（环境科学专业论文）不同环境条件下工频电磁污染的空间分布研究.pdf

不同环境条件下工频电磁污染的空问分布研究 摘要 a b s t r a c t t ou n d e r s t a n dt h es t a t u so fp o w e r - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n p o l l u t i o n t h o r o u g h l y , w ei n v e s t i g a t e d t h er u l eo f s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f p o w e r - f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s p r o d u c e db yh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o n s ，a n d t h ee f f e c to f p o w e r - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i ct oe n v i r o n m e n t t h er e s e a r c hw a sb a s e do na n a l y z i n g t h en a t u r eo fs t e a d ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sw h e nt h ed i f f e r e n tm e d i u m se r n s ti nt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s w es e l e c t e df o u rt y p i c a lr e g i o n sa st h ep l a c ei nw h i c h w ef i n i s h e d t h er e s e a r c hw o r k t h e ya l e ：( 1 ) t h eu n o c c u p i e dr e g i o n s ；( 2 ) t h er e s i d e n t i a la r e 鹤；( 3 ) t h e w o o d ；( 4 ) t h eh o u s e b yt h em e a s u r e m e n to f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d si nt h e s er e g i o n s , w ef i n dt h a tt h ef i e l dp r e s e n t st h ed i f f e r e n td i s t r i b u t i o ns t a t ea n dm a g n i t u d e t h er e s u l t s h o w s ：( 1 ) i nt h eu n o c c u p i e dr e g i o n s ，t h e t e r r a i nc a ni n f l u e n c et h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ；( 2 ) t h eb u i l d sc o u l ds i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e t h ei n t e n s i o no f e l e c t r i cf i e l d s ，b u th a v en o e f f e c t so nt h em a g n e t i cf i d d s ；o ) p l a n tc a nw e a k e nt h ee l e c t r i cf i e l d so b v i o u s l y ( t h e r e g r e s s i o nr a t ei s7 0 ) ，b u t 曲t h el i t t l ew o r ko i lt h em a g n e t i cf i e l d s ( t h er e g r e s s i o nr a t e i sf r o m4 1 t o2 5 6 ) ；( 4 ) at y p i c a lh o u s es h i e l d sa b o u t9 0 o fe l e c t r i cf i e l d sf r o m o u t s i d e ，b u tn o tg r e a t l yr e d u c e dt h em a g n e t i cf i e l d s i na n o t h e rw a y , w