電力設(shè)施周圍的工頻電磁場(chǎng)產(chǎn)生原理及特征

電和磁是一對(duì)孿生兄弟，變化的電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也可以產(chǎn)生電流，二者是分不開(kāi)的。自從電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)和利用進(jìn)入了新的階段，特別是電能的發(fā)現(xiàn)和使用極大地改變了人類的生活。

在電磁學(xué)里，電磁場(chǎng)（electromagnetic field）是一種由帶電物體產(chǎn)生的一種物理場(chǎng)。處于電磁場(chǎng)的帶電物體會(huì)感受到電磁場(chǎng)的作用力。電磁場(chǎng)不是單一的概念，實(shí)際上它是有內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一體的總稱。隨時(shí)間變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，兩者互為因果，形成電磁場(chǎng)。

電磁場(chǎng)可由變速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子引起，也可由強(qiáng)弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場(chǎng)總是以光 速向四周傳播，形成電磁波。電磁場(chǎng)是電磁作用的媒介，具有能量和動(dòng)量，是物質(zhì)的一種存在形式。雖然物理定義上很簡(jiǎn)單，但上電場(chǎng)和磁場(chǎng)看不見(jiàn)、摸不著，實(shí)際上它們是很抽象的科學(xué)概念。很多人對(duì)單獨(dú)的電和磁還比較了解，畢竟生活中這兩種物質(zhì)還是經(jīng)常接觸到，但是對(duì)于什么是電場(chǎng)和磁場(chǎng)，很多人就比較迷糊了。

要了解電場(chǎng)和磁場(chǎng)這兩種概念，我們首先需要理解場(chǎng)的概念：簡(jiǎn)單地說(shuō)，場(chǎng)是一種以看不見(jiàn)摸不著的特殊形式存在的物質(zhì)。場(chǎng)有很多種，如重力場(chǎng)，人都有重力就是因?yàn)榇嬖谟谌伺c地球之間的重力場(chǎng)的作用，而月亮總是圍繞地球轉(zhuǎn)而不會(huì)甩出其軌道就是因?yàn)榇嬖谟谠铝僚c地球之間的引力場(chǎng)的作用。電能是依靠運(yùn)動(dòng)的電荷來(lái)傳遞的。而帶電或運(yùn)行中的輸變電設(shè)施周圍存在的電場(chǎng)和磁場(chǎng)正是由其導(dǎo)體上載有的電荷或電荷的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，因此電場(chǎng)和磁場(chǎng)與電能的傳遞是不可分割的。就像人不管高矮胖瘦，無(wú)論走到哪里，人和地球之間始終存在重力場(chǎng)一樣。靜止電荷在其周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電荷（也就是電流）在其周圍空間同時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)頻率很低時(shí)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是相互獨(dú)立的，彼此沒(méi)有聯(lián)系。當(dāng)頻率很高時(shí)，變化的電場(chǎng)與磁場(chǎng)可以相互轉(zhuǎn)換且存在定量的波阻抗關(guān)系，而且可以脫離電荷或電流以波的形式向空間傳播電磁能量。所以在高頻情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是相互依存、相互轉(zhuǎn)化的。我們把這種情況下的電場(chǎng)和磁場(chǎng)統(tǒng)稱為電磁場(chǎng)。把這種能脫離電荷或電流以波的形式向空間傳播電磁能量的電磁場(chǎng)也形象地稱作電磁波。因此，在嚴(yán)格的科學(xué)意義上來(lái)講，電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)和電磁波都是各有其明確含義的不同的概念，以便在不同的領(lǐng)域和場(chǎng)合使用恰當(dāng)?shù)男g(shù)語(yǔ)。

電場(chǎng)和磁場(chǎng)的產(chǎn)生原理

電場(chǎng)和磁場(chǎng)的依存關(guān)系示意圖

開(kāi)頭我們提到，電能的發(fā)現(xiàn)和使用極大地改變了人類的生活，做為一種清潔、便利的能源，電能的應(yīng)用滲透到了我們生活的方方面面，而要將電能輸送到我們的家中，必須要借助各種各樣的輸電線、變電站、機(jī)房等設(shè)備，而在這些設(shè)備通上電時(shí)，其導(dǎo)體就帶有低頻的交變電荷，同時(shí)在導(dǎo)線與大地之間形成一個(gè)交互變化的低頻電場(chǎng)和低頻磁場(chǎng)。另外，我國(guó)輸變電工程采用的電力頻率為50Hz(赫茲)。因此，在電力或動(dòng)力領(lǐng)域中，通常將50 Hz(赫茲)頻率稱為“工業(yè)頻率（簡(jiǎn)稱工頻）。

