高压输电线路的电磁环境的研究

XXXX大学硕士学位论文
高压输电线路电磁环境的研究
（2013级）
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摘要.................................................................................................错误!未定义书签。

关键词.............................................................................................错误!未定义书签。

一、绪论.........................................................................................错误!未定义书签。

1.1电磁环境的研究背景及意义............................................错误!未定义书签。

1.2国内外研究情况................................................................错误!未定义书签。

1.2.1试验研究..................................................................错误!未定义书签。

1.2.2计算方法研究..........................................................错误!未定义书签。

1.2.3生态影响研究..........................................................错误!未定义书签。

1.3论文的主要内容及创新点................................................错误!未定义书签。

1.3.1论文的主要内容......................................................错误!未定义书签。

1.3.2论文的创新点..........................................................错误!未定义书签。

二、高压架空输电线路下的电磁场.............................................错误!未定义书签。

2.1输电线路简化模型和电场限值........................................错误!未定义书签。

2.2 输电线路简化模型...........................................................错误!未定义书签。

2.3交流输电线路不同相许排列方式下的工频电场和磁感应强度错误!未定义书签。

2.3.1工频电场：..............................................................错误!未定义书签。

2.3.2电磁感应强度..........................................................错误!未定义书签。

2.4直流输电线路的合成电场................................................错误!未定义书签。

2.5工频磁场限值与计算实例分析........................................错误!未定义书签。

三、高压输电线路的电磁环境.....................................................错误!未定义书签。

3.1测量仪器............................................................................错误!未定义书签。

3.2测量方法............................................................................错误!未定义书签。

3.3实验结果............................................................................错误!未定义书签。

3.4不合理测量数据分析........................................................错误!未定义书签。

四、电磁环境的实验研究.............................................................错误!未定义书签。

4.1电磁环境实验研究现状....................................................错误!未定义书签。

4.2电晕笼实验........................................................................错误!未定义书签。

4.3导线表面状况的影响........................................................错误!未定义书签。

4.3.1导线表面场强的计算..............................................错误!未定义书签。

4.3.2特高压交流线路交叉跨越区域电磁环境研究。

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4.3.3.电磁环境问题的试验研究。

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4.4输电线路电磁环境优化措施............................................错误!未定义书签。

4.4.1降低工频电场措施..................................................错误!未定义书签。

4.4.2降低工频磁场措施..................................................错误!未定义书签。

4.4.3降低电晕噪声和无线电干扰措施..........................错误!未定义书签。

五、高压输电线路中电磁环境的参数的预测...........................错误!未定义书签。

5.1、高压输电线路工频电场的预测.....................................错误!未定义书签。

5.2、导线对地高度的影响.....................................................错误!未定义书签。

5.3、分裂导线根数的影响.....................................................错误!未定义书签。

5.2、高压输电线路工频磁场的预测.....................................错误!未定义书签。

5.3、高压输电线路可听噪声的预测.....................................错误!未定义书签。

结论.................................................................................................错误!未定义书签。

参考文献.........................................................................................错误!未定义书签。

摘要
随着输电线路电压等级的不断提高，民众环保意识也在不断的提升，电力企业面对输电线路电磁环境影响方面的投诉越来越多，因高压输电线路建设和运行引发的电磁环境纠纷事件时常发生，已经影响到输电线路的安全建设和经济运行，同时也影响到电网公司的企业形象。

因此，对高压输电线路周围电磁环境的研究具有非常重大的现实意义
随着我国社会经济飞速的发展，各行各业对电力的需求日益增长。

国家在全国范围内建设了一大批水电站、火电站和风电站，其中包括举世瞩目的三峡工程。

随着各类电力项目的开发建设，电网的新建和优化改造工程也同时展开。

由于输变电技术的提高，电网输送的容量在不断增大，输电线路长度在不断加长，输电线路电压等级也在不断提高。

这对全国范围内电力资源的优化配置是有利的，但与此同时日益密集的电网引起了人们的广泛关注，尤其在东部沿海发达地区，一条输电线路的建设很可能会邻近甚至跨越民房、学校等敏感区域，从而形成了一种新型的污染形式——“电磁污染”。