ec o r r e c t e dt h e f o r m u l a sf o rt h ee l ( 矧l r i ca n dm a g n e t i cf i e l d sb a s e do nt h ef a c t t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ef o r m u l a sa l em o r ea p p l i e da n de x a c t a l lo ft h e s ew o r k se s t a b l i s ht h ef i r m b a s ef o rr e s e a r c ht h ep r o b l e mo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np o l l u t i o nt h o r o u g h l y k e yw o r d s ：p o w e r - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ；e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n ； e n v i r o n m e n t ；u n o c c u p i e dr e g i o n ；r e s i d e n t i a la r e a , p l a n t ；h o u s e 5 、 不同环境条件下工频电磁污染的空问分布研究 第1 章总论 第1 章总论 1 1前言 自法拉第发现电磁感应定律、麦克斯韦方程被推广以来，在这些理论基础上诞 生的电气化革命，使得广播、电视、通信及电力等各项现代电子科学技术迅猛发展， 为人类生活提供了极大的帮助。然而人们在享受这些科技文明的同时，却不可避免 地陷入环境电磁辐射之中。其中主要有1 ) 无线电广播、电视发射台、微波通信等 各种射频设备产生的辐射，被称为射频电磁辐射。2 ) 大功率电机、变压器、输电线 以及用电器等产生的电磁场，被称为工频( p f ) 电磁场( e m f ) 。早在二十世纪6 0 年代，人们已经开始意识到这两种电磁辐射的普遍性和危害性，各国纷纷将电磁辐 射列为必须控制的环境污染物之一。为弄清楚电磁辐射对人体的作用机理和危害程 度，各国科学家在近半世纪来作出了坚持不懈的努力，从不同角度进行了研究，但 至今未取得大的进展。随者现代电子科学技术的迸一步发展，城市内各种辐射源包 括移动通信发射基站、高压变电站、高压输电线已星罗棋布，暴露在强电磁场和电 磁波辐照下的人群数量不断增加，有关电磁辐射致病的报道呈增长趋势，如何定性 和定量地确定电磁辐射对人体的影响实在是迫在眉睫 本论文试从工频电磁辐射出发，在前人研究成果的基础上，通过分析工频电磁 辐射的来源、传播机理，调查和分析在各种介质的边界条件下，工频电磁辐射的空 间分布特性，以及在工频电磁辐射下人群的暴露状况，希望能对环境电磁辐射的研 究起到积极的促进作用。 1 2 研究现状和前提 从八十年代初到现在为止，国际上对于工频电磁辐射的研究，基本上有两个侧 重点。第一个侧重点是对生物体内生物学效应方面的探讨以及对流行病学相关性的 研究；第二个侧重点是对工频电磁场空间分布( 即环境电磁辐射) 的研究。在环境 电磁辐射方面，展开的工作比较多。美国k a v e tr 、加拿大k a u n ew t 曾在1 9 9 4 年 和1 9 9 9 年用统计学方法推导公式，分析影响居民房间内工频磁场强度的主成分因子 i l l 1 2 1 。芬兰v a l j u sj 曾对芬兰境内分布在各电压等级高压线下的人群及建筑室内磁场 暴露强度进行过调查统计f 引。k a u n ew r 采用统计学方法评价工频电磁场暴露强度大 小1 4 l ；后对2 9 个儿童进行了长达2 年的跟踪调查，最后采用统计学原理总结出儿童 的居住地工频磁场暴露是最主要的p 】。在1 9 8 9 和1 9 9 2 年间，美国z a f f a n e l l al e 曾 测量了将近1 0 0 0 户居民家中的磁场强度，来确定家庭的磁场来源及源强数量，被称 之为“1 0 0 0 个家庭研究计划，i ”。d o v a n t 、k a t m e w t 和s 8 v i t z d a 在1 9 9 0 年选取 8 1 个家庭进行了工频电磁场的测量【_ ”。m s i l v a n h u m m o n 等在7 7 个家庭内的卧室、 6 不同环境条件下工颇电磁污染的空问分布研究 第l 章总论 厨房中央进行了工频磁场的测量【8 】。m i s a k i a n m 、b e l lg k 等人在几个房间内对磁场 进行测量、分析后，提出了提高工频磁场测量精度的方法【9 】。 上述研究为摸清家庭室内电磁污染现状提供了充分、详实的监测数据和结论， 更为预报和防治室内电磁污染提出了切实、可靠的参考意见与措施。需要指出的是， 这些研究大部分仅停留在室内，并未考虑室外条件对于工频电磁辐射的影响作用。 