汪洪軍 黃攀 董玉平 孔偉 劉延

摘要：素地電磁環(huán)境實(shí)測與分析對(duì)于先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)室建設(shè)意義重大，可用于指導(dǎo)先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)室建設(shè)選址的適用性和電磁環(huán)境影響控制設(shè)計(jì)。以中國計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)為研究對(duì)象，制定測試方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)素地電磁環(huán)境特性進(jìn)行測試。結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)地塊四周工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度均大于0.01μT，動(dòng)力站和10 kV 變電站周邊更大，實(shí)驗(yàn)區(qū)核心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度基本在0.01μT 附近，為滿足實(shí)驗(yàn)室工頻磁場容許值，建設(shè)地點(diǎn)應(yīng)沿周邊道路退讓一定距離，并應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力站和變電站，對(duì)工頻磁場環(huán)境要求更為嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)依據(jù)測試數(shù)據(jù)采取必要的屏蔽處理措施;實(shí)驗(yàn)區(qū)所有位置的射頻電場強(qiáng)度26～3000 MHz頻段均小于1 V/m，最大場強(qiáng)為0.5037 V/m @26.3125 MHz，該頻段射頻電場強(qiáng)度對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)影響不大，無需做任何防護(hù)處理措施。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室;素地;電磁環(huán)境;現(xiàn)場測試

中圖分類號(hào)： TB973;TU18文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1674–5124（2021）12–0001–05

Measurement and analysis of electromagnetic environment in ground in plainadvanced measurement experimental area

WANG Hongjun1，HUANG Pan1，DONG Yuping2，KONG Wei1，LIU Yan1

（1. National Institute of Metrology， China， Beijing 100029， China;2. Beijing Branch of

Nanjing Bosen Technology Co.， Ltd.， Beijing 100027， China）

Abstract： The measurement and analysis of the electromagnetic environment is of great significance for the construction of the advanced measurement laboratory， which can be used to guide the applicability of the constructionsiteselection of the advanced measurement laboratory and the design of the electromagnetic environment impact control. Taking the advanced measurement experimental area of the experimental base of National Institute of Metrology as the research object， the test scheme is made to test the electromagnetic environment characteristics of the experimental area. The results show that the magnetic induction intensity of power frequency magnetic field around the construction site of the experimental area is greater than 0.01μT. The magnetic induction intensity around the powerstation and 10 kVsubstation is larger. The magnetic induction intensity at the core of the experimental area is basically around 0.01μT. in order to meet theallowable value of power frequency magnetic field of the laboratory， the construction site should retreat acertain distance along the surrounding road， and should be far away from the power station and substation For a more strict laboratory， necessary shielding measures should be taken according to the test data; the RF electric field strength of all positions in the experimental area is less than 1 V/m in the 26-3000 MHz frequency band， and the maximumelectricfieldstrength is 0.5037 V/m @26.3125 MHz， which has little impacton the laboratory construction and does not need any protective measures.

Keywords： laboratory; plain ground; electromagnetic environment; field test

0引言

近年來，隨著科教興國戰(zhàn)略的深入實(shí)施，國家對(duì)科技教育領(lǐng)域的投入也越來越大，各個(gè)大學(xué)、科研院所紛紛興建新的先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)室，并自研或采購大量的高端科學(xué)儀器。但由于對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備正常使用所需的電磁環(huán)境條件的要求認(rèn)識(shí)不足，在建設(shè)選址階段不了解建設(shè)區(qū)域素地電磁環(huán)境狀況，在實(shí)驗(yàn)室附近布置了大量的無線電通信設(shè)備和高壓變配電設(shè)施且未對(duì)其做任何的處理措施，最終導(dǎo)致精密儀器設(shè)備損害、降低測量精度或產(chǎn)生難以接受的偏離。