国家环保总局于1998年11月颁布了
HJ/T24-1998((500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》(以下简称《规范》)，加强了对输变电建设项目的环境监督管理。

关键词高压输电线路电磁环境测量实验研究
Abstract
With the transmission line voltage level unceasing enhancement, people'sawareness of environmental protection has also been improved, the power enterprises face of electromagnetic environment of transmission line has an increasing number of complaints, disputes caused byelectromagnetic environment of high voltage transmission line construction and operation of frequent, has affected the safety of transmission linesconstruction and economic operation, but also affect to the Power Grid Corp's corporate image. Therefore, it is significant to research on the electromagnetic environment of high voltage transmission line.
With the development of rapid social and economic of our country, all walks of life growing demand for electricity. The national construction of a large number of power stations, wind power and hydropower stationsnationwide, including the Three Gorges project. With all kinds of electric power development and construction projects, power grid construction and retrofit project also launched. Because the power transmissiontechnology, network transmission capacity increasing, the length of the transmission line in the continuous extension, voltage level oftransmission line is also rising. The electric power resources nationwideconfiguration optimization is favorable, but at the same time increasingly dense grid has aroused wide concern, especially in the eastern coastal developed area, the construction of a transmission line is likely toneighboring houses, even across the school and other sensitive areas,so as to form a new form of pollution -- "electromagnetic pollution". State Environmental Protection Administration promulgated in 1998 November(HJ/T24-1998 (500kV EHV power transmission and transformation project electromagnetic radiation environmental impact assessment of technical specifications "(hereinafter referred to as the" standard "), strengthenthe supervision and management of the environment on the construction of power transmission and transformation project.
Key high voltage transmission line Electromagnetic environment Measurement The experimental study
一、绪论
1.1电磁环境的研究背景及意义
针对上个世纪六七十年代电力需求的增长，国外在超高压输电的基础上研究高压输电。

特高压输电的优势在于能够有效地节省单位输送功率条件下线路走廊、减小输电损耗、有效改善网络结构、实现资源优化配置。

据统计，2004年
全国用电量是1987年的7．08倍，期间用电量年平均增长8．88％，2000---,2 用电量年平均增长12％，估计到2020年仍将保持较快增长，在5---,6％左右，时全国装机容量将达到l100～1200GW。

但是我国能源和负荷地理分布极不均衡，水力资源的68％左右分布在西南地区，煤炭资源的76％左右分布在华北、西北地区，而用电负荷的70％左右则主要集中在东部沿海附近[1]。

这就决定了我国要解决本世纪上半叶的电力供应问题，就必须在大力开发水电和火电的同时建设全国能源传输通道。

将煤炭基地的能源直接转化为清洁的电能，采用长距离特高压输电方式输往各地，可以有效避免长距离分散运输煤炭，减小交通运输压力。

但是与500kV线路相比，特高压输电线路电压高、电流大、导线大(截面大、多分裂)，铁塔高、线路走廊宽，其电磁环境影响区域较500kV线路大，必须进行研究，并采取措施加以限制。

在交流1000kV特高压输电工程论证初期就提出了特高压输电的三项关键技术[1]，其中两项涉及电磁环境，即特高压电晕和电磁场及其影响。

高电场产生的感应电荷、暂态电击等现象是线路附近居民重点关注的问题：较高磁场可能带来的线路下方生态安全问题和环境问题是公众关心的敏感问题；电晕放电产生的无线电干扰对附近区域无线通讯的影响程度、人耳对电晕噪声的直观感受都直接影响公众对特高压输电工程的认同程度。

作为环境评价和验收的重要指标，交流输电线路电磁环境包括的工频电场、工频磁场、无线电干扰和可听噪声等特征参数，直流线路包括的直流合成场、离子流、直流磁场、无线电干扰和可听噪声等特征参数都需要在设计时就予以充分考虑。

