输变电设施的电场和磁场概念

电场和磁场是很抽象的科学概念,回答这个首先需要理解场的概念。简单的说,场是一种以看不见摸不着的特殊形式存在的物质。场有很多种,比较容易理解的如重力场,人都有重量就是因为存在于人与地球之间的重力场的作用,而月亮总是围绕地球转而不会甩出其轨道就是因为存在于月亮与地球之间的引力场的作用。重力场与月亮和地球之间的引力场都属于万有引力场。电能是依靠运动的电荷来传递的。而带电或运行中的输变电设施周围存在的电场和磁场正是由其导体上载有的电荷所产生的。因此电场和磁场总是伴随着电能的传递存在的,与电能的传递是不可分割的。就像人不管高矮胖瘦,无论走到哪里,人和地球之间始终存在重力场一样。

静止电荷在其周围空间产生电场,运动电荷(也就是电流)在其周围空间同时产生磁场。变化的磁场产生变化的电场,反之亦然,变化的电场也产生变化的磁场。当频率很低时,尽管在理论上变化的电场和磁场之间存在一定的关系,但是,不仅变化的电场产生的磁场极其微弱,而且变化的磁场产生的电场也极其微弱,均可以忽略不计。因此在低频情况下,可以认为电场和磁场是相互独立的,彼此没有联系。当频率很高时,变化的电场与磁场不仅可以相互转换且存在定量关系,而且可以脱离电荷或电流在空间独立存在并以波的形式向空间传播电磁能量。所以在高频情况下,电场和磁场是相互依存、相互转化的。我们把这种情况下的电场和磁场统称为电磁场。把这种能脱离电荷或电流以波的形式向空间传播电磁能量的电磁场也形象地称作电磁波。

因此在严格的科学意义上来讲,电场、磁场、电磁场和电磁波都是各有其明确含意的不同的概念,以便在不同的领域和场合使用恰当的术语。而平时在无需严格区分的情况下,人们所说的笼统的“电磁场”往往是对电场、磁场和电磁场的总称。

为了清楚地说明输变电设施周围的电场和磁场,需要引入波长与频率的概念。交流电场或磁场的大小与极性,随时间按正弦波规律变化如图1-4所示。大写时间段内,场由一个极性的最大值交变至相反极性的最大值,然后又返回上一极性的最大值。上述变化所经历的时间称为周期T(单位为s);1s内场发生交变的次数(即周期数)称为频率。f(单位为赫兹,记为Hz),其在空气中的波长(单位为m)可以通过下式计算,即

                  图 1-4 交流电场、磁场随时间变化波形

我国电力系统的电源工作频率(简称工频)为50赫兹,属于极低频(ELF)(0~300 Hz)范围,由式(1-2)可以计算其波长长达6000千米。从电磁场理论可以知道,只有当一个电磁系统的尺度与其工作波长相当时,该系统才能向空间有效发射电磁能量。这样的电磁系统一般被称为天线系统。输变电设施的尺寸远小于这一波长,构不成有效的电磁能量发射,其周围的电场和磁场没有互相依存、互相转化的关系,是彼此独立没有联系的。因此在实际工程与环境健康研究中,工频电场和工频磁场通常是分别予以讨论的。

在电磁环境领域,国际组织通常按照频率或波长对电场、磁场和电磁场进行区分。将低频(其波长远远大于系统尺度)电场和磁场统称为感应场或近场,将高频(其波长与系统尺度相当)电场和磁场统称为电磁场或远场。世界卫生组织(WHO)和国际标准中均明确采用上述“电场”、“磁场”和“电磁场”三个术语,而不采用“电磁辐射”这一术语。在这些术语中,“电场”特指感应场或近场中的低频电场,“磁场”特指感应场或近场中的低频磁场。而“电磁场”特指可以在空间传播电磁能量的电磁场。从专业角度上来讲,电磁场的频率一般高于100kHz。