随着国内城市经济的发展，群众的居住条件不断改善，居住模式已经朝着社区化方 向改革，居住在由房地产开发商开发的住宅小区内人群数量逐年上升。此类新型小 区往往能提供便利的休闲、活动和娱乐场所，今后人们呆在室内的时间会逐步减少， 室外活动时间逐步增加。如此发展，人们在室外所受的电磁辐射程度也会提高。本 文从上述角度考虑，除继续研究工频电磁场在室内的空间分布特性外，另外还考虑 室外常见介质对工频电磁场的影响，研究在各种常见介质边界条件下，室外工频电 磁场的空间分布状况，希望对环境电磁辐射污染研究提供有力的补充。 1 3 研究内容 本论文主要研究的是工频电磁场强的空间分布特性，及环境中各种介质( 包括 各种建筑物材料、树木、土壤、空气等) 对于电磁场空间分布的影响。通过对工频 电磁场空间分布规律的研究，弄清工频电磁辐射污染现状，以及目前人们在工频电 磁场下的暴露状况，并希望能将电磁辐射污染问题与环境问题的研究更加紧密的联 系起来，为今后工频电磁辐射的深入研究提供扎实的基础。研究论文章节安排如下： 第l 章总论 第2 章暴露于工频电磁辐射中各种典型介质及其影响 第3 章工频电磁场在空旷地带的空间分布特性 第4 章工频电磁场在居民住宅区内的空间分布特性 第5 章植物对工频电磁场分布的影响 第6 章室内工频电磁场的空间分布特性 第7 章和工频电磁场生物学效应研究的联系 第8 章结论 7 不同环境条件下工频电磁污染的空间分布研究 第2 章暴露于工频电磁辐射中各种典型介质及其影响 第2 章暴露于工频电磁辐射中各种典型介质及其影响 2 1工频电磁场中的典型介质 目前大多数变压器、高压输电线等与人们生活息息相关的供电设备被设置在人 口稠密地区，如居民住宅区、学校、工厂等，影响工频电磁场分布的介质，都是我 们随处可见的。以居民住宅区为例，住宅区内常见的介质有建筑物、植物、水泥地、 金属管道、水体等。建筑物中的水泥混凝土、玻璃、木架结构、植物等属于电介质， 它们是不导电的，而建筑物中的钢筋、金属管道、铝合金门窗等则属于导体。因此， 一个居民住宅区可以说是各种电介质、导体相互混杂的大介质体。 2 1 1 建筑物材料的性质 1 混凝土墙体 混凝土墙体的结构比较复杂，一般最里面一层是由砖块搭建的砖墙，砖与砖之 间由沙、水泥、水搅拌成的混凝土粘合，水泥涂层构成了墙体的外表面，有些墙体 内还有可能包含石膏、木板等材料。混凝土墙体的主要化学成分为硅酸盐类。v o n i - i i p p e l l l 0 1 曾经给出混凝土砖墙的相对介电常数8 r - _ 2 1 。 2 玻璃 玻璃是最常见的建筑材料之一，一般建筑中门窗都嵌有玻璃。玻璃也是一种常 见的电介质，按内含的化学成分划分，玻璃可被分为不同的种类，如硅酸盐玻璃、 硼硅酸玻璃、有机玻璃等。因此玻璃的相对介电常数从4 7 不等【n 1 。 3 木质结构 一般老式建筑物存在一定的木制结构，新式建筑当中也有少量的木制结构存在， 包括木板、胶合板、干渣板等材料，用于建筑物墙体支撑、顶梁、室内装修等，干 燥木材的相对介电常数5 f _ 1 5 _ 4 f n l 。 4 钢筋 钢筋是建筑浇梁中的支撑结构材料，是一种良导体，普通碳钢的电导率y = 0 6 1 0 7 【1 1 1 。 5 铝合金 建筑物中门窗框架、防盗门窗等大多由铝合金制成，它也是一种良导体，其中 铝的电导率y = 3 8 2 x1 0 7 【1 l l ，相对磁导率辟z l 【l l i 。 6 金属管道 存在于建筑物当中的金属管道包括自来水管、污水管、雨水管等，有一部分封 于墙体内，部分暴露于建筑物墙体外表这些金属管道大部分由钢、铸铁等制成。 其中铁的电导率7 ，- 1 0 3 1 0 7 【“i ，铸铁的相对磁导率8 a 6 0 1 “。 8 至堕堑塑墨壁! 三塑幽染的空间分布研究第2 章曩露于工频电磁辐射中各种典型介质及其影响 2 1 2 植物的特性 一般居民住宅区中为绿化和景观需要，种植一定量的乔木、灌木、草类等植物， 这些植物总体上来说都属于电介质，乔木的相对介电常数。r ：2 1 0 0 1 ”】。 2 1 3 其它介质的特性 除建筑材料、植物以外的一些介质也有可能会影响电磁场的分布，比如住宅区 内的河流、湖泊、水泥地、土壤等。其中水是导体，它的相对介电常数s 。8 0 ， 干燥土壤的相对介电常数，* 2 8 1 1 l 】。 表1 - 住宅区内的常见介质 2 2介质对工频电磁场的影响作用 2 2 1 导体的影响作用 由于导体的体内存在着自由电荷，它们在电场的作用下可以移动，使得正、负 自由电荷重新分布，直到导体内部产生的附加电场与外电场可相互抵消，即达到静 电平衡状态，这样导体内部的电场强度就处处为0 ，而且还有以下几方面性质： ( 1 ) 导体是个等位体，导体表面是个等位面； ( 2 ) 导体以外靠近其表面地方的场强处处与表面垂直： 所以根据上述性质，可以得出如下结论： 在均强电场中放入一块导体，势必会改变原来电场的分布，包括导体附近的电 场方向和强度。 2 2 2 电介质的影响作用 电介质与静电场的相互作用，其特点有些方面与导体有相似之处，但也有本质 上的差别。