从频率上来说，电磁环境问题覆盖了直流、低频(50Hz)到高频(100MHz以上)范围。

从工程设计来说，特高压输电的电磁环境限值决定输电铁塔的高度、线路走廊的宽度和输电导线尺寸等直接影响建设成本的问题。

从对人们的生活环境和质量来说，电场、磁场、无线电干扰和可听噪声都可能对周围生活的居民产生影响。

因此，特高压输电线路电磁环境的研究是十分必要和重要的
1.2国内外研究情况
高压输电线路的电磁环境的研究主要从一下的几个方面进行：实验研究、计算方法研究、生态影响研究、限值的制定。

1.2.1试验研究
试验研特高压交流输电线路电磁环境问题主要包括四个方面内容：工频电场、工频磁场、无线电干扰和可听噪声。

线路产生的无线电干扰和可听噪声的机理相对工频电磁场复杂，为获得更精确的预测公式，各国针对无线电干扰和可听噪声进行了大量的试验研究。

试验研究主要测量手段包括电晕笼试验和试验线段试验。

从20世纪60年代后期开始，美国、前苏联、加拿大、法国、日本等国相继建立试验线段，开展超高压和特高压输电线路无线电干扰和可听噪声试验研究工作。

架设试验线段进行研究的优势在于可以全天候长时间测量无线电干扰和可听噪声的统计值，获得各气象条件下两者的空间传播特性。

但是由于气候环境等条件无法人为控制，这种试验方法获得的测量数据易受周围试验环境干扰，存在导线更换困难和工期长等缺点。

比较而言，电晕笼试验具有设备投资较小、结构调整方便，试验条件可控，试验测量方便，周期较短等优点，因此是试验研究的重要手段。

目前，已有美国、日本、加拿大、法国、韩国等国家建成多个电晕笼开展可听噪声、无线电干扰的精确试验研究。

根据研究成果，各国提出了无线电干扰和可听噪声的预测公式。

由电晕笼试验推导预测公式的方法称为分析法，该方法通过单相单根或单相多根导线大雨条件下的电晕笼试验获得激发函数，然后分析试验数据总结无线电干扰预测公式。

这种方法获得的激发函数是在大雨条件下得到的试验数据，因此预测公式适用于大雨条件。

影响比较大的主要是法国电力科学研究院(EDF)，美国电力科学研究院(EPRI)[30，311和加拿大魁北克研究院(IREQ)1321的预测公式。

是试验法，即通过分析输电线路的长期观测数据提出预测公式。

含线路参数和环境变量的影响，将部分包含线路和环境参数的数据分离出来可以获得特定线路参数和环境变量条件下的电晕产生量，进而获得各种气候条件下的预测公式。

美国邦德维尔电力局(BPA)，就是通过对1200kV试验线路长期观测，获得无线电干扰和可听噪声的实测数据，归纳总结获得计算公式
1.2.2计算方法研究
对交流线路来说，适用于工频电场和工频磁场的数学模型和计算方法很多。

根据对工程问题的简化程度不同，数学模型通常可以分为二维空间模型和三维空间模型。

三维模型能够模拟输电线路三维空间范围内的电磁场分布，而二维模型仅考虑计算平面内电磁场分布情况。

由于原理简单，目前工程常采用二维空间模型。

假设条件如下：
①工频交变电磁场为准静态场；
②输电线路为无限长直导线：
③取导线横截面为研究平面：
④将分裂导线简化为单导线；
⑤大地取零电位，避雷线可不考虑。

线路计算模型：
常见的计算方法有有限差分法、有限元法、等效电荷法及矩量法等。

有限差分法在1892年就开始应用于力学问题，只是在计算机技术发展后，才使它在工程上得到广泛应用。

目前，差分法是计算电场微分方程的一种重要的数值方法，当被分析对象结构复杂，解析方法无法得到结果时，通常会考虑采用差分方法。

其基本做法是将微分方程的定解区域用直线划分为若干网格，在网格的网点处用差商代替偏导数得出差分方程，再解得差分方程，以所得解作为微分方程的数值解。

有限元法是一种求解微分方程的系统化数值计算方法，随着计算机技术的发展，这一方法己推广应用到结构力学、流体力学、传热学等很多技术和科学领域。

20世纪60年代被应用于电磁场问题，现在已成为电磁场问题求数值解的主
要方法之一。

该方法是以变分原理为基础，吸取差分格式思想而发展起来的一种数值网格节点的电位关系式；而有限元法则着眼于场域的各个部分(有限元)，并把这些单元的特性(电场计算中指电位)假设为简单的关系式，最终整个场域的位能将由各点电位表示出来，而按照使位能最小的原则来定出各点的电位。