影響儀器正常工作的電磁污染主要是工頻電磁場和無線電干擾，其主要來源于變配電設(shè)備、大功率廣播發(fā)射臺(tái)、無線通信等，這些設(shè)施設(shè)備產(chǎn)生的復(fù)雜干擾會(huì)給檢測數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測儀器正常運(yùn)行帶來困難[1-2]。如果電磁場強(qiáng)度過大，還可能對(duì)人體健康造成危害[3-6]。由于電磁場看不見、摸不到，不易被察覺，大多數(shù)設(shè)計(jì)者又缺乏對(duì)電磁污染相關(guān)知識(shí)的了解，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)選址和設(shè)計(jì)時(shí)就會(huì)對(duì)電磁干擾產(chǎn)生某些認(rèn)識(shí)誤區(qū)或忽略其影響。當(dāng)一個(gè)地塊被選擇擬作為先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)室建設(shè)用地時(shí)，通常需要對(duì)素地電磁環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場測試及分析，以便對(duì)建設(shè)地塊工頻磁場和射頻干擾的影響進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。若素地測量值超過實(shí)驗(yàn)室所要求的電磁環(huán)境容許值，則該場地通常將被拒絕，或采取有效的電磁環(huán)境防護(hù)措施。另外，在建設(shè)用地選擇過程中，還應(yīng)考慮場地未來使用以及場地周圍環(huán)境的發(fā)展情況。因此，在先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)室建設(shè)前對(duì)素地進(jìn)行相關(guān)頻段電磁和射頻環(huán)境測試分析，了解實(shí)驗(yàn)室建設(shè)地塊的電磁環(huán)境影響水平是十分重要的，這不僅是保證先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)室精密儀器設(shè)備安全正常使用至關(guān)重要的程序，也是科學(xué)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室建設(shè)布局和精準(zhǔn)電磁防護(hù)處理的重要技術(shù)手段[7]。

通常來講電磁干擾源同電磁輻射一樣，也分為兩大類：自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源主要來自于大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。人為干擾源是由部分設(shè)備輻射的電磁波產(chǎn)生電磁能量干擾，其中一部分設(shè)備是特地用來發(fā)射無線電波的裝置，另一部分是在完成自身功能的同時(shí)附帶產(chǎn)生電磁波[8]。變電站、通信天線塔和動(dòng)力機(jī)房作為人為干擾源是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)常見的配套基礎(chǔ)設(shè)施。有關(guān)研究[9-12]表明，這些設(shè)施對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁污染主要有工頻電場、磁感應(yīng)強(qiáng)度和射頻干擾，其中最主要的污染因子為射頻電場和工頻磁場。劉岳定等[13]對(duì)典型變電站站場外工頻電磁場進(jìn)行了實(shí)測分析，得出變電站站場外工頻電磁場的分布規(guī)律及變化趨勢(shì)。濮文青等[14]進(jìn)行了典型移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境影響分析，確定了移動(dòng)通信基站的電磁輻射環(huán)境影響的評(píng)價(jià)因子、評(píng)價(jià)范圍。段鋒等[15]對(duì)二次雷達(dá)場地周圍電磁環(huán)境進(jìn)行了測試，結(jié)果表明距離較近的高速公路產(chǎn)生的峰值場強(qiáng)、平均值場強(qiáng)均不會(huì)影響該機(jī)場擬建空管二次雷達(dá)的正常運(yùn)行。目前，針對(duì)人為干擾源工頻電磁場分布特性的研究主要集中在現(xiàn)場測試、數(shù)值計(jì)算與模擬試驗(yàn)三種方式[16]。

本文以中國計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)地塊為例，對(duì)擬建設(shè)區(qū)域素地電磁環(huán)境影響特性進(jìn)行實(shí)測與分析，重點(diǎn)評(píng)估先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)電磁干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)生的量化影響，以指導(dǎo)該實(shí)驗(yàn)區(qū)整體規(guī)劃布局和電磁防護(hù)設(shè)計(jì)，亦可為類似精密實(shí)驗(yàn)室工頻磁場和射頻電場環(huán)境影響特性研究提供借鑒。

1工程和控制標(biāo)準(zhǔn)概況

中國計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地位于龍山腳下，占地面積約550000 m2，南北長約1300 m，東西200～700 m 不等。實(shí)驗(yàn)基地西南角設(shè)有35 kV 變電站一座，靠近35 kV 有一座高約20 m 的通信天線塔。先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)位于實(shí)驗(yàn)基地中間位置的東側(cè)，緊鄰龍山，總規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室建設(shè)面積約50000 m2，地下一層，局部地上一至兩層，在該地塊范圍內(nèi)東北角和地塊西側(cè)各有一座10 kV 變電站，北側(cè)為院區(qū)支干道，支干道北側(cè)為已建設(shè)完成的空調(diào)等動(dòng)力機(jī)房。如圖1所示。實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)主要開展以量子物理為基礎(chǔ)的計(jì)量基礎(chǔ)研究和拓展新的計(jì)量科技領(lǐng)域中各類前瞻性、基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性計(jì)量科學(xué)研究，從事這些研究工作所需要的精密設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境要求較高。

