电力设施周围的工频电磁场产生原理及特征

电和磁是一对孪生兄弟，变化的电流可以产生磁场，变化的磁场也可以产生电流，二者是分不开的。自从电磁感应现象及其规律发现以来，人类对自然的认识和利用进入了新的阶段，特别是电能的发现和使用极大地改变了人类的生活。

在电磁学里，电磁场（electromagnetic field）是一种由带电物体产生的一种物理场。处于电磁场的带电物体会感受到电磁场的作用力。电磁场不是单一的概念，实际上它是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。

电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光 速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒介，具有能量和动量，是物质的一种存在形式。虽然物理定义上很简单，但上电场和磁场看不见、摸不着，实际上它们是很抽象的科学概念。很多人对单独的电和磁还比较了解，毕竟生活中这两种物质还是经常接触到，但是对于什么是电场和磁场，很多人就比较迷糊了。

要了解电场和磁场这两种概念，我们首先需要理解场的概念：简单地说，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，如重力场，人都有重力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。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或电荷的运动所产生的，因此电场和磁场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。当频率很低时，电场和磁场是相互独立的，彼此没有联系。当频率很高时，变化的电场与磁场可以相互转换且存在定量的波阻抗关系，而且可以脱离电荷或电流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义的不同的概念，以便在不同的领域和场合使用恰当的术语。

电场和磁场的产生原理

电场和磁场的依存关系示意图

开头我们提到，电能的发现和使用极大地改变了人类的生活，做为一种清洁、便利的能源，电能的应用渗透到了我们生活的方方面面，而要将电能输送到我们的家中，必须要借助各种各样的输电线、变电站、机房等设备，而在这些设备通上电时，其导体就带有低频的交变电荷，同时在导线与大地之间形成一个交互变化的低频电场和低频磁场。另外，我国输变电工程采用的电力频率为50Hz(赫兹)。因此，在电力或动力领域中，通常将50 Hz(赫兹)频率称为“工业频率（简称工频）。

另外需要注意的问题是，很多人将工频电磁场和电磁辐射的概念混为一谈，我们知道，由于工频的电磁波的波长达到6000kM，属于极低频（ELF）（0～300Hz）范围, 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，彼此独立没有联系。因此在实际工程与环境健康研究中，工频电场和工频磁场是相互独立，分别予以讨论的。

电力设施周围会形成相互独立存在的电场和磁场

下面简要介绍电力设施周围的工频电场和工频磁场的基本特性。

1.      工频电场

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。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（对比图1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1.0～1.5m）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，如对比图2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4kV/m控制限值。

对比图1 带电高压线路下方不同高度空间电位分布

h—线路对地高度；UN—线路对地工作电压；Δh—单位距离

对比图2 邻近高压输电线路的地面场强分布

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.      工频磁场

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）。磁通量或磁感应强度与磁场强度成正比。磁通量的计量单位为韦伯（Wb），磁感应强度的计量单位为特斯拉（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（1mT=10^-3T，1μT=10^-3mT），另外，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（Gs）或毫高斯（mGs）来计量（1mGs=0.1μT）

工频磁场的分布特点与工频电场大体类似，其特点都是随着距离的增大成指数级衰减。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大致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。

3.      工频电场和工频磁场的安全性问题

根据世界卫生组织的2007年最新研究进展报告表明，公众通常遇到的极低频电场，没有确实证据证明其存在实际的健康影响问题。国际科学界也对于工频电、磁场（EMF）对人体健康是否有影响这个问题进行了长期和大量的研究。客观地说研究结果是不完全一致的，或者说是不确定的。为了能够得出科学的结论，国际上有关国家和世界上的一些机构对这些研究进行了可观的评估，这些评估的结论从总体上说基本上是一致的，因此有理由认为工频电、磁场（EMF）对于人类的身体健康是没有影响的。

4.      电力设施周围的工频电场和工频磁场的相关标准

ICNIRP（国际非电离无线电保护委员会）导则推荐的公众居住环境允许曝露限值（电场强度5kV/m、磁感应强度100μT）以及受控环境中的曝露限值（10kV/m、500μT）。目前，制定了工频电磁场限值的国家和地区有38个国家，有33个国家制定了工频磁场公众曝露限值，有27个国家的曝露限值是等同或宽于ICNIRP导则。从分布上来看，主要发达国家和欧洲国家已经制定了工频电磁场限值，曝露限值绝大部分采用了ICNIRP导则。

而在我们中国，《500KV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范(HJ/T24-1998）》是中国评价电力设施电磁环境的标准。也是国家环境保护评价的技术依据。该标准是由国家环保总局委托北方交通大学起草（北交大设有全国电磁兼容实验室），1998年颁布实施。该标准是借鉴国际非离子辐射防护委员会（ICNIRP）发布的《限制时变电场、磁场和电磁场暴露（300GHz以下）导则》而制定的。《ICNIRP导则》限值为工频电场5kV/m，磁感应强度为0.1mT。中国《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范(HJ/T24-1998）》限值为工频电场4kV/m，磁感应强度为0.1mT，从严格程度上来讲，我们国家的标准要比全世界其它标准更严格。

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