差分法和有限元法的根本区别在于联立空间电位的一次方程式的过程。

有限元法的程序和输入数据都比差分法复杂。

比较简单的电场(如单一介质，边界也不复杂)，不用差分法而用有限元法可以说没有什么优越性。

但是由于有限元法具有在场域分割自由、边界处理容易、计算方法灵活等优点，近年来有限元法的应用不断增加。

模拟电荷法是基于电磁场的唯一性定理，将电极表面连续分布的自由电荷或介质分界面上连续分布的束缚电荷用一组离散化的模拟电荷予以等值替代，这样，应用叠加原理，将离散的模拟电荷在空间所产生的场量叠加，即得原连续分布电荷所产生的空间电场分布。

静态电场的数学模型可归结为以电位函数为待求量的泊松方程或拉普拉斯方程的定解问题，但在实际工程问题中，电极(导体)表上连续分布的自由电荷以及介质分界面上连续分布的束缚电荷，其分布情况往往是未知的，不能直接由给定的边界条件解出。

若在计算场域之外设置n个被称为模拟电荷的离散电荷来等效替代这些待求的连续分布电荷，则依据等值替代前后边界条件不变的前提条件，即可求得各模拟电荷的量值，从而使场域内任意一点的电位与场强便可由各模拟电荷所产生的场量(甜，E)叠加而获得，以此作为原场的逼近解，这就是模拟电荷法的基本思想。

矩量法是近年来在天线、微波技术和电磁波发射等方面广泛应用的一种方法。

从这些实际工程问题涉及开域、激励源分布形态较为复杂等特征出发，矩量法是将待求的积分方程问题转化为一个矩阵方程问题，借助于计算机，求得其数值解，从而在所得激励源分布的数值解基础上，即可算出辐射场的分布及其阻抗等特性参数。

矩量法的处理过程可以采用加权余量法或定义泛函内积等方法展开。

各方法优劣问题目前尚无定论，选择哪种方法计算电场完全取决于分析的具体问题(例如是计算导线的表面电场还是远距离的线下电场)、研究者的经验、编程技巧、采用计算软件以及计算机的存储能力等具体因素。

1.2.3生态影响研究
针对特高压输电可能产生的生态影响，国外学者做了大量研究。

(1)工频电场和工频磁场
工频电场和磁场对生态的影响分为短期影响和长期影响。

短期影响主要是人和动物在电场和磁场中的直接感受，其中包括暂态电击和稳态电击。

长期影响主要是人和动植物长期在电场和磁场中所受的生理或生物学影响。

上世纪六十年代中期，公众开始关注曝露在极低频率电磁场下对人体健康造成的影响。

世界卫生组织将极低频定为30—300Hz，工频包括其中。

1972年，苏联首先报告了超高压变电站电场反应对工人身体的影响，此后世界各国对此进行了大量的试验研究。

研究前期主要关注居住地区和职业环境中的电场对健康影响。

到七十年代后期，将重点转到了工频磁场生态影响上，开展的试验和调查研究主要包括：病因学研究和对人体试验研究。

近几年，IEEE和世界卫生组织分别对工频电场和磁场的生态影响研究进行过总结。

2002年IEEE公布的标准C95．6(IEEE Standard for Safety Level withRespect to Human Exposure to Electromagnetic Field，0-3kHz))在综合分析各国
研究结果的基础上指出：与地绝缘良好的人触摸接地导体时，当电场强度为5kV ／m时，约7％能感觉到静电放电所引起的疼痛感；当电场强度为20kV／m时，放电容易引起疼痛感；当电场强度为5～lOkV／m时，如果无防护措施，放电可能引起疼痛感。