电介质插入电场中后，会出现极化现象，这种电场对于电介质的极化作 用，在不同电介质分子内部表现为不同的机制，无极分子的极化机制称为电子位移 极化，有极分子的极化机制称为取向极化，极化强度的矢量表示式为 不同环境条件下工频电磁污染的空问分布研究第2 章暴露于工频电磁辐射中各种典型介质及其影响 p ：窖 ( i - 1 ) 矿 由于极化电荷产生的附加电场会抵消掉部分外电场，因此将电介质插入均强电 场，也将会改变电介质内部及周围的电场强度和方向。 2 2 3 磁介质的影响作用 分子电流观点认为，当磁介质处于外磁场玩中时，在磁化场力矩作用下，各分 子环流的磁矩在一定程度上沿着场的方向排列起来，于是，磁介质便被磁化。介质 截面内与磁化强度矢量m 平行的界面上出现束缚电流，这类束缚电流被称为磁化电 流。磁化电流产生的磁感应强度b 在导体内部与磁化场岛一致，在导体外部与磁 化场方向相反。磁化强度矢量表示式为： m ：圣竺笙( 1 2 ) y 等效的磁荷观点认为，可把磁介质的分子看成由正负磁荷组成的磁偶极子。如 将磁介质置于外磁场凰中，磁化场将对每个磁偶极分子产生一个力矩，使它们的磁 偶极矩p ma 十转向磁场的方向，其宏观的效果是在整个介质的两个端丽上分别出现 正、负磁荷。这样，介质就被磁化了正、负磁荷会在介质内外产生一个附加磁场 日，其方向与外磁场相反，起到削弱外磁场的作用，可称它为退磁场。为描述磁 介质的磁化状态，通常引入磁极化强度矢量的概念，其表示式为： ，：刍：丝( 1 - 3 ) 矿 2 2 4 磁介质的种类 磁介质大体可以分为顺磁质、抗磁质和铁磁质三类。对于顺磁质，x 。 o ， l ， 如锰、铝、空气等物质；对于抗磁质，x m o ，f l ，如铜、银、氢等物质。这两类 磁介质的磁性都很弱，它们的i i “1 ，a l 。铁磁质的磁化率x m 和磁导率j 是 总磁场日的函数，即x m - x 。( 日) ，u = a ( 日) ，其量极一般都很大。铁磁质按矫 顽力大小分为软磁材料和硬磁材料，软磁材料有纯铁、硅钢、坡莫合金等，硬磁材 料有碳钢、吕臬古、钐钴合金等。磁介质广泛存在于建筑物材料当中，如铝合金、 金属管道、钢筋等。 1 0 不同环境条件下工频电磁污染的空阃分布研究第3 章工频电磁场在空旷地带的空间分布特性 第3 章工频电磁场在空旷地带的空间分布特性 为了研究的方便，本文选取高压输电线路产生的工频电磁场作为研究对象。本 章着重研究和探讨工频电磁场在空旷地带的空间分布特点，并在已有空间分布计算 模式的基础上，根据周围环境的实际情况对模式进行适当的修正和改进。 雌习园 p t ， 阢卜陆i ：i u c i ：竺凑堕 乩= ( - 1 u b i s i n 3 0 + j l u 。l c o s 3 0 ) k v u c = ( - t v c s i n 3 0 一j u c l c o s 3 0 。) k v 气= 去l n 鲁( 3 - 2 a ) 九2 去h 昔( 3 - 2 b ) 不同环境条件下工照皇堡污染的空间分布研究第3 章工频电磁场在空旷地带的空间分布特性 又r = 九4( 3 - 2 e ) 式中：g o 为空气介电常数；r o = 1 ，2 ，功为各导线半径；h j ( f _ 1 ，2 ，疗) 为各导线离 地面垂直距离； 岛( f2 1 ，2 ，n ；，= 1 ，2 ，一) 为各导线间的距离；l 口7 ( f = 1 ，2 ，mj = l ，2 ， ) 为各导线和其对地的镜象导线间的距离。 将【明与【 】代入式( 3 - 1 ) 求得等效电荷复数量的实部【q 司和虚部 q d 。式( 3 1 ) 矩阵关系即分别表示了复数量的实数和虚数两部分： 珐】= 阢】- 1 帆】 【q ，】= 阢】_ 1 眇，】 ( 3 3 a ) ( 3 - 3 b ) 2 计算由等效电荷产生的电场 当各导线单位长度的等效电荷量求出后，根据叠加原理，由下式计算空间任一 点电场强度的水平和垂直分量： e 。= e m + j e mb 4 由 e = + 玛( 3 舶) 式中：丘r 为实部电荷产生场强的水平分量；e f 为虚部电荷产生场强的水平分量， 马瞬为实部电荷产生场强的垂直分量；点为虚部电荷产生场强的垂直分量。其中： k = 壶豁陪一罱 p s 的 岛2 去挈陪一剞 p s n ， = 去弘防一剖 b s 。 & 3 去挈降一剖 p s a ， 式中：蔚m 为第i 根导线的坐标；脚为导线总数；厶和厶7o = 1 ，2 ，力分别为各导 线及其对地的镜象导线至计算点的距离。 对于多相交流线路，将( 3 - 5 ) 式代z o - 4 ) 式，便可得到空间任一点合成场强的水平 与垂直分量层和e ： e = 珐+ 砖 ( 3 - 6 a ) e = 壤+ 日 ( 3 - 6 b ) 不同环掣e ! 唠下工频电磁污染的空间分布研究第3 章工频电磁场在空旷地带的空间分布特性 3 1 2 工频磁场的空间分布计算模式 目前普遍采用“国际大电网会议第3 6 0 1 工作组”的推荐方法计算高压送电线 下空间工频磁场强度。其公式为： 日：一!