工频电场（共4篇）
工频电场 篇1
关于工频电场效应的长期影响, 即电场引起长期的生理或生物学影响, 在世界范围内已进行20多年的研究, 至少有十几个国家开展了这方面的研究工作。研究内容包括: (1) 输配电职工健康情况调查; (2) 流行病学研究; (3) 对志愿受试实验室内试验; (4) 在实验室用动物模拟人体暴露的试验; (5) 电场对动物和植物生态影响的研究等。
各国所开展的典型研究为: (1) 美国邦纳维尔电力局关于特高压试验线路对生态影响的试验研究; (2) 美国电力公司关于765kV输电线对家畜影响的调查; (3) 日本特高压输电线路下电场对家畜影响的试验研究; (4) 意大利对特高压输电工程工频电场生态影响的试验研究; (5) 前苏联对超、特高压输电线路下电场的生态影响研究; (6) 英、法、意3国联合对工频电场生态影响方面的试验研究。
研究表明, 工频电场对人和动物有确定有害影响的阈值远高于输电线路下工频电场的限值;特高压输电线路工频电场取值合适, 不会对生态环境造成不利的影响。
工频电场 篇2
高压送电线路是电力系统的重要组成部分, 导线上的电流会对周围的空间产生电场。工频电场超过一定范围就会对人和生态环境产生潜在的危害。因此, 解决此类问题既能减少对人和生态环境的影响, 也能节约输电工程建设的成本。随着高压线路的增多, 环保要求的不断提高, 国内外对电磁场的强度都有过一些测试[2,3,4]。主要介绍了工频电场强度的预测和分析结果。
1 送电导线空间工频电场强度的计算
1.1 计算原理
等效电荷法的基础是静电场镜像法, 通过内部一组等效电荷来代替导体表面不均匀且连续分布的电荷, 在选定的组电荷满足原来的边界条件下就能求出全场域的解。导体外形的精确度与等效电荷的数目成正比, 即等效数目越多表示导体外形就越精确。在实际中导体的几何形状有很多种, 这就需要采用不同的等效电荷方式, 如点电荷, 线电荷 (管形或圆柱导体) , 以及环形电荷 (圆环和球) 。
1.2 单位长度导线上的等效电荷计算
高压送电线采用的是圆柱导体, 因此等效电荷形式为线电荷。由于高压送电线的高度远远的大于输电导线的半径, 所以等效电荷的位置可以认为是输电导线的几何中心。利用镜像法计算送电线路上的等效电荷, 对于多导线线路上的等效电荷可以用下列矩阵方程:
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式中:[U]——各导线对地电压的单列矩阵;
[Q]——各导线上等效电荷单列矩阵;
[λ]——各导线的电位系数组成的n阶方程 (n为导线数目) 。
[U]矩阵由送电线路上的电压和相位来确定, 从环境保护考虑以额定电压的1.05倍来计算电压。以三相交流电为例, 由三相交流电各相的相位角和分量, 可以计算出各导线对地的分量UA、UB、UC。
[λ]矩阵由镜像原理求得。i, j表示相互平行的实际导线, i′, j′表示对应导线的镜像, 如图1所示。电位系数为:
undefined
式中: ξ0——空气介质常数:undefined
Ri——送电导线半径, 对于分裂导线可以用以下公式计算等效单根导线的半径:undefined
R——分裂导线半径;如图2所示。
n——次导线根数;
r——次导线半径。
通过等效电荷矩阵方程和已求出的[U]矩阵和[λ]矩阵, 求得[Q]矩阵。
1.3 计算等效电荷产生的电场
当求出送电导线单位长度的等效电荷后, 通过叠加原理计算出空间任一点的电场强度, 如在 (x, y) 点的电场强度:
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式中:xi、yi——导线的坐标 (i=1、2、…、m) ;
m——导线数目;
LiL′i——分别为导线i及镜像到计算点的距离。如图3所示。
2 工频电场强度的实测分析
2.1 监测的环境及布点
以甘肃洛大库驼330kV海金线319#～320#铁塔处为例进行计算, 330kV海金线单回路送电线路, 线路的架设方式:单回路水平排列架设, 线路形式:C-A-B, 线路对地距离:最大弧垂导线对地高度为8.8 (库驼) , 边导线距走廊中心距离:7m, 导线型号:2*LGJ-400/50, 分裂距离:400mm, 次导线直径:27.63mm。
