高压直流输变电项目电磁环境监测探讨

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摘 要：目前国内环境监测机构对交流输变电项目电磁环境监测已有深入研究和丰富的实践经验，但对近几年发展较快的高压直流输变电项目电磁环境监测技术的研究和确立仍处于起步阶段。文章从分析直流电磁环境影响因子入手，结合现有监测和管理标准方法，对高压直流输变电项目的电磁环境监测进行了探讨，以提供一个可行的直流电磁环境监测技术框架。

关键词：高压直流；电磁环境；监测；标准；仪器

前言

保护环境是我国的基本国策。从我国制定的《国家环境保护“十二五”规划》可以看出，目前我国核与辐射安全风险增加，人民群众环境诉求不断提高，突发环境事件的数量居高不下，环境问题已成为威胁人体健康、公共安全和社会稳定的重要因素之一[1]。电磁环境管理是核与辐射环境管理中的一项重要任务，也是当前群众环境诉求最为集中的领域之一，电磁环境监测则是电磁环境管理的重要组成部分和技术支持。随着高压直流输电工程项目的增加，有必要对直流电磁环境监测技术进行研究，切实提高监测水平和监管能力。文章对高压直流输变电项目电磁环境监测因子、方法和仪器等方面进行了分析和探讨，以为环境监测机构建立直流电磁环境监测技术框架提供借鉴。

1 我国电磁环境监测现状

当前，我国电磁环境的环保监测任务、尤其是验收监测主要由各地辐射环境监督（监测）站承担。国家环境保护部（原国家环境保护总局）为指导和规范全国各级辐射环境监测与监察机构能力建设，曾于2002年和2007年，并完善了全国辐射环境监测与监察机构建设标准，体现出辐射环境监测在我国环境保护管理中的重要性。经过近三十年的发展，各地辐射监测机构和技术人员都已掌握了较为丰富的电磁环境监测方法，尤其是针对高压交流输变电项目的电磁环境监测，已形成一套非常成熟的监测技术体系和方案。

直流输电技术发展起于1882年，1987年我国首个全部采用国内技术的舟山直流输电工程投入运行[2]。自2005年开始，随着我国国内对高压直流输变电技术研究的不断深入，直流输电项目立项和建设也开始进入了高峰期。2009年，世界上第一个800kv直流输变电工程在我国实现。高压直流输变电工程在我国建设起步较晚，目前对其合成场强、直流磁场等的环境影响研究尚不充分[3]，相关的环境监测和管理标准尚未完全建立，因此各地电磁环境监测机构、包括辐射环境监督（监测）站普遍缺乏相应的监测经验，监测技术体系尚未形成。

2 高压直流输变电项目电磁环境影响因子

高压直流输变电项目一般由换流站、输电线路（文章研究主要针对架空线路）和接地极三部分组成，三者均会带来一定的电磁环境影响。

2.1 换流站

在直流输电系统中，完成交、直流电相互变换功能的站体统称为换流站。其中，将直流电变换为交流电的换流站称为逆变站，将交流电变换为直流电的换流站称为整流站。

换流站电磁环境因子包括：直流合成电场、离子流密度、直流磁场、工频电场、工频磁场和无线电干扰。

直流母线是换流站直流电磁环境影响的主要污染源，污染因子包括合成电场、离子流密度和直流磁场；另外，换流站内其他带电导体发生电晕后也会对合成电场和离子流密度产生一定的贡献。各类交流设备是换流站交流电磁环境影响的污染源，污染因子包括工频电磁和工频磁场。换流阀和交直流电气设备则是直流换流站内造成无线电干扰的主要污染源。

2.2 输电线路

高压直流输变电项目的输电线路用于将直流电自送端换流站输送至受端换流站，除不含直流输电线路的背靠背直流输电系统外，一般情况可根据输电线路的形式将直流输电系统分为单极和双极两种类型。

单极系统运行的可靠性和灵活性不如双极系统好，因此直流输电项目普遍采用双极系统的接线方式，我国三峡至常州、广东、上海的直流输电线路均采用该种接线方式[4]。

与换流站中直流母线类似的，直流输电线路对其周围环境的主要污染因此包括合成电场、离子流密度和直流磁场；在输电过程中，由于电晕的存在，直流线路同样会对周围环境产生无线电干扰。