(3-7) 2 ，r 矗2 + 口 式中：，为导线中的电流强度；h 为导线离地垂直距离；三为测点离导线地面投影点 的水平距离。 上述工频电磁场场强计算模式可用m a t h e m a t i c a 语言实现，程序语言见附录l 。 3 1 3 高压输电线下的电场分布 三相交流输电线下的电场，除地表面场强外，空间各点的场强可以由一个旋转 的矢量表示，轨迹为一椭圆。在离地面1 2 m 内为旋转矢量最大值的方向，场强的 垂直分量和旋转矢量最大值很接近，一般用场强的垂直分量来表征静电感应。我们 曾对1 1 0 k v ( 双回路) 和5 0 0 k v ( 四分裂导线) 等各线路等级高压输电线进行了测 量，垂直电场测量结果见表3 1 ，电场典型分布分别见图3 1 、图3 2 。 表3 1 各电压等级高压输电线路电场强度实测结果 圈3 1 1l o k v 输电线垂直电场强 度实铡值变化曲线 1 3 重( - ) 田3 25 0 0 k v 高压输电线垂直电 场的典型分布 啦珊珊伪珊珊珊珊瑚m e_日曩蚌 ；： 1v象# 电场场强值随着距离的增加而衰减，地面最大场强随着输电线电压等级的增高 而加大，电力部门测得的高压设备地面的最大场强数据见表3 2 1 19 1 。 表3 2 高压设备地面的最大场强( k v m ) 3 1 4 高压输电线下的磁场分布 输电线路的磁场仅由电流产生，磁场强度随电流强度的变化而改变，并取决于 线路结构、负荷和故障情况。在输电线电流变化周期内，磁场强度可以描述为一个 轨迹为椭圆的旋转矢量1 2 0 】。l l o k v ( 双回路) 和5 0 0 k v ( 四分裂导线) 高压输电线 下的磁场强度测量结果见表3 - 3 ，磁场分布分别见图3 3 、图3 4 。 表3 - 3 各电压等级高压输电线路磁场强度实测结果 i 1 二吐 g 0 6 簟0 4 圈3 31 1 0 k v 输电线工频磁场的 变化曲线 h y- h x 1 4 ，瑚 i ； 霎一 曩z i n 田3 45 0 0 k v 高压输电线磁场的 典型分布 - - - - - h y- h x 爹同环境条塑工频电鞋污染的空间分布研究第3 章工频电磁场在空旷地带的空问分布特性 3 2 对高压输电线电磁场空间分布计算模式的修正 3 2 1 考虑线形排列和输电方式的修正 高压输电线按电流输送方式分为三相单回路输电线和三相双回路输电线。导线 的排列也有多种情况，单回路输电线有水平、垂直、正三角和倒三角等排列方式， 双回路输电线有六角鼓形、梯形等排列方式，具体排列形式见图3 5 。目前常见的 1 1 0 k v 以上三相高压输电线路一般采用双回路六角形布置形式。在采用双回路输电 时，按相序布置划分，又可分为同相与逆相两种输电形式。因此在对模式进行改进 时，首先需考虑输电线的输送方式和排列方式。其中有文献对双回路六角形同相序 高压输电线路的场强计算模式进行过修正【2 i 】。 。 单回路： 。 求早 ie ! j t 三一 双回路： 图3 5 高压输电线线形排列方式 3 2 1 1 修正方法 一般情况下，对于双回路六角形同相序高压输电线路，在【明矩阵中，取n = 6 ， u j = 矾，睁协，睁魄；对于逆相序高压输电线路，取= 魄，睁阮，砺= 以。在 计算同相序高压输电线路产生的场强时，还可以将同水平面上的两条同相线路等效 为1 条，可简化计算过程。等效导线的半径由下式计算： 足=( 3 8 ) 式中：尺为以次导线构成圆的半径；行为次导线根数；r 为次导线半径。 3 2 1 2 修正结果 本文选取2 条1 1 0 k v 双回路高压输电线路进行场强的计算，发现考虑线形排列 和输电方式对模式进行修正后，模式的精确程度是比较高的。两条线路一条为同相 至旦堡墨墨竺! 三塑皇壁曼銎竺兰堡坌变塑塞 墨! 兰三塑皇燮塑垄皇芝丝苎竺皇塑坌塑竺堡 序输电方式，命名为线路a ；一条为逆相序输电方式，命名为线路b 。对线路a 与 线路b 均进行过实地测量1 2 ”。线路a 和线路b 的垂直电场强度测量值与模式经修正 后算得的理论值见表3 4 ，实测值与理论值的变化曲线比较见图3 6 和图3 7 。 表3 - 4 线路a 和b 的垂直电场强度测量值与理论值( k v m ) 5 1 6 1 11 6 9 80 5 3 9 0 7 6 6 1 00 7 2 90 6 3 6 0 3 8 80 3 9 7 1 50 1 4 4 0 0 6 80 2 1 4 0 1 1 0 2 00 0 1 20 1 0 800 8 7 00 1 2 2 50 0 5 9 0 1 4 40 0 4 20 0 1 8 3 0 0 0 3 90 1 3 9 0 0 1 60 0 2 3 3 50 0 6 1 0 1 2 20 0 1 30 0 2 1 4 00 0 6 0 0 1 0 500 1 300 1 8 4 5 0 0 6 30 0 9 00 0 1 2 0 0 1 5 5 000 7 0 0 0 7 80 0 1 200 1 3 量膏“j 田3 6 线路 垂直电场强度实测 值与置论值的壹化曲线 + 实测僵o 一理论擅 ： 1 1 6 n ， l 慧 - 箸 o 0si o1 5 拍2 5 如站柚部蛐 量膏f t ) 圈3 7 线路b 垂直电场强度实测 位与理论值的变化曲线 + 实测值o 一理论值 以上计算可用m a t h e m a f i c a 语言实现，程序语言见附录1 、附录2 。 