基于实测的城市220kV户内变电站站界电磁环境分析

林旗力, 余 飞, 宋 凯

(1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200001；2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082)

1 引言

电网技术和设施的发展，满足了群众日益增长的电力消费需求，适应了工商业快速发展所需的电力供应形势，但电力设施尤其是变电站电磁环境问题越来越受到关注。随着电网设施的发展，变电站电磁环境问题愈来愈受到关注。变电站工频电场是其运行时各种带电导体上的电荷及在接地架构上感应的电荷产生的，工频磁场是由母线、连线和变压器、电抗器等载流导体产生的[1]。由于变电站内设备种类众多、布置复杂，其产生的工频电场和工频磁场均是复杂的三维场[2]，所以相较于输电线路电磁环境仿真技术已较成熟并大量应用于设计咨询工作[3-4]，变电站电磁环境的理论预测难度更大。

长期以来，国内外较为关注户外变电站的电磁环境问题。林秀钦等[5]对佛山市区21座220kV变电站的电磁环境进行了普查，并分析了典型结构的220kV变电站电磁环境水平。于丽新等[6]则对不同类型的500kV变电站作业场所的电磁环境进行实测。贾宏艳[7]、潘葳[8]分别对110kV、220kV、500kV变电站的电磁环境水平进行了实测比较。万保全[9]、周颖等[10]则对1000kV特高压变电站的电磁环境进行了实测分析。潘超[11]、杨帆[12]、赵雪等[13]从模拟计算的角度对变电站站内电磁场分布进行了研究，但对于其厂界电磁环境模拟的难度仍较大。在户内变电站方面，肖骏等[14]对无锡市滨湖区居民区周围的110kV、220kV变电站电磁环境影响进行了实测分析，发现采用电缆进线的户内型变电站电磁污染对环境的影响最小。王征等[15]则对上海市典型110kV全户内变电站厂界电磁环境进行了实测，发现厂界处主变室侧工频电磁场场强一般大于主变室对侧，且主变室侧工频电磁场强度与主变总容量无明显关系。

虽然户内变电站的电磁环境影响明显小于户外变电站，但因其往往布置在人口密集区域，甚至与建筑物结合布置[16]，使它的电磁环境问题成为受关注重点，经常成为投诉点。为此，本研究选取上海城区3座典型220kV户内变电站，通过实测获得变电站站界电磁环境水平，在实测数据的基础上对站界工频电场和工频磁场分布规律进行了分析。研究成果可为城市户内变电站的规划与设计工作提供参考。

2 研究对象与测量方法

2.1 研究对象

本文选取了上海城区3座典型220kV户内变电站作为研究对象，3座电站分别命名为W站、D站、X站，电站概况如表1所示。

表1 典型220kV户内变电站概况Tab.1 Overview of typical 220kV indoor substation

2.2 测量方法及测量仪器

将每座变电站的站界分为A、B、C、D四侧，其中A侧为主变室及主变散热器正对侧，B侧为主变室及主变散热器背对侧，其余两侧为C、D侧。图1给出了各站测点分布情况。W站无围墙，所以在主体建筑外5m处布设了28个站界测点，另在主体建筑外10m处布设了28个测点。D站和X站在围墙外5m处结合实地情况分别布设了28个和27个站界测点。

图1 220kV户内变电站测点分布情况

测量仪器采用Narda公司NBM-550/EHP-50F场强仪。测量时，仪器探头均架设在测点地面上方1.5m处。测量方法依据《交流输变电工程电磁环境监测方法(试行)》(HJ681-2013)[17]，每个测点测量5次，结果取其算术平均值。

3 测量结果分析

3.1 站界测点工频电磁场测量结果

3座变电站共布设了83个站界测点。表2及图2～图4给出了站界测点工频电场和工频磁场测量结果。

图2 W站站界测点工频电场和工频磁场测量结果

图3 D站站界测点工频电场和工频磁场测量结果

图4 X站站界测点工频电场和工频磁场测量结果

可以看出，工频电场、工频磁感应强度分布不均匀。从表2可以看出，各测点工频电场强度最大值为0.755V/m，总体平均值为0.481V/m，且90%以上的测点工频电场强度在0.5V/m以下，远低于《电磁环境控制限值》(GB8702-2014)[18]规定的4000V/m的标准限值；各测点工频磁感应强度最大值为3.2314μT，平均值为0.3124μT，且90%以上的测点工频电场强度在0.8μT以下，远低于100μT的标准限值[19]。