明确上述基本概念以后,在此简要介绍电力设施周围的电场和磁场的基本特性。

(1)电力设施周围的电场

当电气设备接通电源(即加上电压或称为带电)时,在其周围空间就形成了工频电场。曾有公众感到惊奇,在高压输电线下方手持验电笔或荧光灯管时会发光,其实这是电场作用于感应式验电笔造成氖气管放电、或电场作用于荧光灯电极间荧光物所产生的场致放电结果。电场的强度是用沿一定方向单位距离内的电位差(即电压)来度量,电场强度的计量单位为伏特每米或千伏每米(V/m或kV/m)。

由于高压输电线路导线直径很小,因此邻近导线处电场高度集中,线路导线与大地间的空间电场分布是不均匀的,仅以单根(“单相”)带电高压导线为例,在无建筑物、树木等影响的情况下,沿导线到地面高度的空间范围内,电位分布呈指数衰减分布(如图1-5所示)。越接近于地面处,电场强度(E)越小。就人体通常活动所处的地面高度(一般取离地1.0~1.5 m)处的电场强度而言,以正对导线下方的地面投影点为原点(0点),沿垂直于线路方向,地面电场强度(E)同样按距离的倒数迅速衰减(如图1-6所示)。按现有的线路设计,在高压线路边导线地面投影数米距离以外,人体所处地面电场强度均已小于4 kV/m控制限值。

空间的电场很容易被导电物质所屏蔽或削弱(即使该物质不是良导电性的)。建筑物、树木等,都可以使空间电场畸变,并削弱其遮蔽空间或邻近范围内的电场;由于建筑物墙体的有效屏蔽作用,室内的电场强度一般很小,且与户外输电线路产生的电场几乎没有相关性。在变电站围墙外,除架空进出线下方以外,电场强度通常很小。

电气设备处于充电状态而无电流流动的情况下(例如设备未运转,输电线路充电而未传输能量时),设备导体周围仍有电场存在。

(2)电力设施周围的磁场

电气设备工作或运转时,其电流便在周围空间产生磁场。表征电流产生磁场能力的物理量称为磁场强度(H),以安培每米(A/m)为计量单位。同样大小的“磁场强度”在周围介质中产生的总磁通量或相应的磁感应强度(又称磁通密度,即单位面积的磁通量),则取决于周围空间介质的磁导率(μ)。在载流导体周围存在高磁导率的物质(铁磁材料,如变压器线圈带有闭合铁心时),磁场通常会在磁性物体内高度集中,在铁心中感应出很高的磁通量及相应的磁感应强度。而在空气、砖石、非磁性金属以及自然界的大量非铁磁性物质中,其导磁性能与真空中相同,磁导率(单位磁场强度能产生的磁通量)是常数(μo=4π×10-7Wb/A·m),铁磁材料的导磁性能通常用相对于真空中磁导率的倍数μr来表示(μr称为相对磁导率)。

总磁通量或磁感应强度与磁场强度成正比。磁通量(φ)的计量单位为韦伯(Wb),而空间某点处的磁感应强度(单位面积的磁通量)则一般用磁感应强度(B)来计量。磁感应强度的法定计量单位为特斯拉(T),在人体所处环境中,磁感应强度的计量单位一般采用mT或μT来计量(1 mT=10-3 T,1μT=10-3 mT)。

磁场强度与磁感应强度的关系式为:

B =μH =μrμoH           (1-3)

在自由空间中,磁场强度与磁感应强度的关系式为:

B =μo H                     (1-4)

在英美等部分国家,磁感应强度仍常用非国际计量单位高斯(G)或毫高斯(mG)来计量(1 mG=0.1μT)。

磁感应强度随着与磁场源(载流的导体)距离的增加而迅速衰减。三相输电线路产生的磁场按距离平方的倒数衰减。在变电站周界或围墙外,由变电设备产生的磁场水平已经很低。

在我国及世界上大部分国家,电力频率采用50 Hz(也有部分国家采用60 Hz,如美国)。因此,在电力或动力领域中,通常将50 Hz(或60 Hz)频率称之为电源工作频率(简称工频)。

信息来源:《输变电设施的电场、磁场及其环境影响》 中国电力出版社

 

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