3 2 1 3 结论 图3 6 和图3 7 表明，模式经过修正后，除个别点外，工频电场强度的实测值与 理论值的变化曲线是比较吻合的。并对理论值进行误差分析，结果表明，剔除几个 不可信点后，线路a 各测点理论值的相对误差为o 6 1 - 7 5 0 0 ；线路b 各测点理 论值的相对误差为2 0 6 6 1 5 4 。相对误差分析结果详见表3 5 。从曲线变化分析 结果和相对误差分析结果表明模式的精度比较高。修正后的模式完全可以应用于在 空旷地带中，高压输电线电场强度的计算。 1 6 ：“uo 二茸曩蜂 至旦兰：望墨堡! 三墅皇壁望墨塑皇塑坌塑至塞 墨! 兰三塑皇壁堑垄皇芝垫堕堕窒塑坌塑堑丝 表3 - 5 修正模型理论值的相对误差分析结果 2 5404211 3 1 27 6 2 3 2 4 5 2 7 8 - 4 86 0 5 8 0 0 0 0 + 8 6 2 1 + 6 1 4 40 7 5 7 1 4 7 2 5 6 4 l + 4 37 5 8 1 0 00 0 6 15 4 9 7 5 0 0 3 8 4 6 1 0 4 28 6 2 50 0 1 1 1 143833 为不可信点 3 2 2 考虑边界条件进行修正 3 2 2 1 修正方法 在推荐模式当中，一般不考虑大地的介电常数， 只是将大地平面看成为一个零电位面。在实际问题 中，大地往往不止是由一种介质构成，如地面可以 由水泥地、土壤、砂石构成，也可以仅由土壤构成， 所以考虑次镜像可能满足不了计算要求，需考虑 二次镜像对模式进行适当的修正。为简化计算，本 文只考虑空气和壤大地两种介质界面条件。如图 图3 8 线电荷对介质分界面的镜像 3 8 所示，空气的介电常数为r t ，大地的介电常数为，：，q 为线电荷q 的镜像电 荷，q ”为q 的镜像电荷，采用静电场边值问题的解法”，得出 q = 三 粤q ，q = 三譬一q ( 3 9 ) 令口：曼= 置6 ：旦 毛+ 岛毛+ 岛 则实部电荷q r 与虚部电荷q i 在空间任一点产生的电场场强水平分量与垂直分 量分别为： k 2 去豁( 寻+ 掣一a ( 谢x - x , ) _ j l ( 3 - m ) 岛= 去挈陪+ 下b ( x - x i ) a ( 晰x - x j ) j 1 ( 3 1 0 b ) ” 至旦堑堡叁壁! 王塑皇壁! 垫堕皇塑分布研究 第3 章工频电磁场在空旷地带的空间分布特性 。去挈降十掣一罨笋) 限m ， 易2 去挈 等+ 等产一罨笋) 删， 将上式代入式( 3 - 6 ) 。便可得到空间任一点合成场强的垂直分量和水平分量。 3 2 2 2 实验方法检验 为对上述改进方法进行检验，我们对一条位于空旷地带的高压输电线路进行了 实地测量，将实测结果与修正后模式的结果进行比较。 1 测量地点及对象 以杭州市复兴1 7 、1 8 号线和滨江9 、1 0 号线为主要监测对象，该线负荷电压 1 1 0 k v 位于杭州市木材市场南侧空旷地带，自北向南延伸，呈三相双回路六角形布 置。相间垂直距离约3 m ，1 、3 相回路间水平距离约7 2 m ，2 相线回路间水平距离 约为8 m 。导线直径为o 0 2 7 4 m 。 2 监测地地形 地势平坦，地域广阔，地面有碎石及部分杂草测量线路西线地面的碎石和杂 草较多，东线地面较少。 3 布点设置 在高压线档距中央导线弧垂最低点处的横截面上，从线路投影中心起，分别向 东西两侧每隔2 m 设个测点，直至5 0 m 处，逐点测量场强值。 4 测量仪器及方法 测量时使用美国h o l a d a yi n d u s t r i e si n s 的h i 3 6 0 4 型工频电磁场测量仪。采用输 电线路周围电磁场监测的标准方法，在离地1 5 m 高处测量空间场强。 5 测量时间及天气状况 测量日期为2 0 0 1 年4 月1 8 日，晴。 6 测量结果 实地测量结果见表3 - 6 。 表3 - 6 在空旷地带中11 0 k v 高压输电线电磁场场强测量结果 譬寰1 r 产堂 百百幽鹄- _ 1 广 o m 7 ( k v i m 、( k v m ) ( m a h n ) ( m a h n ) ( k v m ) ( k v l m ) ( m a m ) ( m a m ) 拟m魄钆她缸姬虹姐奶抛獬懈mm研踱孔篙篮鼎篇抛肼捌嚣椭勰；删眦 mm由m田名4 4 掩 m抛抛拼mmm觋蛳 m d 8 4 由3 j 石，mm记钇m|呈m姗：暑毫：御瑚鲫粥蜘铂 弼雠彤毫!伽训拼m 由于测量线路所在地形的差别，以及测量误差的原因，东线与西线的电场场强 测量值有一定的差距。另外由于磁场强度是随着导线内电流强度的变化而变化，磁 场场强测量值也并不吻合。 7 理论值与实测值的比较 利用修正后的模型和修正前的模型分别对垂直电场强度进行计算，计算结果和 实测结果同列于表3 - 7 内修正前后理论值与实测值的变化趋势线比较分别见图3 9 和图31 0 。 