输变电环境污染

浅谈输变电的环境污染

摘要：环境污染不仅包括自然环境的污染，还包括对人，对其它用电设施的污染。今年来，随着电网容量迅速增长，电网运行电压也不断提高，电网中产生的电磁辐射，谐波干扰问题日益突出，严重影响到自然环境，公众设施人们的生命健康。本文通过分析电网电磁辐射和谐波产生的原因和对环境的影响，从中找出避免污染的对策。

关键词：电网电磁辐射环境污染治理对策

由于近年来我国电源迅猛发展，区域电网之间水火互济和跨流域补偿能力明显不足，电网与电源发展不协调的矛盾十分突出，决定了我国需要建设远距离、大容量的特高压输电系统。而与此同时高压输电线路和变电站对生态环境却产生严重的影响，主要表现在土地的利用、电晕所引起的通信干扰，以及可听噪声、工频电磁场对生态的影响等方面。由于特高压输电电压高、分裂导线多等特点，必然导致导线表面电场强度以及输电设备周围的空间电场强度的

升高，而特高压输电线路和变电站出现的电晕现象和强电场效应对人体和生态环境是否会带来危害。同时随着微电子技术集成度的提高，微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。

国际电工委员会（iec）已于1988年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“ieee电子电气工程师协会”于1992年制定了谐波限定标准ieee—1000。在ieeestd．519—1992标准中明确规定

了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（thd）应在５％以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求thd应低于３％。

１输变电中电磁辐射及谐波的产生

交流输电线路工作时，导线上的电荷将在空间产生工频电场，导线内的电流将在空间产生工频磁场。电场一般用电场强度描述。工频电场能在人和物体上感应出电压。在强电场中，对地绝缘的人接触接地物体，处于地电位的人接触对地绝缘的物体，可能会有能感觉到的电流流过人体或出现不愉快的火花放电。这是工频电场的短期效应。关于工频电场另外一个问题是，工频电场是否会产生长期的生态影响。随着电压等级的提高，尤其发展到特高压阶段，输电工程的工频电场和磁场的长期生态影响如何，已经变成人们关注的焦点。而且选择输电线路走廊，除了考虑电气强度因素外，输电线路下方的电场强度是一个重要因素。

另外，由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(m．fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波

是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50hz时，2次谐波为l00hz，3次谐波则是150hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。下图1是谐波示意图：

主要非线性负载装置

（１）开关电源的高次谐波，它由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样；

a)一次整流回路噪声：这是电容输入型线路，整流脉动电压要超过c1上的充电电压，电流才从电源输入，电流波形呈脉冲形，对这种脉冲状电流波进行“傅立叶展开”后，可以看到：除了50hz 基波分量外，还有100hz、150hz、200hz、250hz、300hz等高次谐波，这些高次谐波电流全部返回到公用电网中，造成公用电网的波形偏离50hz；

b)开关振荡回路：开关三极管t1一般以20khz以上频率频繁通断，使电路产生高次谐波。其次l1、l2线圈间有漏感，在t1工作时也会形成噪声；

c)二次整流回路噪声：首先，高次谐波流过l2－d5－l4－c2产

生噪声。电流突变过程中在l2、l4上的反电动势也会形成噪声；

d)控制回路噪声：在完成控制过程也会产生噪声。

这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干扰。

（２）变压器空载合闸涌流产生谐波

变压器空载合闸时，可以列出下列方程：

i0 * r1 + n1＝u1 * sin (ωt + α)

求解后得到：

φl = -φmcos (ωt +α)＋φmcosα(1)

φmcos (ωt +α) ——磁通的稳态

分量；

φmcosα——磁通的暂态分量。

如果合闸时，α= 0（既在μ1 = 0的瞬间合闸）

φ1 = φm –φmcosωt (2)

在合闸后半周期时，磁通达到最大值φl = φlmax = 2φm。

铁心中磁通波形对时间轴不对称，考虑剩磁φ0，则磁通波形再向上移φ０，从而使对应磁化曲线工作点移向饱和区，因此在磁通变化时，会产生8～15倍额定电流的涌流，由于线圈电阻r1的存在，变压器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成份以3次谐波为主。

（３）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰：如果ｔ= 0时，cb触头刚分开，弧电压很低略去，因此电源电压ｕ与电容电压相等，

即u = uc。

t = t1时，电流为零，电弧熄灭，而电源电压仍然按正弦变化，经过半周到达正向最大。但是，电容电压uc = -um不再变化。断路器cb触头间电压uj＝u – uc = 2um。

当t = t2时，如果此时弧隙介质击穿，这一过程可以看为um

直流电源经电感ｌ突然加到电压为-um的电容上，因分布参数产生高频振荡，形成高频电流：

ic = 2 * um * ω0 * c * cosω0t，

电容器上电压为：

μｃ= idt = um – 2umcosω0 t (3)

因此，高频电流ic经时间第一次过零时，高频电流被切断，电容器上电压uc = 3um最大值，如果此时电弧被熄灭，则uc将保持3um不变。

t = t3时，uj = 4um，此时弧隙又出现击穿，则电容器电压可达到5um值。

实际上，由于触头间距在开断过程中不断增加，因此介质强度不断增大，当介质恢复强度超过电压增加速度，重击穿现象中止，完成开断，所以电容上过电压倍数不会达到３倍（上面的讨论是假设弧隙重击穿发生在电流过零后10ms，因此恢复电压达到最大值）。

用普通断路器投切电容器c1时（c1处于20kv线路），产生1.8（p.u）过电压，导致谐振，谐振却又在c2处（c2处于6kv线路）产生高于4（p.u）的过电压。