即使在输电线下出现暂态电击，也只类似人在地板上行走摩擦积累电荷后再碰接地金属体放电一样，只会引起一种稍不舒服的感觉，不会对人造成伤害。

该标准认为没有必要制定由于这种暂态电击引起不舒服的防护标准。

世界卫生组织通过对国际EMF项目及其它著名机构研究结果的分析，在1998年11月发表第205号文，总结极低频电磁场对健康所造成的影响：极低频电磁场与生物组织互相感应后的唯一实质影响，是产生感应于体内的电场及电流，但是，因受到我们周围环境一般存在的极低频电磁场的照射而感应的电流数值，其实较我们体内自然产生的电流数值为低。

现有证据显示，人体暴露在强度达20kV／m的电场，除了身体表面会感应电荷的刺激外，对身体构成的影响只属轻微，而且无害。

至今仍未有资料显示，逾100kV／m的电场强度会对动物的繁殖或发展造成影响。

只有极少经确定的实验证据指住宅或环境中的极低频磁场会影响人体生理及行为。

在一些由自愿人士接受暴露在数小时强度达5mT的极低频磁场的I隘床及生理测试结果显示其影响甚微(包括血液变化、心电、心跳率、血压和体温)。

有些研究员报导，暴露在极低频电磁场可压抑抗黑色素激素(一种控制人体日夜周期的荷尔蒙)分泌。

由于有人指称抗黑色素激素可防止乳癌，故抑压抗黑色素激素可能会令诱发乳癌的机会增加。

现时已有一些证据显示在有关的动物实验中抗黑色素激素会受到影响：至于由自愿人士协助进行的研究，则仍未确定人体抗黑色素激素会否受到类似的影响。

现时仍未有令人信服的证据显示极低频电磁场会直接破坏生物分子，包括脱氧核糖核酸(DNA)，故不大可能会引起癌变，但这方面的研究仍继续进行，以确定暴露在极低频电磁场会否对促进癌细胞的增长或与其它因子共同促进癌细胞的增长构成影响。

最新的动物研究并无发现证据证明暴露在极低频电磁场中会引致癌症。

1.2.4限值的制定
工频电场
如下是一些国家的输电线路附近的电磁强度和相关的电磁强度的限制：
工频磁场
目前多数国家尚未提出工频磁场限值标准，只有少数几个国家制定磁场照射
的限值。

1998年4月国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)正式提出了《
制时变电场、磁场和电磁场(300GHz以下)暴露的原则》德国和澳大利亚的工频磁场限值参照ICNIRP标准，详细规定见下表。

日本、意大利、前苏联等根据自身情况制定了工频磁场暴露限值及相关暴露时间。

无线电干扰
由于各国国情不同，输电线路的无线电干扰限值没有统一的国际标准。

国际无线电干扰特别委员会(CISPR)CISPR-18出版物只建议了限值的定制定限值的原则。

无线电干扰限值的含义是：一年之中80％时间不超过的干扰水平，且具有80％的置信度，即双80％原则。

前苏联、日本、加拿大、波兰等国家根据各国输电线路的参数和对走廊的定义制定了相应的国家标准，其中有的限值不分电压等级，有的则规定了不同电压和限值参考距离下的统一限值。

无限电干扰值：
无限电干扰限值的参考距离：
我国现有国家标准GBl5707．1995《高压交流架空送电线无线电干扰限值》我国环境保护标准，即HJ／T24．(500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》引用了500kV的55 dBgV／m为评价标准，并规定以晴天为测量条件。

虽然两个标准都不是针对直流输电线路，但近年来，我国的几条+500kV 直流线路的环境评价，无线电干扰评价标准就是参照500kV交流线路的55 dBgV ／m，参考距离为极导线投影20m处的1999《高压架空送电线路无线电干扰计算方法》推荐了对于双极直流送电线路无线电噪声场强的计算方法，该方法实际上是引用世界卫生组织的“公共噪声导则”是根据对噪声进行了科学研究而提出的噪声标准。