表3 - 7 垂直电场强度计算结果 距离( m ) 目日日一e (kwm)(kvm)(kvlm)(kvm) 204 3 0 0 6 0 20 6 3 50 6 4 5 405 3 4 0 7 3 90 6 8 606 7 2 60 5 6 2 0 7 4 307 3 50 7 9 7 80 5 1 006 2 6 0 6 8 20 7 8 0 1 00 4 1 3 0 4 5 90 4 5 00 6 4 0 1 203 0 9 0 3 0 10 5 0 10 5 9 3 1 40 2 1 9 0 1 7 80 2 9 404 3 1 1 6 0 1 4 90 0 9 20 2 1 903 2 6 1 80 0 9 7 0 0 3 70 1 7 80 2 6 3 2 00 0 6 100 1 6 0 1 3 10 1 6 0 2 20 0 3 7 0 0 2 90 0 9 101 3 6 2 40 0 2 4 0 0 3 90 0 6 90 0 9 4 2 60 叭80 0 4 5 0 0 4 70 0 7 7 2 80 0 1 800 4 7 0 0 3 30 0 5 3 3 00 0 1 9 0 0 4 70 0 2 600 3 8 3 20 0 2 00 0 4 5 0 0 2 300 3 0 3 40 0 2 10 0 4 3 0 0 1 20 0 2 2 3 600 2 1 0 0 4 10 0 1 400 1 6 3 80 0 2 0 0 0 3 80 0 0 10 0 1 2 4 00 0 2 00 0 3 6 0 0 1 00 o l o 4 20 0 1 900 3 3 0 0 0 80 0 0 9 4 400 1 8 0 0 3 10 0 0 60 0 0 6 4 6 0 0 1 70 0 2 90 0 0 70 0 0 7 4 80 0 1 60 0 2 70 0 0 700 0 8 5 0 00 1 6 0 0 2 50 0 0 70 0 0 7 丝 一 竖辫嚣嚣裂淼凇黑嚣兰i 塑 一 懒 黜螂m那蛳跚mmmmmmmm一 空一 一 燮瓣藏瓣瓣溺量 h | 一 丝瓣瓣瓣黜黼涨滞涨耋i 一 一 一 。五名暑j，3名。99m2石4 4 一 究一，一。：，；：i。；一 塑巍黧嚣巍鬟量 墅 一 燮湍黛溢躲瓣灞盟 塑 一 塑播器船麓船吾詈勰龆卜i 萋| 一 。一 至旦! 笙壅堡! 王塑皇壁曼叁箜皇问分布研究第3 章工频电磁场在空旷地带的空间分布特性 蓁一| 蒌船 o 1 21 6 幻“置靶弘柚舢尊 置膏- ) 圈3 9 垂直电场强度实爵位趋势线与理论 位( 未肇芷) 趋势线的比较 + 理论值( 未謦正) 亡卜西线十东线 o81 21 6 02 4 2 i3 2 拍柏n 曩( - ) 田3 1 0 垂直电场强度实测值趋势线与理论 值( 肇正后) 趋势线的比较 + 理论值( 謦正后) o 一西线十束线 从图3 9 、图3 1 0 可以看出，未修正前模式得出的理论值趋势线与东线测量值 趋势线比较吻合，模式修正后得出的理论值趋势线与西线测量值趋势线比较吻合。 这有两方面原因，一是测量误差方面的原因，包括仪器操作误差和读数误差等：二 是输电线周围环境的原因，包括地面边界条件、温度、湿度等。西线地面荒草、碎 石较多，东线地面较平坦，所以计算西线强度时，要考虑介质的影响对模式进行修 正。因此，修正前后的两种模式各有适用范围，需根据实际情况选择适当的模式进 行计算。 3 2 z 3 结论 经过修正后的模式在一定条件下应用，它的计算精度会比修正前高，这要视实 际边界条件而定。在边界条件较简单情况下，推荐模型也能满足计算要求。 3 2 3 考虑电压和电流磅时值形式的改进方法 张启春等 2 2 。2 3 i 曾提出采用电压和电流的瞬时值形式对电磁场计算模式进行改 进。他们认为在等效电荷基础上采用电压瞬时值形式求解，可节省计算机内存，提 高运算速度。 3 2 3 1 电场模式的改进 原理是将式( 3 1 ) 中的对地电压u 采用瞬时值形式表示为： ”i = 4 2 c o s ( 锄+ a ) ( 3 - 1 1 ) 式中：口为电压初相角。 式( 3 5 ) 中令 等一罱州，等一嚣 至堕堡兰墨堡! 三塑皇壁翌叁的空卿分布研究第3 章工频电磁场在空旷地带的空间分布特性 通过等效电荷法原理的推导，得出空间任一点电场场强水平分量与垂直分量为： e = k l m lc o s q + 1 s i n l ( 3 1 2 a ) e = k l m s 妒+ s i n 9 l ( 3 1 2 b ) 式中；k = 劢2 7 r s ； 蜘椎 s 掣石) ，m = 喜磕哪t n 掣疗) m = 椎巧略 咖掣石) ，= 啦 s i i i 掣疗) o 3 2 3 2 磁场模式的改进 根据叠加原理，考虑三相导线三相对称瞬时电流厶、，b 、，c 在空间任一点的合 成磁场分量，得出在这一点的合成磁场强度为： b = 厢= 置k n s i n 妒) 2 + c 。科ls i n 妒) ：r 2 ( 3 - 1 3 ) 式中：k = 风1 1 2 7 r 。 