徐 輝　宋福祥　阮黎東　孫偉通　尚致楠　佟 晶　李 飛

(1.北京市輻射安全技術(shù)中心， 北京　100089； 2.北京市環(huán)境保護(hù)局， 北京　100048)

220kV變電站地下電纜工頻磁場長、短期變化規(guī)律分析

徐 輝1宋福祥1阮黎東2孫偉通2尚致楠1佟 晶1李 飛1

(1.北京市輻射安全技術(shù)中心， 北京100089； 2.北京市環(huán)境保護(hù)局， 北京100048)

摘要：本文收集了北京地區(qū)一個典型220 kV變電站廠界處220 kV地下電纜的工頻磁場自動監(jiān)測系統(tǒng)3年的數(shù)據(jù)，通過工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度相關(guān)性分析及監(jiān)測數(shù)據(jù)長期、短期、瞬時變化規(guī)律分析，發(fā)現(xiàn)工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度具有強(qiáng)相關(guān)性；且工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度冬季高于夏季，工作日高于周末，一天中峰值出現(xiàn)在9～10點(diǎn)與18～22點(diǎn)；針對變化規(guī)律得出的結(jié)論可為相關(guān)的實(shí)際監(jiān)測工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地下電纜；輸電電流；工頻磁場；自動監(jiān)測；數(shù)據(jù)分析

當(dāng)今社會，隨著用電量的急劇上升，高壓輸變電工程也大批上馬，其帶來的工頻電磁場也被稱為“電磁污染”或“電子煙霧”受到公眾越來越多的關(guān)注。為提高城市土地利用價值及電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，同時也為減少高壓輸變電線路和變電站周圍電磁輻射影響的投訴，市區(qū)內(nèi)變電站采用半地下或全地下戶內(nèi)式，并由電力電纜線路送電。盡管如此，居民仍擔(dān)心其對周圍電磁環(huán)境的影響。

電磁場在線監(jiān)測系統(tǒng)能消除公眾對所處環(huán)境電磁水平的不信任，因此愛爾蘭、意大利等歐洲國家已建立了電磁環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行長期監(jiān)測、分析，以消除公眾疑慮。上海在市區(qū)全地下500 kV世博變電站的上方地面上安裝了工頻電磁場自動監(jiān)測系統(tǒng)，北京也在市區(qū)一個220 kV變電站四周安裝了工頻磁場自動監(jiān)測設(shè)備及一個LED顯示屏，以應(yīng)對周邊居民的顧慮。

本文對該220 kV變電站長期監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算整理后，對工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度的相關(guān)性，工頻磁場的長期、短期、瞬時變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

1研究基礎(chǔ)

1.1變電站基本情況

該220 kV變電站建于2012年，是一個半戶內(nèi)式變電站，配備4臺180 MVA主變，共8回220 kV出線，安置在5個地下電纜隧道中，隧道走向與變電站廠界垂直，其中西側(cè)自北向南有3個220 kV地下電纜隧道，北廠界、南廠界各有1個220 kV地下電纜隧道。

變電站于東、西、南、北廠界處各安裝了1套工頻磁場自動監(jiān)測設(shè)備，由于西廠界處的工頻磁場比其他3個自動站的數(shù)值高，因此選定變電站西廠界工頻磁場自動監(jiān)測設(shè)備(以下簡稱西自動站)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

西廠界自南向北有3個電纜隧道(隧道四、隧道三、隧道二)，中心線距西自動站分別為4.6、9.2、16.35 m?？梢姡鲝S界自動站的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度主要受隧道四中220 kV電纜電流的影響。

1.2監(jiān)測儀器

變電站西廠界幾何中心點(diǎn)、北廠界、南廠界中心處各安裝有1套工頻磁場自動監(jiān)測設(shè)備(以下分別稱H1、H2、H3)，探頭距地面1.7 m。自動監(jiān)測設(shè)備主機(jī)為PMM8057，準(zhǔn)峰值檢波，數(shù)據(jù)記錄間隔3秒；配磁場探頭HP-1B-01，頻率范圍10Hz～5 kHz，測量范圍50 nT～200 μT。3秒的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在主樓西墻的LED大屏上，每3秒刷新一次，4套工頻磁場自動監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)循環(huán)依次顯示；顯示的數(shù)據(jù)同時傳回變電站主控室數(shù)據(jù)庫，并按一定時間間隔傳回輻射中心監(jiān)控室的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總和處理。

1.3監(jiān)測數(shù)據(jù)

