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在几个国家的电力设施附近测量工频电场和磁场
Kenji Tanaka, Member, IEEE, Yukio Mizuno, Member, IEEE, and Katsuhiko Naito, Life Fellow, IEEE
摘要：为了定量评估电力设施内部和周围的工频电磁场（EMF），测量它们的实际值是很重要的。但是，似乎没有这种系统的研究。在这种情况下，作者已经计划并正在进行各国之间关于工频电磁场测量的国际合作研究。本文介绍了哥伦比亚，古巴，印度尼西亚，日本，墨西哥，泰国和美国的电力设施内部和周围的EMF测量结果。
关键词：电磁场，电力设施，电源频率。
1.绪论
据报道，有许多由工频电场和电磁场产生的计算结果，这些结果是由输电线路[1]–[3]等电力设施产生的。变电站[4]，[5]；还有[6]，[7]等。磁场减小的方法也已经基于计算进行了讨论[8]。此外，还在几个地方进行了现场调查[9]，[10]。但是，似乎很少有同一个团队在多个县的电力设施内部和周围使用相同的测量仪器，以相同的程序进行相同领域的现场调查。实际测量附近电力设施的工频电场和电磁场（EMF）是很重要的，用以量化电磁环境，并在必要时将其与国际和/或国内EMF准则或标准中给出的进行比较。
在这种情况下，作者计划在各国之间以及在电力设施内部和周围进行电力频率电动势的国际合作研究[11]。为了进行结果比较，按照相同的程序进行了相同的测量仪器的使用和测量，这在国际合作研究中非常重要。
本文总结了电动势在七个国家的测量结果，在500kV、400kV、275kV、230kV、220kV、115kV和110kV电力设施内和周围开展的活动。测试国家有：哥伦比亚[12]；古巴[12]；印度尼西亚[13]；日本[11];墨西哥[14]；泰国[15]；和美国[16]。
2.测量位置
如表1所示，测量是在7个系统电压为110kV至500kV的电力设施国家进行的。
表1测量位置
|
国家 |
位置 |
系统电压（kV） |
|
哥伦比亚 |
变电站内 |
500 |
|
230 |
||
|
输电线路下方 |
500 |
|
|
输电线路下方 |
115 |
|
|
古巴 |
变电站 |
220 |
|
110 |
||
|
输电线路下方 |
220 |
|
|
印度尼西亚 |
变电站内 |
500 |
|
输电线路下方 |
500 |
|
|
日本 |
变电站内 |
500 |
|
输电线路下方 |
275 |
|
|
墨西哥 |
变电站内 |
400 |
|
变电站内 |
400 |
|
|
输电线路下方 |
400 |
|
|
输电线路下方 |
400 |
|
|
泰国 |
变电站内 |
500 |
|
输电线路下方 |
500 |
|
|
美国 |
变电站内 |
500 |
|
变电站内 |
500 |
|
|
输电线路下方 |
500 |
|
|
输电线路下方 |
500 |
3.测量方法
在这样的国际合作研究中，注意使用相同的测量仪器，并遵循相同的测量程序是很重要的。EMF是在本研究中通过现场和连续测量来确定。
3.1点测量
在给定位置和时间的电场和磁场可通过现场测量获得，其中测量工具固定在感兴趣的位置，并且仅执行一项测量。
对于电场和磁场的现场测量，分别使用了Furukawa的电场仪和Enertech的磁通密度仪。仪器的规格如表2所示。用仪器获得的结果为均方根的磁通量（以下称为磁场）。在离地面大约1m处测量EMF值。
表2斑点测量仪器的规格
|
电场强度计 |
磁场强度计 |
|
|
模型 |
EFM-309 |
EMDEX-Ⅱ |
|
传感器几何形状 |
间隔100mm盘状传感器 |
三个线圈 |
|
部件 |
仅垂直 |
3自由度和（或）组合 |
|
范围 |
0-9kV/m |
0.01-300uT |
|
绝缘棒 |
丙烯酸树脂 |
不详 |
|
制造商 |
古河电气有限公司 |
能源科技顾问公司 |
在变电站中，EMF的测量是在每隔1m沿彼此正交的两条直线路径如图1所示，该图显示了500kV的示例变电站。
图1 500 kV变电站中的测量路径示例
在传输线下进行测量的位置是在最低间隙处每隔1m沿垂直于传输线的路径。测量程序符合IEEE标准644-1994[15]中规定的准则。图2显示了500kV下的测量路径示例传输线。
图2 500 kV传输线下的测量路径示例
3.2连续测量