由表2还可看出，在不同站之间，测点的工频电场强度平均值较接近，集中在0.469～0.497V/m范围内，而测点的平均值则差异较大，其中D站工频磁感应强度仅为0.0615μT，而X站工频磁感应强度却达到了0.5038μT。

3.2 站界工频电场和工频磁场离散程度分析

对各站站界测点的工频电场和工频磁场测量结果进行统计分析，并通过式(1)分别计算得到相应的变异系数，结果如表3所示。由表3可知，各站站界测点工频电场强度的变异系数(1.9%～14.4%)明显小于工频磁感应强度的变异系数(99.6%～170.8%)。可见，站界处工频磁场测量结果的离散程度大于工频电场测量结果。

表3 站界测点工频电场和工频磁场测量结果变异系数br />Tab.3 Coefficient of variation of measurement results of power frequency electric field and power frequency magnetic field at station boundary

(1)

式中：CV为变异系数；s为标准差；u为平均值。

图5 站界测点工频电场和工频磁场测量结果区间分布

3.3 不同侧站界测点工频电场和工频磁场比较

图6给出了各站不同侧站界测点工频电场和工频磁场测量结果平均值。由图可看出，各站不同侧站界测点的工频电场强度仅在较小范围内波动，相互之间的差异不大。各站A侧和B侧站界测点的工频磁感应强度波动较大，而C侧和D侧站界测点的工频磁感应强度波动则相对较小。

图6 不同侧站界测点工频电场和工频磁场测量结果平均值

3.4 地下电缆对站界工频电场和工频磁场的影响

图7给出了各站地下电缆上方站界测点与其余站界测点的工频电场和工频磁场测量结果平均值。由图7可看出，各站电缆上方测点的工频电场强度和其余测点差异不大。各站电缆上方测点工频磁感应强度平均值分别为1.0638、0.1380、1.7938μT，且依次大于其余测点工频磁场感应强度的平均值0.8339、0.1128、1.5797μT，可见电缆上方测点的工频磁场水平明显高于其余测点。

图7 地下电缆上方站界测点与其余站界测点工频电场和工频磁场测量结果平均值

3.5 距变电站主体建筑不同距离处工频电场和工频磁场比较

前文提到每个测点均测量了5次，所以将同一个测点的5个测量值设为1组，即每组都有5个样本值。在显著性水平α=0.01下，采用单因素方差法分析同一方位上2个距离处的工频电场和工频磁场是否存在显著差异，结果如表4所示。

由表4分析结果可知，除了受中压高架线影响的D侧外，其余方位上2个距离处的工频电场强度均不存在显著性差异，相反，所有方位上2个距离处的工频磁感应强度均存在显著性差异。

表4 距W站主体建筑2个距离处工频电场和工频磁场单因素方差分析结果

W站在主体建筑外5m和10m处各布设了28个测点(见图1)。为避免电缆对结果的干扰，在比较分析距主体建筑不同距离处工频电场和工频磁场时剔除了电缆上方的测点，测量具体结果如图8所示。由图8可知，在A、B、C三侧，各方位上距主体建筑5m和10m处的工频电场强度较为接近，基本在同一水平；在D侧，距主体建筑10m处的工频电场强度反而大于5m处，这主要是受到D侧外约15m处的城市中压架空线(非本变电站使用)的影响。而对于工频磁感应强度，距主体建筑5m处的结果则均大于10m处的结果。

图8 距W站主体建筑2个距离处工频电场和工频磁场测量结果

图8(b)显示，在各方位上距主体建筑5m、10m处的工频磁感应强度测量结果的变化趋势是基本一致的。其中，在B3/B3'、B4/B4'、B5/B5'、B6/B6'、B7/B7'、B8/B8'、B9/B9'、B10/B10'、C4/C4'方位上的工频磁感应强度较小，且2个距离处的差值也较小。比较图1(a)可知，这几个方位距主变、电抗器等电气设备较远。由此推测W站站界处工频磁场水平还可能受主体建筑内主变、电抗器等电气设备的影响。