地下電纜一般安置在地下隧道內(nèi)，隧道的鋼筋水泥、地表的覆土或地面水泥等對電場的屏蔽作用很大，所以地表面的工頻電場基本可以忽略不計；但對磁場屏蔽效果差，因此對地下電纜主要考慮磁場強(qiáng)度的影響。

調(diào)取自動監(jiān)測站2012-2014年的6 min RMS值，經(jīng)有效性篩選后計算小時均值、日均值、月均值、季均值等；調(diào)取2015年2月2-8日小時均值。

1.4數(shù)據(jù)分析內(nèi)容

(1) 工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度-電流強(qiáng)度相關(guān)性分析

(2) 工頻磁場長期、短期、瞬時變化規(guī)律分析

2數(shù)據(jù)分析

2.1工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度-電流強(qiáng)度相關(guān)性分析

隨著用電負(fù)荷的變化，即通過電纜的電流的變化，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之變化，因此在線路電纜中基本參數(shù)(如電纜埋深，電纜尺寸，電纜材料，相間距，相序，電壓等級等)一定的情況下，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小主要取決于電流強(qiáng)度大小。但二者之間相關(guān)程度的高低需要通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)行評定。

2.1.1工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度相關(guān)

選取2012年1月-2014年5月西廠界工頻磁場自動監(jiān)測設(shè)備的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度月均值及對應(yīng)西側(cè)電纜隧道內(nèi)電纜的電流值，同時選取2015年2月2日-2015年2月8日工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度小時均值及對應(yīng)的電纜電流值，繪制了電流強(qiáng)度與工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系曲線圖，分別見圖1(a)、(b)。

由圖1可以看出，隨時間的變化，與之對應(yīng)的電流強(qiáng)度有較大幅度的變化；同時監(jiān)測的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度值也隨之變化，且兩條曲線形狀相似，變化趨勢也一致，說明電流強(qiáng)度與工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度之間有關(guān)聯(lián)。

2.1.2工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度-電流強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)

通過SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件對圖1中第一組和第二組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果顯示在99%的置信區(qū)間，兩組數(shù)據(jù)中工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)分別為0.985和0.823，均為顯著相關(guān)。

圖1(b)中第二組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)相比第一組較低，原因是該時段離自動站最近的隧道四中的電纜由于改造暫停工作，因此西自動站主要受中間的隧道三中電纜電流的影響，而隧道三距離自動站相對較遠(yuǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度值偏低，易受其他環(huán)境干擾因素影響，相關(guān)性自然會小一些，但依然為顯著相關(guān)。

可見，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化主要取決于電流強(qiáng)度的變化，即用電負(fù)荷大小。因此，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的長期變化規(guī)律與用電負(fù)荷的變化強(qiáng)相關(guān)。

2.2工頻磁場長期變化規(guī)律分析

選取2012年和2013年的西廠界、2013和2014北廠界/南廠界工頻磁場自動監(jiān)測設(shè)備的6 min RMS數(shù)據(jù)，計算其小時均值、日均值、月均值、季均值等，并進(jìn)行變化規(guī)律分析。

(a)第一組： 月均值(2012.1-2014.5)

(b)第二組：小時均值(2015.2.2-2015.2.8)圖1　西廠界自動點(diǎn)位工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度變化關(guān)系

2.2.1西廠界工頻磁場季度、月變化規(guī)律

西自動站2012、2013年工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度季均值、月均值變化趨勢詳見圖2(a)、(b)。從圖中可以看出該點(diǎn)位的工頻磁場呈現(xiàn)較明顯的季節(jié)性和月份變化規(guī)律，每年的1季度磁感應(yīng)強(qiáng)度值最高，4季度次之，2季度最低，說明該220kV線路電流強(qiáng)度在1季度最大；從月份看，12月、1～3月磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，其中2013年1月份達(dá)到3.6μT； 而4～6月份最低，其中2013年5月份僅為0.5μT。圖2(a)中2014年3、4季度工頻磁場規(guī)律與2012、2013年不同的原因是2014年5～12月該線路由于其他原因暫時中斷供電?？傮w看，本測點(diǎn)工頻磁場呈現(xiàn)冬季高、夏季低的變化趨勢。

(a)季均值

(b)月均值圖2　西廠界磁場強(qiáng)度均值變化趨勢圖(2012年-2013年)