精密設(shè)備的電磁環(huán)境容許值由精密設(shè)備本身決定，一般通過試驗(yàn)確定，當(dāng)條件限制難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以對(duì)現(xiàn)有精密設(shè)備的電磁環(huán)境調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析得到該類設(shè)備正常工作的電磁環(huán)境容許參考值。當(dāng)精密設(shè)備曝露在多個(gè)頻率的電場、磁場、電磁場中時(shí)，電磁環(huán)境的評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮其影響[17]。現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限制》規(guī)定了環(huán)境中電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度公眾曝露的均方根值控制限值，如表1所示[18]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)室電磁環(huán)境容許值嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn) GB 8702—2014規(guī)定的公眾曝露控制限制，工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度容許值為0.01?T， 26～3000 MHz 頻段射頻電場強(qiáng)度容許值為1 V/m。

2電磁環(huán)境現(xiàn)場測試

為充分評(píng)估中國計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)周邊變配電站、動(dòng)力站和通信天線塔等人為干擾源電磁環(huán)境特性，本文參照現(xiàn)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 988—2005[19]和 DL/T 799.7—2010[20]，并結(jié)合先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)精密設(shè)備及儀器的電磁環(huán)境容許值、場地及周邊布置圖、實(shí)驗(yàn)樓擬建位置及周邊人為干擾源位置等資料，制定測點(diǎn)布置方案，開展實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)射頻電場和工頻磁場測試和分析。數(shù)據(jù)采集前，傳感器應(yīng)進(jìn)行試采樣及對(duì)比分析。采樣期間，要求除規(guī)定的電磁干擾源及干擾源組合外，施工等其余臨時(shí)可控干擾源應(yīng)暫時(shí)停止，20 m 范圍內(nèi)無關(guān)人員不得靠近。

測試儀器選用經(jīng)過校準(zhǔn)且在有效期內(nèi)，頻率范圍5～100 kHz 配有 EHP-50C 探頭的 PMM 8053B 場強(qiáng)計(jì)，頻率范圍26～3000 MHz 配有3-AXIS- ANTENNA 探頭的 SRM-3006分析儀和配有Schwarzbeck全向雙錐天線的 FSP30頻譜分析儀。鑒于建設(shè)場地過大，工頻磁場測量分兩次布點(diǎn)測試。第一次測試共布置117個(gè)測點(diǎn)，第1-97號(hào)測點(diǎn)圍繞先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)邊沿布置，每隔4 m 布置1個(gè)點(diǎn)，第101-108號(hào)測點(diǎn)圍繞先進(jìn)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)東北側(cè)的10 kV 變電站布置，每隔2 m 布置一個(gè)點(diǎn)，第201-211號(hào)測點(diǎn)布置在先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)北側(cè)已建實(shí)驗(yàn)樓動(dòng)力機(jī)房前，每隔4 m 布置一個(gè)點(diǎn)，第301號(hào)測點(diǎn)布置在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，使用 FSP30頻譜分析儀和Schwarzbeck全向雙錐天線對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行測量，測點(diǎn)布局如圖2所示。第二次測試共布置57個(gè)測點(diǎn)，第2101-2504號(hào)測點(diǎn)布置在先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，每隔10 m 布置一個(gè)點(diǎn)，第2601-2608號(hào)測點(diǎn)圍繞先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)東北側(cè)的10 kV 變電站低壓配電室，緊貼配電室箱體布置測試點(diǎn)，第2701-2708號(hào)測點(diǎn)布置配電室外圍，距離配電室箱體3m 的位置，測點(diǎn)布局如圖3所示。射頻電場測試共布置測點(diǎn)51個(gè)，在先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)按照等間距梯田狀布置，測點(diǎn)布局如圖4所示。

測試原則如下[17-18]：1）測試時(shí)保持室外環(huán)境濕度在80%以下;2）測量儀表架設(shè)在地面以上1.5 m 的位置;3）測試高壓設(shè)備附近工頻磁場時(shí)，測量探頭距離設(shè)備外殼邊界1 m;4）測試人員距離儀器5 m 以外，關(guān)閉或不使用產(chǎn)生輻射電磁場的便攜式設(shè)備;5）測試期間，各種設(shè)施正常運(yùn)行，每個(gè)測點(diǎn)連續(xù)測5次，每次測量時(shí)間大于15 s，讀取穩(wěn)定狀態(tài)的最大值，若測試值波動(dòng)較大，則適當(dāng)延長測量時(shí)間。

3測試結(jié)果與分析

作者在對(duì)中國計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)兩次測試期間，室外環(huán)境溫度為20.5～23.8℃，濕度為37.5%～54.1%，風(fēng)速為0.8～1.5 m /s，大氣壓為101.25 kPa，變電站和周邊動(dòng)力站等主要干擾源運(yùn)行正常，滿足電磁環(huán)境測試要求。

