随着经济社会的发展, 电力需求日益增大, 城市局部区域"结构性缺电"问题日益凸显^[1], 需要建设大量的变电站, 来完善电网结构。近年来, 公众对电磁环境关注度日益增高, 由于对输变电设施电磁环境影响缺乏了解, 进而引发大量的由变电站建设而导致的厂群矛盾。选取上海市已建典型35~220 kV变电站开展工频电磁场比较分析, 探讨不同类型变电站的电磁环境影响, 并提出建设优化建议。

1 变电站概述 1.1 电网结构

目前国内大多数城市以"500 kV-220 kV-110 kV & 35 kV-10 kV-0.4 kV"的电压等级构成交流输配电的网络, 并通过降压变电站进行降压, 层级参见图 1。一般来说, 交流电电压等级越高, 送电损耗越小, 供电覆盖面积越大。以上海市为例: 500 kV变电站多分布于市郊并形成环状, 在市区分别建设500 kV三林站、500 kV静安站、500 kV虹杨站(待建)作为供电节点; 220 kV的变电站按供电需求网状分布, 一般在城市中心区较为集中, 市郊多分布于中心镇和工业园区周围、或者大型用电企业内, 110 kV和35 kV的变电站一般满足社区街道级别的供电需求, 部分大型商业楼和中型企业也会独立使用此等级的变电站供电, 10 kV电力多通过小型变电站、变电箱、杆变等降压至0.4 kV(三相、单相即为220 kV)供用户直接使用。

根据《电磁辐射环境保护管理办法》, 100 kV以上电压等级的变电站属环保管理范围, 从整体上看, 由于图 1交流输变电电网降压梯次500 kV变电站数量一般较少, 而35 kV变电站在土建规模上与110 kV变电站基本相仿, 公众对变电站电磁环境的担忧多集中于35~220 kV电压等级的变电站, 因此选取该电压范围的变电站进行工频电磁场分析。

1.2 变电站的建设方式

变电站内的设备主要有主变压器, 主变压器附属散热器, 配电装置, 电容器或电抗器, 站用变压器等, 并配套建设中控室、值班室等辅助用房。其中主变压器和配电装置是变电站核心电气设备, 它们的电压等级即为变电站的电压等级, 因主变压器和配电装置布置形式的不同, 又可将变电站分为三大类: ①户外型变电站:主变压器和配电装置设置在户外, 主变压器多采用轴流风扇冷却, 配电装置多采用户外构架, 因而造成变电站占地面积大, 噪声影响显著。一般户外型变电站多见于早期建设的变电站或市郊工业区。②户内型变电站:主变压器和配电装置设置在户内, 主变压器多采用自然冷却, 配电装置多采用GIS设备, 变电站占地面积较小, 电气设备全封闭在建筑实体内。目前居住区、商办区新建站多采用此种建设方式。③地下型变电站:主变压器和配电装置全部设置于地下, 地面设置进排风井, 部分保留散热器。地下型变电站建设成本高, 一般多见于城市核心区, 上海500 kV静安站和220 kV广场站均采用此种建设方式^[2], 其上盖分别为静安雕塑公园和人民广场。

2 方法和仪器 2.1 测量方法及布点

变电站内部电气设备结构复杂, 尽管可以通过理论计算方法计算电磁场, 但过程繁杂, 且各设备和建筑可能互相对工频电磁场产生畸变或屏蔽作用, 理论计算值往往误差较大, 从工作实际出发, 一般均采用实测的方法^[3]。按电压等级、建设方式不同, 选取上海市9座典型的35~220 kV变电站进行实测分析。测量方法参考《超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》 (HJ /T 24-1998), 在变电站边界外约2 m处均匀布点(正对主变压器侧的, 在正对位置处布点), 单座站约布设10个测点, 分别测量工频电场强度和工频磁感应强度, 并在变电站相对空旷且远离站进出线的一侧边界外约20 m处选取1个参考点, 每个测点进行5次读数, 每次读数分别为每15秒周期的仪器显示最大值。

2.2 测量仪器和条件

测量仪器选用PMM8053A / EHP50D型工频仪, 测量频率为12~1000 Hz, 环境温度为31~36 ℃, 相对湿度为42%~72%, 风力小于3级。检测仪器经上海市计量测试技术研究院校准, 检测人员持证上岗, 布点尽量避开其它输电线、树木、建筑物及金属结构等的影响, 所有人员离开仪器探头2.5 m以外, 仪器探头采用塑料支架, 距地1.5 m。测量的各环节严格按国家技术监督局实验室资质认定的要求执行。