2.2.2北、南廠界工頻磁場季度、月變化規(guī)律

圖3為北廠界、南廠界自動監(jiān)測站2013、2014年工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度月均值變化趨勢。由于北自動站、南自動站分別離變電站北側(cè)、南側(cè)電纜隧道10 m以上，而且北側(cè)、南側(cè)隧道中220 kV線路電流強(qiáng)度值低于西廠界的220 kV線路，因此北、南廠界的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于西廠界，如2013年1月北自動站工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.31 μT，僅是同期西自動站的1/10；但北、南廠界長期變化規(guī)律與西廠界基本一致，即呈兩頭高、中間低的變化趨勢，冬季略高于其他季節(jié)。

圖3　北廠界、南廠界磁感應(yīng)強(qiáng)度月均值變化趨勢(2013-2014年)

2.2.3工頻磁場長期變化規(guī)律原因分析

統(tǒng)計資料顯示，北京地區(qū)夏季用電負(fù)荷高于冬季，但該變電站西廠界處的工頻磁場變化呈明顯的季節(jié)性，即冬季遠(yuǎn)高于夏季，南、北廠界工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度值雖然幅值較低，但規(guī)律也為冬季略高于夏季。初步分析，與西側(cè)220 kV出線沿路供電用戶的功能有關(guān)，因沿路除居民區(qū)外，有不少商業(yè)用辦公樓、大廈、商場、工廠等，年底、春節(jié)前工廠和公司為完成年度指標(biāo)會經(jīng)常加班，商場也會搞各類促銷活動等；且冬天晝間短，用電時間長；另外，冬季取暖時常會看到由于集中供暖溫度不夠，在居室內(nèi)或辦公室里再增加電加熱設(shè)備等現(xiàn)象，因此該線路冬季用電負(fù)荷高于夏季，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度自然就會出現(xiàn)冬季高于夏季的規(guī)律。

2.3工頻磁場短期變化趨勢分析

2.3.1工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度日均值變化趨勢分析

圖4是西自動站2012-2013年全年及2014年1～4月底的日均值變化情況，可以看出3年中12月、1～3月工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢基本一致，且始終穩(wěn)定在高值，沒有出現(xiàn)相鄰兩日幅值呈現(xiàn)大幅振蕩的情況，因此在進(jìn)行工頻電磁場實(shí)驗室比對時建議選取12月、1～3月。

圖4　全年工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度日均值變化趨勢(2012-2014年)

2.3.2工頻磁場工作日與周末的變化規(guī)律分析

選取西自動站2013年1～3月、9～10月每日工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并分別按周一至周日計算同期算術(shù)均值，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯簝山M數(shù)據(jù)的工作日(周一至周五)的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度均高于周末(周六和周日)；在工作日中，周一最高(分別為3.63 μT和2.82 μT)，周三最低(分別為3.59 μT和2.71 μT)；從周末兩天看，周日的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度低于周六。一周當(dāng)中，周一工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度最高，而周日最低(分別為3.47 μT和2.68 μT)。但總體上，

圖5　工作日與周末工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度對比

一周當(dāng)中各日的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度幅度相差很近，最大值與最低值相差0.15 μT左右。

2.3.3工頻磁場24小時變化規(guī)律分析

分別選取2013.3.11-3.17及2014.3.22-3.28各日的小時均值并做變化趨勢圖，見圖6(a)、(b)。

(a)2013.3.11-3.17

(b) 2014.3.22-3.28圖6　西廠界自動站工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度小時變化趨

可以看出圖6(a)的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度在3.1～3.6 μT之間，而圖6(b)的工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.3～0.7 μT之間，相差近10倍，但二者的變化規(guī)律基本一致：呈現(xiàn)兩個波峰、兩個波谷。其中波峰分別出現(xiàn)在晝間上午9～10點(diǎn)和晚上18～22點(diǎn)，波谷分別出現(xiàn)在凌晨2～4點(diǎn)和晝間下午14～15點(diǎn)；晝間的波峰通常高于晚間的波峰，而晝間的波谷低于夜間的波谷；但最高波峰、最低波谷的絕對值差值均不大，圖6(a)、(b)中最大絕對差值均為0.2 μT左右，說明一段時間內(nèi)或一天中工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度值幅度變化不大。

2.3.4工頻磁場短期變化規(guī)律原因分析

上述工頻磁場短期變化規(guī)律亦與線路沿途供電用戶性質(zhì)及工作、生活規(guī)律相關(guān)，如工頻磁感強(qiáng)度在晝間9～10點(diǎn)、晚間18～22點(diǎn)出現(xiàn)峰值，而晝間9～10點(diǎn)正是辦公、工廠、商場等用戶開始一天工作的時段，晚間18～22點(diǎn)是居民下班、周末出游后回家做飯、看電視或去周邊場所休閑、娛樂時段，因此用電負(fù)荷較大。國外也有一天內(nèi)不同時間段工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律的分析，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度高峰時段為晚間18～21點(diǎn)，與本文分析結(jié)果相似。

