高压电力线路能产生电磁辐射吗??

高压电力线路杆塔高耸,长长的高电压导线凌空飞架。与诸如移动通信基站等的发射天线相比,体积和规模要大得多(图1)。在不少人想象中,高压电力线路电压高、电流大,必然无时无刻不在向周边发射看不见的电磁波。如此长距离的电力架空线,就像一根长长的“天线”,它“发射”电磁波的能力似乎也必定比长度不超过2~3米的基站天线更强。普通公众的这种视觉感受,与借助媒体,在社会上广为流传的诸如“高压电力线路电磁辐射”、“电磁辐射六大危害”等似是而非的言论结合,已成为导致公众误解与担忧的关键疑问。

高压电力线路到底能否向周围发射电磁波呢?诚然,按照麦克斯韦电磁场理论,工频(50/60 Hz)电场与磁场既然属于“时变”电场与磁场(强度随时间呈周期性变化),那么,不管其频率有多低,发射能力有多弱,至少在理论上应首先承认它可以向远处发射“电磁波”。后面将看到,这种“电磁波”是极弱的,而且在邻近高压电力线路周边地区电场与磁场的掩盖下,几乎不能观察到它的存在。


图1 移动通信基站及500 kV高压电力线路场景

但是,我们实际面对的是高压电力线路周边的电磁环境及其人体作用的生物效应问题。那就有必要对高压电力线路周边电磁场的实际存在形式、其基本特征以及实际水平作较为深入的分析。不顾实际地在环境健康领域盲目渲染“高压电力线路电磁辐射”,且不论其对公众的误导作用有多大,就电磁场理论或低频场的“近场区”特征而言,也是一种悖谬。本问题将从以下3方面予以论述。

1 “天线”的作用以及它是如何工作的

我们知道,电磁能量的传送方式与电磁能的频率高低直接相关。低频电磁能量传送或低频短距通信通常采用传输线方式(如电力、有线电话、低频载波通信等);而在高频率时,就可采用天线经空间传送而不需任何传输设备(如广播、电视、无线通信、雷达等)。按照天线与无线电波传播理论,发射天线是将传输线中的“导行电磁波”转换为“自由空间电磁波”,向空间发射的一种无线电器件。

那么,用来向空间发射电磁波的实际天线是怎样工作的呢?我们以高频(数百MHz至GHz)常见的谐振天线为例,进行定性介绍。图2(a)表示了一对开路传输线,由于频率很高,波长很短,因此沿线电压电流呈驻波分布,传输线末端电流幅值为零。在传输线中,是导线在引导波动,电磁能量以电场和磁场形式驻留于环绕两根导线的空间区域内。电力线(也称电场线)起始(或终止)于传输线上的电荷,并且与传输线垂直,(如图2(a)中虚线箭头所示);磁力线(也称磁场线)则环绕着传输线(如图2(a)中垂直于纸面的方向箭头所示)。如同低频电场与磁场一样,电场与磁场都是在传输线的两根导线之间得到加强,而在空间其它位置迅速凋落。当传输线的末端像图2(b)那样向外弯折后,两导线间场的增强区域将暴露到空间。当弯折部分的长度各为1/4波长(上、下总长度为1/2波长)时,就构成一个当今使用最广泛的“半波振子”天线。此时,电磁振荡源供给的电磁能量源源不断地通过掰开的两臂向空间连续发射,电力线从天线上脱离,在空间形成闭合环;而天线上的传导电流不断转化成空间的位移电流,磁力线脱离天线中的传导电流,与位移电流相环绕,形成有效的空间“辐射”。

图2描绘的是通过一对平行传输线给一个半波振子天线馈电的工作过程。对于我国移动通信使用的工作频段(800MHz~2.4GHz),我们按式4-1可计算得这个频段对应的波长仅为0.38~0.12m,发射这种频率所需半波振子的臂长(1/4波长)仅为3~8cm。因此在移动通信领域中广泛地单独使用,或作为天线阵列中的元件组合使用。我们常见屋顶上移动通信宏基站常用的板状天线(图1a),盒子里面就装着由多个半波对称振子组成的天线阵列。

图2 由终端开路的传输线变为振子天线

2 工频电力线路不可能形成有效的空间电磁波辐射

现在,我们把目光转回至高压电力线路及其周边的工频电场与磁场。天线理论告诉我们,天线的“电尺寸”和“物理尺寸”完全是两回事。一个工作于低频(例如1 MHz以下频段)的天线几何尺寸或许很大,但是其电尺寸却是很小的,发射能力是很低下的,而对50/60 Hz的电力频率而言更是如此。我国电力使用的频率是50 Hz,其相应的波长长达6 000 km。如果要把电力线路比作“天线”的话,可以预料,无论设计的“发射天线”结构有多么庞大,“天线”的尺寸相对于波长而言,都是微乎其微的。