在连续测量中，一种仪器固定在四处走动的志愿者的身体上。因此，需要一种便携式且轻便的仪器。之所以选择EMDEXII，是因为其具有便携性，电磁场的同时测量能力以及用于数据分析的软件可用性。表3总结了EMDEXII的规格。但是，由于市场上没有便携式电子传感器，因此使用不锈钢网开发了一种便携式传感器，以便固定在肩上，如图3所示[18]。由于电场强度在肩部得到增强，因此该传感器检测到的电场被校正为离地面1m高的电场。在电场测量的情况下，测量垂直方向的电场是因为假定大多数电场都来自架空设备，例如母线[9]。从水平方向测量场将是未来的工作。使用安装在腰部的仪器内部的传感器（对应于大约1m高）直接测量磁场。在测量过程中每3秒钟记录一次EMF值并进行记录。测量完成后，将记录的数据传输到个人计算机，然后使用软件进行分析。
表3连续测量仪器的规范
|
模型 |
EMDEXⅡ |
|
|
场 |
电场强度 |
磁通密度 |
|
尺寸（mm） |
170*70*40 |
|
|
重量（g） |
340 |
|
|
传感器 |
网孔 |
三个线圈 |
|
部件 |
单方向 |
组合式 |
|
范围 |
1-200kV/m |
0.01-300uT |
|
计量读数 |
充电电流 |
磁通密度 |
一名志愿者在他的肩上背着电场传感器，在腰上背着EMDEXII。他没有停留在给定的位置，而是在变电站内或传输线下走动。因此，他有时离变压器很近，有时离任何电力导体都很远。
图3 用于与EMDEX II一起连续测量电场的传感器
4.点测量结果
图4和5是分别在图1所示的500kV变电站内与路径1和路径2一起测量的EMF配置文件的典型示例。在总线线路下观察到的电场为90V/cm。在GCS和GIS附近观察到了最高的21uT磁场。
图4 通过沿图1中的路径1进行点测量获得的500 kV变电站内的电磁场轮廓
图5 通过沿图1中的路径2进行点测量获得的500 kV变电站内部的电磁场轮廓
在另一个安装了常规电力设备的500kV变电站中获得的结果如图1和2所示。与图6和7所示的带有气体绝缘设备的变电站相比，我们假设较长的绝缘距离会导致较低的磁场强度如图4和图5所示。
图6 通过沿路径1的点测量获得的500 kV变电站内的电磁场轮廓
图7 通过现场测量和路径2获得的500 kV变电站内的电场和磁场分布
图8和9分别显示了在图2所示的500kV传输线截面下测得的电场和磁场分布以及计算值。在位于高尔夫球场的水平配置的双回路传输线下进行测量。几乎平行于所选传输线存在更多的500kV双回路传输线。使用VisualBasic编程的软件进行计算。在导体下获得的电场最大值为2.3kV/m，磁场的最大值为2.0uT。测量值接近于电场和磁场的计算值。
图8 通过沿图2中的路径进行点测量，在500 kV输电线路段下的电场分布图
图9 通过沿图2中的路径进行点测量，在500 kV传输线段下的磁场分布
图10显示了另一根500kV输电线路下的EMF曲线，并带有计算值。如图所示，导体布置为三角形。刚好在导体下方观察到电场的最大值为5kV/m。几乎在行进中心处观察到最大磁场为2.0uT。电场和磁场的测量值和计算值也相同。
图10 500 kV输电线路下的电磁场示例
5.连续测量结果
5.1内部变电站
图11和12分别是在500kV变电站内获得的电场和磁场随时间变化的示例。如前所述，应该注意的是，这些不是在固定点获得的，而是表明在行走时志愿者所受到的EMF。电场被校正到距地面1m处[8]。
图11 通过在500 kV变电站内走动获得的电场的时间变化
图12 通过在500 kV变电站内走动获得的磁场的时间变化
和14分别总结了通过变电站内部连续测量获得的电场和磁场的累积百分比数据。至于图13所示的电场曲线，可以识别系统电压的独立性。由于磁场受电流影响，因此它与系统电压之间没有关系。
图13 通过变电站连续测量获得的电场累积百分比的比较
图14 通过变电站连续测量获得的磁场累积百分比的比较
5.2输电线路下方
还按照与变电站内部相似的程序在传输线下连续测量EMF。图15和16分别显示了在500kV输电线路下获得的电场和磁场的时变示例。
图15 在500 kV输电线路下通过连续测量获得的电场的时间变化
图16 在500 kV输电线路下通过连续测量获得的磁场的时间变化
6.探讨
图17和18总结了分别在现场测量中在变电站中获得的电磁场的最大值。图19和20总结了在现场测量中分别在传输线下获得的电场和磁场的最大值。在这些图中，实心条形图表示60Hz，而白色条形图表示电网频率为50Hz。
在变电站内和输电线路下的大多数区域，电场均低于职业暴露的ICNIRP参考水平[19]。仅在极少数的位置，例如变电站中的变压器附近，电场才发现比参考水平高一点。变电站以及输电线路下记录的所有磁场分别远低于500uT和420uT在50Hz和60Hz的ICNIRP参考水平。通过连续测量获得的结果也是如此。
图17 通过现场测量获得变电站的
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