另外需要注意的問(wèn)題是，很多人將工頻電磁場(chǎng)和電磁輻射的概念混為一談，我們知道，由于工頻的電磁波的波長(zhǎng)達(dá)到6000kM，屬于極低頻（ELF）（0～300Hz）范圍, 從電磁場(chǎng)理論可以知道，只有當(dāng)一個(gè)電磁系統(tǒng)的尺度與其工作波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，該系統(tǒng)才能向空間有效發(fā)射電磁能量。這樣的電磁系統(tǒng)一般被稱為天線系統(tǒng)。輸變電設(shè)施的尺寸遠(yuǎn)小于這一波長(zhǎng)，構(gòu)不成有效的電磁能量發(fā)射，其周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)沒(méi)有互相依存、互相轉(zhuǎn)化的關(guān)系，彼此獨(dú)立沒(méi)有聯(lián)系。因此在實(shí)際工程與環(huán)境健康研究中，工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)是相互獨(dú)立，分別予以討論的。

電力設(shè)施周圍會(huì)形成相互獨(dú)立存在的電場(chǎng)和磁場(chǎng)

下面簡(jiǎn)要介紹電力設(shè)施周圍的工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)的基本特性。

1.      工頻電場(chǎng)

當(dāng)電氣設(shè)備接通電源（即加上電壓或稱為帶電）時(shí)，在其周圍空間就形成了工頻電場(chǎng)。電場(chǎng)的強(qiáng)度是用沿一定方向單位距離內(nèi)的電位差（即電壓）來(lái)度量，電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)量單位為伏每米或千伏每米（V/m或kV/m）。

由于高壓輸電線路導(dǎo)線直徑很小，因此鄰近導(dǎo)線處電場(chǎng)高度集中，線路導(dǎo)線與大地間的空間電場(chǎng)分布是不均勻的，僅以單根（“單相”）帶電高壓導(dǎo)線為例，在無(wú)建筑物、樹木等影響的情況下，沿導(dǎo)線到地面高度的空間范圍內(nèi)，電位分布呈指數(shù)衰減分布（對(duì)比圖1所示）。越接近于地面處，電場(chǎng)強(qiáng)度（E）越小。就人體通常活動(dòng)所處的地面高度（一般取離地1.0～1.5m）處的電場(chǎng)強(qiáng)度而言，以正對(duì)導(dǎo)線下方的地面投影點(diǎn)為原點(diǎn)（0點(diǎn)），沿垂直于線路方向，地面電場(chǎng)強(qiáng)度（E）同樣按距離的倒數(shù)迅速衰減，如對(duì)比圖2所示。按現(xiàn)有的線路設(shè)計(jì)，在高壓線路邊導(dǎo)線地面投影數(shù)米距離以外，人體所處地面電場(chǎng)強(qiáng)度均已小于4kV/m控制限值。

對(duì)比圖1 帶電高壓線路下方不同高度空間電位分布

h—線路對(duì)地高度；UN—線路對(duì)地工作電壓；Δh—單位距離

對(duì)比圖2 鄰近高壓輸電線路的地面場(chǎng)強(qiáng)分布

空間的電場(chǎng)很容易被導(dǎo)電物質(zhì)所屏蔽或削弱（即使該物質(zhì)不是良導(dǎo)電性的）。建筑物、樹木等都可以使空間電場(chǎng)畸變，并削弱其遮蔽空間或鄰近范圍內(nèi)的電場(chǎng)。由于建筑物墻體的有效屏蔽作用，室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度一般很小，且與戶外輸電線路產(chǎn)生的電場(chǎng)幾乎沒(méi)有相關(guān)性。在變電站圍墻外，除架空進(jìn)出線下方以外，電場(chǎng)強(qiáng)度通常很小。

    電氣設(shè)備處于充電狀態(tài)而無(wú)電流流動(dòng)的情況下（例如設(shè)備未運(yùn)轉(zhuǎn)，輸電線路充電而未傳輸能量時(shí)），設(shè)備導(dǎo)體周圍仍有電場(chǎng)存在。