二十世纪中、后期,美国在发展战略核潜艇的同时,就曾对利用极低频与深海潜航中的潜艇保持联系进行过长期的探索与研究。我们知道,海水赋予潜艇无与伦比的水下隐蔽性和机动性,但也给潜艇水下通信带来巨大的困难。海水是一个巨大的导电体,它屏蔽了几乎所有的电磁波及光线。人们广泛使用的无线电通信系统,在海水中都无法使用。为了利用低频信号在海水中及在大气层中相对较小的衰减特性,主要军事大国在建立覆盖全球的甚低频(VLF)对潜发射台的同时,一些国家也曾进一步研究极低频(ELF)通信方案的应用。

但是,由于极低频(通常指30 Hz~300 Hz)的波长极长(1 000~10 000公里),极低频通信发射天线只能采用长达数百公里的“线电流天线”(或称“元天线”),这是可用于极低频发射唯一可行的天线形式。极其微弱的极低频信号在大气层中沿地球表面和电离层之间的区域传播。根据计算与实验,仅为了满足向深海潜艇发射单向通信信号(潜艇只能收听,不能答复)所需的天线长度至少需要4×100公里的天线阵。这种天线两端还必须选择在电导率10-4 S/m或更低(即基岩电阻率高达104 Ω·m)的特殊地质花岗岩石上有效接地,尽可能增加极低频信号在地壳中的集肤深度(达数千米以上),从而藉助基岩的回流,使地壳成为环形天线的一部分,以增大发射功率。即便如此,计算与试验结果表明,必须向这种天线阵馈入高达几兆瓦的输入功率,才能获得至多上百瓦的天线总辐射功率。其总辐射功率只相当于一只100~150 W灯泡消耗的功率,实在是微乎其微的。进一步的比较表明,高压电力线路的结构更异于上述专用于极低频通信的发射天线,其根本差异在于高压交流电力线路总是由三根相距很近的导线组成往返电流相抵消的“传输线”,其三相电流和电压在任何时刻都是对称且在空间合成为零(就工程概念而言,三相时间相位各差120°,空间矢量之和互相抵消)。其发射能力更远低于上述专为发射设计的“线电流天线”。难怪美国威斯康星大学医学院放射学教授约翰·莫尔登(John Monlder)在2004年发表的“电力线与癌症——常见问题和回答(Q&A)”中,作出了如下阐述:“计算表明,典型的由电力线路所发射的最大功率密度将小于0.000 1 μw/cm2,比晴朗的夜晚由满月送到地球表面的辐射能量(0.2 μw/cm2)还小2 000倍”。因此,仅从能否形成有效能量辐射的角度,在极低频领域引用“电磁辐射”的概念也是不切实际的。

3 电力线路周围存在的是感应场

在纠正“高压电力线路电磁辐射”这一不适当概念时,必须引入电磁场以及天线、电波理论中十分重要的一个概念,即“近场”与“远场”。需注意的是,这里谈的“近场”与“远场”并非纯粹的几何距离,而是与频率(波长)密切相关的相对距离。

我们仍以上节所述的线电流天线(或称电偶极子天线)为例,设r为空间某一场点距天线的距离,λ为发射源的波长。则通常把距离天线较近的区域(即r《λ处)定义为天线的“近场区”;而把r》λ的区域定义为“远场区”。以频率为900M Hz的第二代移动通信频率为例,相应的波长仅为0.33 m,因此在距天线不到1 m的距离处即呈现“远场区”的典型特征,主要表现为:

(1)电场与磁场在空间互相变换,并以电磁波的形式在场域空间向外传播(如图1所示);

(2)电磁波在行经一段距离后,电磁源原先的波阻抗逐渐变为空气的“波阻抗(120π=377Ω),形成辐射。这个划分近场与远场的临界距离d约为1/6λ(在本例中仅为5 cm左右)”。因而,在邻近移动通信基站天线几乎任何距离的地点,通信信号都表现出典型的“远场”即辐射场特征。

下面再以频率为50 Hz的工频为例,50 Hz频率相应的波长为6 000 km,对于距电力线路数米或数百米处的人体而言,由于r《λ,电场与磁场呈现典型的“近场区”特征:

(1)近场区内的电场磁场与源(导线处)的相位差异小到可忽略的程度,没有空间移动的特征,不呈现向空间传送电磁波的现象,因此近场也称为“似稳场”;

(2)近场区内电场与磁场的特性与静态场几乎完全相同,可用静态场来求解,因此也称为“准静态场”;

(3)近场区内,磁场随距离呈1/r2规律、电场以1/r3规律迅速衰减,表现为典型的“感应场”。在该区域内电磁辐射的能量极小,完全不必考虑。

综上所述,把目前众说纷纭且较深奥的电磁波理论问题通过形象的语言予以阐明。其核心结论是以下两条:

(1)50/60 Hz电力线路不可能向空间形成有效的电磁波发射;

(2)高压电力线路周围区域是典型的“近场”,该区域内存在的是相互独立的“电场”与“磁场”。线路带有电荷时,周围即存在电场;线路通电流时,周围即存在磁场。所谓“电力线路电磁辐射”的概念是不符事实的,不应放任此错误概念继续在社会流传。

信息来源:达尔问环境研究所
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