4 结果讨论

4.1 城区220kV户内变电站站界工频电场

因为建筑物和金属封闭外壳对电气设备产生的工频电场起到了屏蔽作用，本研究中的3座变电站不同侧站界测点的工频电场强度的差异均不大(见图6(a))，且距W站主体建筑5m和10m处的工频电场强度也不存在显著差异(排除城市中压架空线影响)(见表4)。由于电缆金属护层等的屏蔽作用[19]，站界处的工频电场强度受地下电缆的影响也不明显(见图7(a))。可见，220kV户内变电站对站界处的工频电场水平贡献非常有限。

表5对3座变电站站界处工频电场测量结果与城市背景数据进行了比较，其中城市背景数据摘自上海市2017-2019年环境状况公报[20-22]。由表可知，各站站界处的工频电场水平趋于城市背景水平，进一步说明了220kV户内变电站对站界处的工频电场水平基本无贡献。

表5 220kV户内变电站站界测点工频电场和工频磁场测量结果与城市背景数据比较

4.2 城区220kV户内变电站站界工频磁场

图7(b)表明，220kV户内变电站电缆上方测点工频磁感应强度大于其余测点，说明地下电缆对变电站站界工频磁场水平存在影响。万保全等[19]依据毕奥-萨伐尔定律建立了单芯电缆的工频磁场模型，如式(2)：

(2)

式中：B表示n根平行单芯电缆组成的电缆系统在任一观测点产生的合成磁感应强度；μ0表示电缆磁导率；Ii表示第i根电缆所载的电流；ri表示磁场观测点到第i根电缆的轴线的距离；ai表示第i根电缆的轴线到磁场观测点的切向单位矢量。

由式(2)可知，地下电缆上方测点处的工频磁场水平会受到电缆磁导率、电流、埋深以及三相电缆相对位置等因素的影响。

混凝土等建筑材料的相对磁导率低，对于工频磁场基本没有屏蔽作用。表4表明，在排除地下电缆影响的前提下，距W站主体建筑5m处的工频磁感应强度显著大于10m处。从图8(b)可看出，距W站主体建筑5m和10m处的工频磁场水平受到站内主变、电抗器的影响，但是从D站和X站的站界工频磁场测量结果来看却不存在该情况。这可能是因为D站和X站存在围墙，使得站界测点与主体建筑的距离基本在15m以上，而主变、电抗器产生的工频磁场随距离衰减较快。可见，如果站界距站主体建筑较近的话，其所在位置的工频磁场水平还可能受到主变、电抗器等电气设备的影响。

表5对3座变电站站界处工频磁场测量结果与城市背景数据[20-22]进行了比较。由表可知，各站站界测点处的工频磁感应强度最小值在城市背景范围内，但最大值均超出了城市背景范围，说明部分测点处的工频磁场水平高于城市背景水平，这也是变电站站界工频磁场测量结果离散程度大于工频电场测量结果的主要原因(见表3)。

5 结论

(1)220kV户内变电站站界各测点工频电场强度最大值为0.755V/m，90%以上的测点工频电场强度在0.5V/m以下，远低于GB8702-2014标准规定的4000V/m的标准限值。变电站各测点工频磁感应强度最大值为3.2314μT，90%以上的测点工频电场强度在0.8μT以下，远低于GB8702-2014标准规定的100μT的标准限值。变电站站界处工频磁场测量结果的离散程度大于工频电场测量结果。

(2)220kV户内变电站站界处工频电场水平与城市背景水平相当。由于建筑物和金属封闭外壳对站内电气设备产生的工频电场的屏蔽作用，以及电缆金属护层等对电缆产生的工频电场的屏蔽作用，变电站对站界处的工频电场水平基本无贡献。

(3)220kV户内变电站站界处部分测点的工频磁场水平高于城市背景水平。地下电缆对变电站站界工频磁场水平存在影响。如果站界距站主体建筑较近的话，其所在位置的工频磁场水平还可能受到主变、电抗器等电气设备的影响。