圖5和圖6為先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)地塊四周、建設(shè)區(qū)域內(nèi)的10 kV 變電站四周以及靠近建設(shè)地塊方向動(dòng)力站附近的工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度測試結(jié)果。

結(jié)果表明，所有測點(diǎn)工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度均大于0.01?T，不滿足實(shí)驗(yàn)室建設(shè)所要求的工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度容許值，10 kV 變電站周邊測點(diǎn)101-108和動(dòng)力站周邊測點(diǎn)201-211磁感應(yīng)強(qiáng)度值更大，與距離動(dòng)力站和10 kV 變電站較近受到干擾有關(guān)，建議搬遷該變電站或遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室建設(shè)地點(diǎn)。

圖7和圖8為與第一測試相同工況下，先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)地塊內(nèi)、緊貼400 V 低壓配電室以及距離配電室3米四周的工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度測試結(jié)果。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出如下規(guī)律：

1）退讓主路20 m，來自該方向的工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度由平均0.35?T 衰減到平均0.01?T，且基本穩(wěn)定;退讓支路15 m，來自該方向的工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度由平均0.45?T 衰減到平均0.015?T。實(shí)驗(yàn)室在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，退讓周邊道路一定距離，將無需再做特殊屏蔽處理。

2）實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)核心位置各測點(diǎn)工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度均在0.01?T 附近，基本滿足實(shí)驗(yàn)室工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度容許值，對(duì)于要求更為嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)采取相應(yīng)屏蔽措施。

3）低壓配電室周邊測點(diǎn)2601-2608和距離低壓配電室3米處周邊測點(diǎn)2701-2708工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度仍高于0.01?T，但隨著遠(yuǎn)離低壓配電室的距離增加具有明顯的干擾衰減，因低壓配電室無法搬遷或遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室，建議低壓配電室做專門屏蔽處理。

為量化評(píng)價(jià)先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)射頻電場強(qiáng)度，在該地塊范圍內(nèi)等間距梯田狀布置測點(diǎn)，測得26～3000 MHz 帶寬范圍內(nèi)的射頻電場強(qiáng)度如圖9和圖10。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)區(qū)所有測點(diǎn)在26～3000 MHz 帶寬范圍內(nèi)均低于1 V/m，且從 SRM-3006記錄的數(shù)據(jù)表征最大射頻場強(qiáng)是0.5037 V/m@26.3125 MHz。該建設(shè)用地射頻電場滿足先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)射頻場強(qiáng)容許值，無需做額外處理措施。

4結(jié)束語

通過對(duì)中國計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)區(qū)素地進(jìn)行工頻磁場和射頻電場環(huán)境特性測試，得到以下結(jié)論。

1）實(shí)驗(yàn)區(qū)邊沿四周工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度均大于0.01?T，距離動(dòng)力站和10 kV 變電站較近測點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度更大，建議搬遷該變電站或遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室建設(shè)地點(diǎn)。

2）退讓實(shí)驗(yàn)區(qū)周邊道路20 m，工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度均在0.01?T 附近，基本滿足實(shí)驗(yàn)室工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度容許值。表明退讓道路一定距離，將無需再做特殊屏蔽處理，但對(duì)于要求更為嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室尚應(yīng)采取相應(yīng)措施。

3）低壓配電室周邊和距離低壓配電室3 m 處周邊工頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.01?T，但隨著遠(yuǎn)離低壓配電室的距離增加具有明顯的干擾衰減，建議低壓配電室做專門屏蔽處理。

4）實(shí)驗(yàn)區(qū)所有位置的射頻場強(qiáng)在26～3000 MHz 頻段均低于1 V/m，最大射頻場強(qiáng)為0.5037 V/m @26.3125 MHz，滿足實(shí)驗(yàn)室射頻場強(qiáng)容許值，表明在該地塊建設(shè)無需對(duì)射頻干擾做任何處理。

5）本次工頻磁場和射頻環(huán)境特性測試開展于先進(jìn)測量實(shí)驗(yàn)室建設(shè)前期的素地，而實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、設(shè)備安裝和試運(yùn)行后各種干擾源必將接踵而至，這些都給設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。因此，建議對(duì)電磁環(huán)境敏感的儀器在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能的遠(yuǎn)離電氣設(shè)備和線路，需要時(shí)，應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確獲得干擾的來源和它們的干擾量值，適時(shí)調(diào)整屏蔽處理策略。

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（編輯：徐柳）