑亚利，徐禄文 ，等.湿度、温度对工频电场强度的影响［J］.重庆大学学报，2009，32（2）：137-140.

［3］肖冬萍 ，何为，杨帆，等.不同气象条件下特高压输电线路工频电场计算与档距选择［J］.高电压技术，2009，35（9）：2081-2086.

［4］兰新生 ，林巧红，刘虹，等.环境湿度对实验室工频电场强度测量结果的影响研究［J］.四川电力技术，2013，36（4）：92-94.

［5］耿庆忠 .考虑海拔影响的正极性针环电极模型和交流750 kV导线的电晕起始特性研究［D］.北京：华北电力大学，2014.

［6］冯天佑.环境气候条件对多分裂导线交流电晕特性的影响研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.

［7］安冰.温度、湿度对电晕笼中导线直流电晕特性的影响［D］.北京：华北电力大学，2009.

The Influence of Meteorological Factors on the Electromagnetic Environment of Transmission Lines

WANG Lingzhi1DONG Yanyan1LIWei1WANG Zhansheng2
（1.Key Laboratory of Reginal Energy System Optimization（North China Electric Power University），Ministry of Education Beijing 102206）

There is a certain gap between the predicted value regardless of meteorological factors and the actual value. Thus，how power frequency electromagnetic field intensity and radio interference intensity change in power transmission and transformation area are discussed and the changes are caused by some meteorologicalfactors，such as temperature，humidity，wind and so on.In addition，some relevantmeasures are putforward.The results show that the electromagnetic field intensity and radio interference intensity will be enhanced when temperature rises.The electromagnetic field intensity is proportional to humidity in high relative humidity while there is no obvious relationship between them in low relative humidity，and the influence of humidity on radio interference is related to line voltage.In addition，the space magnetic field intensity will change when wind deflects transmission lines.

power frequency electromagnetic field radio interference meteorological factors slow down

国家自然科学基金面上项目（61471171），中央高校基本科研业务费专项资金资助（MS0128）。

王灵志，男，硕士，研究方向：电力系统的环境污染控制。

（2015-09-15）