3 测量结果和评价 3.1 测量结果

为保证测量结果的可比性, 本次所选择的变电站均位于上海市中心城区, 各变电站周边环境基本相似, 测量时间均为夏季用电高峰, 各变电站均在高负荷状态下运行。对各变电站周围各测点的工频电场强度、工频磁感应强度值进行整理统计, 结果见表 1。

3.2 结果评价

目前, 我国HJ /T 24-1998标准对工频电场强度的环保限值为4 kV /m, 工频磁感应强度的环保管理限值为0.1 mT; 世界卫生组织(WHO)对应的限值分别为5 kV /m和0.1 mT; 国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)的限值则为5 kV /m和0.2 mT^[4], 由此可见, 我国现行的管理限值还是较为严格的。从表 1的测量结果看, 本次所测量的9座变电站周围工频电磁场均低于标准限值要求, 且测得的工频电场强度最大值约为国家限值的12.7%, 磁感应强度最大值约为国家限值的3.9%, 最大值位于220 kV CC站近220 kV配电装置构架侧的测点。

4 结果分析 4.1 不同电压等级变电站比较

从理论上说, 工频电场强度与电压大小有关, 工频磁感应强度与电流强度大小有关, 因此, 在不考虑电磁防护水平的前提下, 电压等级越高的变电站, 对周围环境的工频电磁场影响就越高。从9座典型变电站的监测结果看, 各变电站中的变压器等电气设备有良好接地、周围均有实体建筑(或围墙)屏蔽, 使站界周围工频电磁场强度可降至较低水平, 且各电压等级站周围工频电磁场强度总体上基本相当(除220 kV CC站外), 无法从统计意义上得出工频电磁场影响随电压等级下降的趋势。

4.2 不同建设方式变电站比较

户内型和地下型布置的变电站周围工频电场和工频磁感应强度均低于户外型布置的变电站。以220 kV CC站为例, 其周围工频电磁场明显高于其他各变电站, 是由于电压等级较高、所有电气设备均采用户外型布置、加之站址周围架空进出线的影响。

从工频电场强度角度分析, 户内型和地下型变电站边界周围的工频电场强度基本与环境背景水平相当, 户外型变电站在避开配电装置构架和架空进出线构架的测点, 工频电场强度也可降至极低的水平。

从工频磁感应强度角度分析, 地下站周围的工频磁感应强度明显低于地上站, 这可能是由于变压器埋于地下、其进出线电缆埋设相对较深, 对地面上方环境影响较低而致, 3座户外型变电站周围工频磁感应强度分别高于对应电压等级的户内型变电站和地下变电站, 这一般可认为是由于裸露在户外的变压器、连接电缆等电气设备的贡献。尽管如此, 相对标准限值来说, 位于地面的变电站周围的工频磁感应强度仍处于极低的水平, 且快速衰减, 以110 kV ZJZ户外站为例, 对其周围工频磁感应强度进行了网格化测量, 其衰减分布见图 2。

5 结论和讨论

从9座典型35~220 kV变电站的监测结果看, 变电站周围工频电磁场水平均低于标准限值, 其中, 无架空进出线的户内型和地下型变电站周围工频电磁场水平可基本趋于环境背景水平。

户内型变电站与户外型变电站相比, 占地面积小、电磁环境影响低, 户内站的建筑物还具有改善景观和屏蔽噪声的作用, 投资成本又远低于地下型变电站, 因此从环保和经济角度看, 是当前在环境敏感区推荐的建站形式。

35 kV户内型变电站与110 kV户内型变电站在电网结构中功能部分重叠(图 1), 其建设用地面积也相近, 对周围环境工频电磁场影响基本相当且均极其微小, 110 kV变电站供电半径更大, 是值得优先选择的社区站建站电压等级。

地下型变电站占地面积较小、地面部分可建设城市绿地以美化景观、基本不对周围环境日照采光产生影响, 并可作为城市生态绿廊的组成部分, 有一定的环境正效益, 若不建地面绿化亦可建设地面配套商办建筑以节约土地。因此, 在投资预算允许、技术成熟确保运营安全的条件下, 地下型变电站是值得推广的变电站建设形式。