2.4工頻磁場瞬時變化規(guī)律

選取2013年3月11日和2014年3月25日兩個典型日的工作時段，即9：00-17：00的6 min RMS工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度值(由于自動系統(tǒng)軟件設(shè)置，實(shí)際系統(tǒng)計算的是5 min左右的RMS均值)，因此每個小時有11～13個RMS均值，記作m1～m13；對每小時的6 min RMS值計算平均值 、標(biāo)準(zhǔn)偏差和各6 min RMS值與平均值的差值，并將差值折算成標(biāo)準(zhǔn)偏差的倍數(shù)，關(guān)系圖見圖7。

(a)2013年3月11日

(b)2014年3月25日圖7　西廠界自動站磁場強(qiáng)度6 min RMS差值折算成標(biāo)準(zhǔn)偏差倍數(shù)的關(guān)系

從圖7可以看出，(a)、(b)兩組數(shù)據(jù)大部分點(diǎn)落在1個標(biāo)準(zhǔn)偏差之內(nèi)，但分別約有30%的6 min

RMS值與小時均值的差值大于1個標(biāo)準(zhǔn)偏差?？梢?，工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度6 min的穩(wěn)定性基本較好，但若進(jìn)行比對監(jiān)測等要求穩(wěn)定性較高的情況下，應(yīng)考慮偏差修正。

4結(jié)語

(1) 由于高壓線路/地下電纜沿路用電的用戶性質(zhì)不同，一年中各季度的用電負(fù)荷不同、每日工作/生活的時間規(guī)律不同等，因此產(chǎn)生的工頻磁場具有季節(jié)性變化規(guī)律，且每日中工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度具有波峰和波谷時段。

(2) 工頻電磁場自動監(jiān)測數(shù)據(jù)能全面反映變電站的工頻電磁環(huán)境的變化情況，除能積累大量數(shù)據(jù)外，對周圍居民也能起到科普、宣傳的作用。該變電站及上海500 kV世博變電站均在特大城市市區(qū)內(nèi)，建設(shè)前遇到了來自居民的很大阻力，同步建成了工頻電磁場監(jiān)測系統(tǒng)后，LED大屏上實(shí)時顯示的監(jiān)測數(shù)據(jù)徹底消除了居民的憂慮。因此工頻電磁場自動監(jiān)測系統(tǒng)是宣傳的有效途徑之一，應(yīng)加大建設(shè)力度。

參考文獻(xiàn)

Paniagua J M, Jime'nez A, Rufo M，et al.Exposure to extremely low frequency magnetic fields in an urban area. Radiation & Environmental Biophysics,2007,46(1)：69-76.

Nikola Djuric, Miroslav Prsa, Karolina Kasas-Lazetic.Information Network for Continuous Electromagnetic Fields Monitoring. Int.J.Emerg. Sci., 2011,1(4):516-525.

Nassiri P,Monazzam M R，Yunesian M,et al. Extremely Low Frequency Magnetic Flux Densities Measured Near Hospital Tehran, Int. J. Environ. Res.,2011, 5(4):1035-1040.

Analysis on long-term and short-term varying trends of magnetic fields induced by underground cables in 220kV transformer substation

Xu Hui1，Song Fuxiang1，Ruan Lidong2，Sun Weitong2,Shang Zhinan1, Tong Jing1, Li Fei1

(1.Beijing Radiation Safety Technical Center, Beijing 100089;2.Beijing Municipal Environmental Protection Bureau, Beijing 100048)

Abstract:Quantity of magnetic flux density data for 3 years are retrieved from the automatic monitoring system located in the boundary of 220kV transformer substation for monitoring magnetic fields generated from 220kV underground cables, and analysis on long-term, short-term, instantaneous monitoring data as well as the correlation between power frequency magnetic flux density and current density are carried out. It is revealed that magnetic flux density is significantly related to current density, the magnetic flux density in winter and work days are higher than that in summer and weekends respectively, and peak magnetic flux density within one day presents in 9-10AM and 18-22PM. Based on the analysis results, some suggestions in terms of in-situ measurements are put forward.

Keywords:underground cable; power transmission current; power frequency magnetic field; automatic monitoring; data analysis

收稿日期：2015-06-24；2016-03-23修回

作者簡介：徐輝，女，1971年生，高級工程師，研究方向：噪聲、電磁輻射監(jiān)測。E-mail:crystalbjmemc@126.com

中圖分類號：X837

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A