m ，= 喜 忡掣石) ， ，= 形s 墨石 ， i = ll o j m = e ，辩t s , 。s 学士， s 石 ， = ll o j 1 ：争 彬s 2 ( i - 1 ) ，r l 1 。善 哪了叶i = il o j ：争 s ，s i n 2 ( - 1 ) 石l 。 = i f f i l 墨s 洒丁十l o j 形2 等2 万赫，墨2 半2 y f y 瓦巧汀五j 矿。 3 3 结论分析 上述考虑三种实际情况( 即线形排列方式和输电方式、边界条件、电流瞬间过 程) 对高压输电线空间电磁场计算模式进行修正和改进，从一定程度上提高了模式 的精度，使公式更符合实际，便于求解，但需根据实际情况而定。 ( 1 ) 当高压输电线为单回路输电方式时，采用规范上1 1 7 1 通用的推荐模式即可。 若是双回路形式输电，则要考虑导线的排列方式与相序布置形式，采用第一种方法 对模式进行修正，即可满足精度要求。 ( 2 ) 当高压输电线周围的介质较单一，地形并不复杂的情况下，采用推荐模式 即可。若地形较复杂，介质介电常数较高，就需考虑地面介质的边界条件，采用第 二种方法对模式进行修正。 2 1 不同环境条件下工频电磁污染的空间分布研究第3 章工频电磁场在空旷地带的空间分布特性 ( 3 ) 若对多回路输电线产生的空间电磁场进行计算，且计算过程需要在计算机 上实现，建议采用第三种方法对模式进行改进，可节省计算机内存，大大提高运算 速度。 另外，对模式进行修正和改进后计算，结果发现，相序布置对双回路输电线路 的电磁场分布影响较大。其中两线路同相序布置时场强最大，逆相序布置场强最小， 一回运行一回停运接地时场强介于以上二者之间，因此，在采用双回路输电时，应 考虑采取逆相序排列方式。这对如何合理布置高压线提供了重要的指导作用。 不同环境条件下工频电磁污染的空问分布研究第4 章工颠电磁场在居民住宅区内的空间分布特性 第4 章工频电磁场在居民住宅区内的空间分布特性 随着我国电力工业的发展以及城市规模的不断扩大，原本多在郊区农村出现的 高压输电线路在城市边缘地带已随处可见。这些高压输电线穿越人口密集的居民住 宅区上空，附近居民长期生活在其产生的工频电磁场环境中，是否会对他们产生有 害影响威为人们普遍关心的问题。 自1 9 7 2 年国际大电网会议召开后，越来越多的科学家对高压线产生的电磁环境 污染问题进行了研究，如芬兰海斯因奇大学的v z l j u sj 【3 j 、加拿大的k a u n ew t p 瞎 曾对暴露在不同电磁场强度下人群分布进行过调查，另外还有诸多科学家1 2 牝6 1 从各 个角度对工频电磁辐射引起的环境问题进行了研究。国内关于特定区域内工频电磁 场环境污染问题的研究尚不多见。 本章对居民住宅区附近高压输电线的电磁场分布进行了研究，通过理论分析与 实地监测，就建筑物的存在对居民住宅附近环境电磁场强度分布的影响取得些有 用的结果，这对进一步研究城市电磁污染影响将起到积极的作用。 4 1高压输电线工频电磁场分布实测 4 1 1 测量对象 以杭州市古祥1 1 3 2 和1 1 3 3 线为主要监测对象，该线负荷电压1 1 0 k v 。位于杭 州市古翠路西侧，自南向北延伸，呈三相双回路六角形布置。相间垂直距离约4 4 m ， l 、3 相回路间水平距离约7 8 m ，2 相线回路闻水平距离约为8 2 m 。导线直径为 0 0 2 7 4 m 。高压输电线截面及测点布置见图4 1 。 ， 图4 1 输电线截面及测点布置 图4 2 测点布置图 矗羹小医 4 1 2 测量地点 监测地点为杭州市嘉绿苑小区，其东面为古祥1 1 3 3 线，小区座落在第1 4 - - - 1 6 号 铁塔之间，该输电线离小区住宅楼水平距离为1 1 2 0 m 。 4 1 3 布点设置 对工频电磁场强的监测布点共设4 条线路，线路l 选择在1 4 号铁塔和1 5 号铁 塔之间的空旷地带，垂直输电线路的地面投影线以5 m 间隔往东布点，一直测量至 5 0 m ，线路离地面最近距离为9 3 m ；线路2 选择在嘉绿苑小区北1 2 幢与北1 3 幢之 间的小区道路上，离两幢住宅楼的垂直距离均为l o m ，并垂直输电线路的地面投影 以5 m 间隔往西布点，一直测量至5 0 m ，线路离地面最近距离为l o m ；线路3 选择 在嘉绿苑小区北1 4 幢以北l o m 处，其北侧5 0 m 内无建筑物，布点方式同线路1 和 线路2 ，线路离地面最近距离为1 4 4 m ；线路4 选择在嘉绿苑南1 1 与北1 幢之间， 住宅楼间距离为2 7 m ，线路垂直输电线路的地面投影以5 m 间隔往西布点，直至4 5 m 处，线路离地面最近距离为1 0 1 m ，测点布置见图4 2 。 4 1 4 测量仪器及方法 采用美国h o l a d a y i n d u s t r i e si n s 的i - 1 1 - 3 6 0 4 型工频电磁场测量仪，按照工频电磁 场测量的标准方法进行。 4 1 5 测量结果 由于测量值当中电场强度的垂直分量反要远大于水平分量晟，因此分析