2.3 接地极

接地极（包括引线）是直流输电系统中一个特殊的线路部分。当直流输电系统以双极模式运行时，接地极起钳制换流器中性点电位的作用，无电流通过；当直流输电系统以单极大地回线或是双极不对称运行时，接地极不但过着钳制换流器中性点电位的作用，而且还为直流电流提供通路[5]。

接地极中有直流电流通过时，一方面其引线相当于一回直流输电线路，会对周围产生合成电场、离子流密度、直流磁场以及无线电干扰等电磁环境影响；另一方面，接地极将直流电流注入大地的特殊作用，会在极址周围形成一个稳定直流场，使得大地电位提高，对环境的直流磁场影响最为明显，同时出现跨步电压和接触电动势可能会影响人畜安全。

3 直流相关电磁环境监测标准

目前，国内直接适用直流输变电工程电磁环境监测相关的标准方法主要有：

（1）《直流换流站与线路合成场强、离子流密度测量方法》（DL/T 1089-2008）

该方法适用于800kv及以下、正常运行条件下的换流站和直流输电线路的合成场强、离子流密度的测量。

（2）《高压架空输电线、变电站无线电干扰测量方法》（GB/T 7349-2002）

该方法适用于电压等级为500kv及以下正常运行的高压架空送电线、变电站、频率范围为0.15～30MHz的无线电干扰测量。

针对换流站中的交流部分，则可将以下两项标准作为监测参考方法：

（1）《高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法》（DL/T 988-2005）

该方法适用于所有电压等级的交流高压架空送电线路和变电站。

（2）《交流输变电工程电磁环境监测方法（试行）》 （HJ 681-2013）

该方法适用于110kv及以上电压等级的交流输变电工程，其他电压等级的交流输变电工程电磁环境监测可参照执行。

上述监测方法中除HJ 681-2013外，其他三项监测方法是由国家电力公司/国家电网公司或中国电力企业联合会提出、武汉高压研究所起草制定的。而从当前国家环境保护主管部门标准制定规划来看，短期内最有可能出台的电磁环境保护相关标准是《电磁环境公众曝露控制限值》，该标准是针对现有标准《电磁辐射防护规定》（GB 8702-88）的修订，但却不包括针对直流电磁环境管理的限值。其修订说明在“修订原则”部分明确提出采取了“回避原则”，即“回避了直流输变电等法规及研究尚无定论或争论较多之处”[6]。因此，可以预计近阶段不会有进一步的直流输变电工程电磁环境监测标准方法出台。

4 直流相关电磁环境监测因子确定

接地极极址在事故状态、单极大地回线或双极不对称运行等特殊情况下，会造成跨步电压、接触电压和转移电压，并由此可能对电信系统、交流电力系统和埋地金属管道造成的影响[2]。该部分影响应由项目建设单位根据《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规范》（DL/T 5224-2005）的规定严格设计，保留充分的余地，确保安全。投运后定期检查，加强在线监测，及时掌握接地极工作状态。在这种情况下，认为接地极部分可以不列入直流输变电项目的电磁环境监测对象范围内。

结合前文对高压直流输变电项目电磁环境影响因子综合分析可以总结认为，该类项目正常运行期间，项目整体对周围环境造成的电磁影响主要包括合成电场、离子流密度、直流磁场、工频电场、工频磁场和无线电干扰六个方面。

经分析并结合工作实践认为，将合成电场、工频电场、工频磁场这三项作为高压直流输变电项目的电磁环境监测因子最为适当，离子流密度、直流磁场和无线电干扰这三项则仅作为技术指标研究和控制，不列入电磁环境的监测范围。原因如下：

（1）人在直流输电线路下会同时受到离子流和电场的作用。当人在直流输电线路下截获离子流后，被截获的离子流会通过人体入地。有研究表明，要得到同样的感受，流过人体的直流电流要比交流电流大5倍以上；而人在直流输电线路下截获的电流又比能感觉的临界值小两个数量级。因此，人在直流输电线路下截获离子流一般不会有感觉。有学者试验后认为离子流带来的空间电荷不会在人或动物身体表面产生聚集，不会影响人或动物健康[7]。但整体而言，目前对离子流可能造成的生物效应尚无定论[8]。另外离子流场与直流导线本身产生的静电场（标称电场）叠加形成合成电场，表明离子流场的环境影响在合成电场中已有所体现，且两者基本呈现相同的变化规律，因此离子流密度可不单独作为一项电磁环境影响因子开展监测。