1999年颁布的导则要求在白天不使人烦躁的情况下不超过50 dB(A)，夜间睡眠则不应超过45 dB(A)。

交流输电线路的可听噪声限值一般取50～55 ·dB(A)。

我国输电线路所经过区域的可听噪声应参照国家标准GB3096--2008《声环境质量标准》执行。

对于直流输电线路，也可按照电力行业标准DL／T436—2005《高压直流架空送电线路技术导则》中的规定设计，即在线路档距中央距正极性导线投影外侧20 In处，由线路电晕产生的可听噪声应不大于50 dB(A)。

1.3论文的主要内容及创新点
1.3.1论文的主要内容
本文将从高压输电的电磁环境的试验、数据、模型、测量等不同的方面进行研究。

对各种不同的高压的输电线路的周围的电磁环境进行必要的数据分析、试验、测量等。

将结合理论知识深入的分析，以期望达到对高压输电线路周围的电磁环境有一个去全面、细致、深入的了解。

并对试验的结果进行分析和研究。

得
出一定的实验模型和结论。

1.3.2论文的创新点
论文的创新点主要体现在通过试验来模拟高压输电线路的各种特性和表现。

大量的计算和实际实例的加入也是本课题的一大创新点。

将理论的特性通过一定的试验模型来表现。

使得结论更加的合情合理。

更加的具有说服力。

从电和磁的两个不同的角度来考虑问题，以期望彻底的对高压输电线路周围的电磁环境有一个深入的了解。

二、高压架空输电线路下的电磁场
2.1输电线路简化模型和电场限值
各个国家国情和管理程序不一样，对于电场限值的建议或实施规程也不尽相同。

国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP) 1998 年 4 月正式提出了《限制时变电场、磁场和电磁场(300MHz 以下)暴露的导则》[19]。

该导则关于工频电场限值：50Hz，对职业人员为10 kV/m；对一般民众为5kV/m。

我国环境保护行业标准HJ/T24-1998 《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》规定：暂以4kV/m作为居民区工频电场评价标准[21]。

DL/T5092-1999《110~500kV 架空送电线路设计技术规程》16.0.5 条规定：500kV 输电线路邻近民房所在位置，离地lm 处最大电场不得超过4kV/m。

公众易接近的地方，线路跨越公路时，不超过7 kV/m；跨越农田时，不超过10 kV/m[22]。

对直流线路，国家电网公司企业标准Q/GDW145-2006《±800kV 直流架空输电线路电磁环境控制值》规定线下地面合成电场强度不超过30kV/m；民房所在地面合成电场强度，不超过15 kV/m[23]
2.2 输电线路简化模型
为了便于计算和编程，对高压输电线路做些简化和处理：
1、将工频交变电磁场视为准静态场[5]
准静态下的源和场都是时间和空间的函数，给定源在某一瞬间的值，就可以确定同一瞬时的场，而与稍早瞬间的源状态无关。

高压输电线路附近的场域是无界的，介质由单一空气介质组成，对于工频交变电场，频率50Hz，其波长远大于所研究空间的几何尺寸，故可视为准静态场。

2、地线对于地面附近场强的影响很小，研究表明，没有地线时较有地线时的场强增加约1%～2%，所以可以忽略地线，简化计算模型[21]。

如果考虑地线的影响，则认为它良好接地，电位为零。

将电位系数矩阵增加两阶，同导线的计算方法一样，用单位长度的等效电荷来考虑地线的影响。

3、分裂导线的处理
实际的超、特高压输电线路导线为分裂导线，分裂数2~10不等。

计算时，将导线简化为无限长、光滑、圆柱形导体，使用等效半径。

若地线也是分裂导线，则采用相同的方法。

4、电压、电流的处理不考虑线路电压降，认为导线电压是确定的，忽略杆塔、横担、周围邻近物体的影响。

导线电压、电流为三相对称正弦函数，相角依次相差120°。

用有效值相量表示，将其写成复数形式，则相电压、电流可表示。