2.      工頻磁場(chǎng)

電氣設(shè)備工作或運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其電流便在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)。表征電流產(chǎn)生磁場(chǎng)能力的物理量稱為磁場(chǎng)強(qiáng)度H，以安培每米（A/m）為計(jì)量單位。同樣大小的磁場(chǎng)強(qiáng)度在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生的總磁通量或相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（又稱磁通密度，即單位面積的磁通量）。磁通量或磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。磁通量的計(jì)量單位為韋伯（Wb），磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)量單位為特斯拉（T），在人體所處環(huán)境中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)量單位一般采用mT或μT來(lái)計(jì)量（1mT=10^-3T，1μT=10^-3mT），另外，在英美等部分國(guó)家，磁感應(yīng)強(qiáng)度仍常用非國(guó)際計(jì)量單位高斯（Gs）或毫高斯（mGs）來(lái)計(jì)量（1mGs=0.1μT）

工頻磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)與工頻電場(chǎng)大體類似，其特點(diǎn)都是隨著距離的增大成指數(shù)級(jí)衰減。磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著與磁場(chǎng)源（載流的導(dǎo)體）距離的增加而迅速衰減。三相輸電線路產(chǎn)生的磁場(chǎng)大致按距離平方的倒數(shù)衰減。在變電站周界或圍墻外，由變電設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)水平已經(jīng)很低。

3.      工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)的安全性問(wèn)題

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的2007年研究進(jìn)展報(bào)告表明，公眾通常遇到的極低頻電場(chǎng)，沒(méi)有確實(shí)證據(jù)證明其存在實(shí)際的健康影響問(wèn)題。國(guó)際科學(xué)界也對(duì)于工頻電、磁場(chǎng)（EMF）對(duì)人體健康是否有影響這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期和大量的研究?？陀^地說(shuō)研究結(jié)果是不一致的，或者說(shuō)是不確定的。為了能夠得出科學(xué)的結(jié)論，國(guó)際上有關(guān)國(guó)家和世界上的一些機(jī)構(gòu)對(duì)這些研究進(jìn)行了可觀的評(píng)估，這些評(píng)估的結(jié)論從總體上說(shuō)基本上是一致的，因此有理由認(rèn)為工頻電、磁場(chǎng)（EMF）對(duì)于人類的身體健康是沒(méi)有影響的。

4.      電力設(shè)施周圍的工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

ICNIRP（國(guó)際非電離無(wú)線電保護(hù)委員會(huì)）導(dǎo)則推薦的公眾居住環(huán)境允許曝露限值（電場(chǎng)強(qiáng)度5kV/m、磁感應(yīng)強(qiáng)度100μT）以及受控環(huán)境中的曝露限值（10kV/m、500μT）。目前，制定了工頻電磁場(chǎng)限值的國(guó)家和地區(qū)有38個(gè)國(guó)家，有33個(gè)國(guó)家制定了工頻磁場(chǎng)公眾曝露限值，有27個(gè)國(guó)家的曝露限值是等同或?qū)捰?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: 黑體">ICNIRP導(dǎo)則。從分布上來(lái)看，主要發(fā)達(dá)國(guó)家和歐洲國(guó)家已經(jīng)制定了工頻電磁場(chǎng)限值，曝露限值絕大部分采用了ICNIRP導(dǎo)則。

而在我們中國(guó)，《500KV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(HJ/T24-1998）》是中國(guó)評(píng)價(jià)電力設(shè)施電磁環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)。也是國(guó)家環(huán)境保護(hù)評(píng)價(jià)的技術(shù)依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)家環(huán)保總局委托北方交通大學(xué)起草（北交大設(shè)有全國(guó)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室），1998年頒布實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)是借鑒國(guó)際非離子輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）發(fā)布的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)暴露（300GHz以下）導(dǎo)則》而制定的?！?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: 黑體">ICNIRP導(dǎo)則》限值為工頻電場(chǎng)5kV/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1mT。中國(guó)《500kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(HJ/T24-1998）》限值為工頻電場(chǎng)4kV/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1mT，從嚴(yán)格程度上來(lái)講，我們國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)要比其它標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。

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