（2）直流磁场属于静磁场。从全球地磁场的分布情况来看，大部分地区的地磁场水平范围为20～70μT，我国为40～60μT。研究表明，即使对于电压等级为±800kv的高压直流输电线路而言，在极导线距地高度取18m的情况下，其线下地面最大磁感应强度也小于45T；另外，磁感应强度随距离增加迅速衰减，换流站边界外水平更低。对于接近或小于地磁场水平的静磁场，人类早已习惯，不会影响人的健康；否则，人类在地球上生存都成问题[2、9]。因此，认为直流磁场可不作为高压直流输变电项目必要的电磁环境监测因子。

（3）是否应将无线电干扰监测列入输变电项目电磁环境监测因子的争论由来已久。持支持意见方主要考虑高压直流输变电项目造成的无线电干扰会对附近的通信、广播节目等造成影响，认为实施监测是必需的。但从开展高压交流输变电项目无线电干扰监测实践经验来看，建议不将其作为高压直流输变电项目的电磁环境监测因子：

首先，无线电干扰测量地点选择困境。无线电干扰的影响作用主要是对各类电子设备而非对人。GB/T 7349-2002中规定了无线电干扰的测量地点应选在“地势较平坦，远离建筑物和树木，没有其他电力线和通信、广播线的地方”。符合条件的监测地点在城市或近郊几乎不存在，而城市或近郊正是公众对项目环境监测最为关注的区域；反之，符合上述监测条件的区域一般远离公众生活区，在该类区域内开展无线电干扰监测意义不大。

其次，从无线电干扰的影响对象和影响程度来看，近年来，中、短波频段的无线电广播收听已不再是居民广泛关注的问题，收听率大幅降低，输变电项目无线电干扰对公众生活的影响程度和范围均已很小。1994年10月22日，国家无线电管理委员会办公室了《无线电监测和干扰处理程序（试行）》（国无办监[1994]181号），规定了“监测各种干扰，对其进行分析，提出处理意见”是各级无线电监测站常规监测的一项任务。因此，当直流输变电项目产生的不确定性较大的无线电干扰对广播、电视、通信等造成影响时，可由当地无线电监测站监测分析，由无线电管理部门依法进行处理，不会因该项目未被列入环保部门的电磁环境监测范围而形成管理缺失，造成严重环境污染和干扰。

再次，无线电干扰测量结果受环境背景水平影响较大。由于影响的相互性，广播信号以及其他通讯设施、电子设备都会对无线电干扰测量带来影响，进而对这一电磁环境监测项目的结果评定造成干扰。

最后，无线电干扰主要是因换流阀和直流导线等电晕放电造成的，与其同因产生的还有一项非文章讨论范围内的污染因子--可听噪声，二者机理、规律均有相似之处。鉴于环境噪声监测技术和方法已非常成熟可靠，可以将可听噪声作为项目必需的监测因子和重点管理目标，通过对噪声现象的抑制和改善，同样有助于降低输电线路的无线电干扰水平。

2013年1月6日，环境保护部曾发办公厅函（环办函[2013]12号），向各省、自治区、直辖市环境保护厅（局），环境保护部核与辐射安全中心，环境保护部辐射环境监测技术中心，国家电力监管委员会，国家电网公司，中国南方电网有限责任公司征求对《环境影响评价技术导则 输变电工程（第二次征求意见稿）》和《建设项目竣工环境保护验收技术规范 输变电工程（第二次征求意见稿）》的意见。从上述两项技术规范制定中的情况来看，直流磁场、离子流密度和无线电干扰在第二次征求意见稿中未被列入直流输变电工程电磁环境评价和验收范围内。

综上分析认为，高压直流输变电项目必要的电磁环境监测因子为合成电场、工频电场、工频磁场三项，其监测方法最为成熟完整，污染源项易于判定，监测结果易于评价，且基本覆盖直流输变电工程的主要电磁环境污染因子，已能够较为充分满足该类项目电磁环境影响的管理需要。

5 监测方法和仪器

合成场强的测量方法和对测量仪器的基本要求在DL/T 1089-2008中已明确，其中值得注意的几点是：

（1）测量的是地面合成场强，测量仪器应直接放置在地面上，探头与地面间的距离应小于200mm，接地板应良好接地。

（2）风速对高压直流输电线路下方合成场强的影响极大。因正负离子在电场作用下的迁移速度和风速相比，属同一数量级，即使是很小的风，带电离子运动的随机性也很大，将会使合成电场分布发生畸变[10-12]，因此方法规定了测量必须在风速小于2m/s条件下进行。

（3）合成场强测量受自然环境影响较大，使得测量数据的分散性也较大，因此方法规定了每个测点每次测量数据不少于100个，且应用累计概率法进行数据处理。

据了解，目前国内仅有武汉高压研究所和北京森馥科技有限公司等极少数单位进行了高压直流地面合成场强监测设备的研发工作。2013年，我单位根据需要购入了北京森馥科技有限公司开发的HDEM-1直流合成场强检测系统。HDEM-1直流合成场强检测系统采用引进自加拿大博泰公司的测量探头，并由北京森馥科技有限公司根据DL/T 1089-2008进行了数据采集、传输、分析处理系统的二次开发和集成，能够充分满足测量方法对合成场强检测仪器的要求。

我单位在引进HDEM-1直流合成场强检测系统前，曾赴昆明特高压直流试验基地对系统的监测性能进行了验证实验，实测数据与理论估算值具有较好的一致性，基本能够满足环境监测的需要，为电磁环境管理提供数据支持。

对于工频电场和磁场的监测，仅涉及换流站周围。监测仪器方面，国内使用最为广泛的是意大利PMM公司提供的工频仪。目前，其已与德国NARDA公司合并同属于美国L-3 Communications，最新推出的工频电场、磁场监测仪器是EHP-50D（探头），可配套NBM-550主机或通过配套EHP-TS软件连接PC开展监测。

鉴于各电磁环境监测机构对交流输变电项目电磁环境监测已有丰富的实践经验，文章不再进行深入讨论。建议以HJ 681-2013作为监测的主要依据，在换流站交流侧围墙外适当增加测点、并设置监测断面。在测量和仪器选择方面，应重点注意以下两点：

（1）工频电场监测结果受环境湿度影响较大，因此监测时环境温度应在80%以下，工频电场监测仪器探头支架应用不易受潮的非导电材质。

（2）监测结果应选用仪器的方均根值读数。

6 结束语

伴随着经济发展和技术水平的提高，我国已经进入环境风险高发期。环境监测工作是环境保护工作的重要基础和支持力量，环境监测水平直接关系到环境管理的科学化程度。高压直流输变电项目是一种新兴的输变电方式，针对其开展电磁环境监测有助于及时、准确掌握项目运行过程中环境污染的实际情况，为保护公众利益提供科学依据。高压直流输变电项目的电磁环境监测，对保护环境、促进电力项目可持续发展具有重要意义。我国有必要通过研究建立一套包括环境评价、预测、监测和管理等，较为全面且具针对性的环境标准体系；对全国各地的环境监测机构而言，根据高压直流输变电项目特点形成完善的监测体系和熟练掌握监测技术方法则是当前工作的重中之重。

参考文献

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[2]刘振亚.特高压直流输电工程电磁环境[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3]环境保护部.关于征求《电磁环境公众曝露控制限值（征求意见）》意见的函.附件2，环办函[2012]386号.

[4]国家电网公司.中国三峡输变电工程.直流工程与设备国产化卷[M].北京：中国电力出版社，2008.

[5]刘振亚.特高压直流输电理论[M].北京：中国电力出版社，2009.

[6]《电磁环境公众曝露控制限值（征求意见）》的编制说明，2012（3）.

[7]Analysis of air ions in tnological exposure systems，near HVDC electric power transrmssion lines，in rooms containing ion generations and neal exposed humans and animals，Journal of Applied Physics，1983，54（11），6274-6283.

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作者简介：陈伟（1981，12-），男，籍贯江苏，工程师，目前主要从事电磁和电离辐射环境监测和管理工作。