根据《500kV超高压送变电工程电池辐射环境影响评价技术规范》 (HJ/T24-1998) , 以档距中央导线磁垂最大处线路中心的地面投影点为测试原点, 沿垂直于线路方向进行, 测点间距为5m, 顺序测至边向导线地面投影点外50m处止, 分别测量离地1.5m处工频电场强度。实际监测时, 选择了晴好天气, 测量点避开了较高的建筑物、树木、高压线及金属结构, 选择比较空旷场地进行的测试。
2.2 计算结果与测量值的分析
工频电场计算结果与测量值对比, 见表1。
以距离中相线的距离为X轴, 电场强度的大小为Y轴, 根据计算结果和测量值建立330kV送电线路电场强度走势图, 如图4所示。
计算结果是在理想情况下 (不考虑电晕对电场强度的影响) 即没有建筑物、树木等干扰物的情况下所得到的值, 所以与测量值会存在一定的偏差。在计算过程中可知, 对于同一测量点, 电场强度的垂直分量要比水平分量大很多, 这与测量规律一致。因此, 可以近似认为架空线路附近的工频电场强度为垂直分量。由图4电场强度的走势可知, 工频电场强度计算值和测量值的最大值都在距离边线0m处, 随着距边线距离的增加电场强度不断减小, 直到50m左右趋于重合。
3 结论
测试数据的变化规律和计算数据分析得出的规律基本一致, 工频电场强度的最大值都出现在边相线外附近, 电场强度随着离边线距离的增大而逐渐减小。由计算和测量结果得到, 电场强度都以垂直分量为主, 水平分量只占综合电场强度的小部分, 在测量过程中可以将垂直分量近似作为该点的电场强度。通过理论与实际的结合分析得出, 有效的理论计算可以对送电线路的工频电场强度进行预测。在对送电线路进行设计、建设中, 事先的预测在此过程中发挥着重要的作用, 通过计算能够得到运行送电线路产生电场强度对周围环境影响的范围, 而且能完全保证在环境保护评价标准限值的范围内。高压送电线路工频电场强度的预测在节约线路架设的成本, 保护环境和周围公众的身体健康中发挥着至关重要的作用[5]。
摘要：采用了等效电荷法计算330kV送电线路上的工频电场强度, 并结合实际测量进行类比和分析, 为送电线路的设计和建设提供了重要的依据。
关键词：330kV,等效电荷法,工频电场强度,送电线路
参考文献
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工频电场 篇3
2005年底, 全国风电装机容量仅为1 220 MW, 位居世界第八位。“十一五”时期, 在《可再生能源法》及相关配套政策支持下, 我国风电产业得到了快速发展。到“十一五”末, 全国 (不含港、澳、台) 共建设802个风电场, 安装风电机组32 400台, 总吊装容量达到41 460 MW (建设容量38 280 MW, 并网运营容量31 310 MW) , 年均增长率为102%, 累计和新增吊装容量均位居世界第一位, 装机规模达到了新的水平, 但2010年全年风电发电量约为490亿k Wh, 仍低于美国同期的风电发电量[1]。
由于我国风电资源的集中性, 使得我国大多采用大型风电场的方式来利用风能, 但适合大规模开发风电的地区一般都处于电网末端, 由于此处电网结构较为薄弱, 因此大规模风电接入电网后可能会造成电网电压下降、线路传输功率超过热极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等问题[2]。加之风能的多变性, 会使风电场的故障特征不同于一般的火、水电厂。文献[3-4]分析了双馈风力发电机组故障电流的特性;文献[5-9]分析了风力发电机组对电流和距离保护的影响, 并提出自适应保护方案;文献[10-12]分析了风电场的低电压穿越及负荷的增加对保护的影响。目前的研究主要在整定值方面与短路电流构成的研究, 而没有基于保护的原理来研究风电场对保护的影响。因此, 本文分析研究了大型风电场对其出口输电线路的工频变化量距离保护的影响并提出了改进的措施, 通过仿真予以验证。
1 工频变化量距离保护的研究
电力系统发生短路故障时, 可分解为正常运行网络和故障分量网络。在正常运行网络中, 有发电机电动势作用, 建立正常运行时的电压和电流;在故障分量网络中, 仅在故障点有故障电动势作用, 在网络中建立故障分量电压、电流, 如图1所示。
在任何运行方式、运行状态下系统故障时, 保护安装处地全电压um、全电流im可以看作是故障前状态下非故障分量电压u0、电流i|0|与故障分量电压Δu、电流Δi的叠加, 即
对于接地故障和相间故障, 分别令
式中, krel为可靠系数, 为了便于分析, 取krel=1。
利用比相与比幅之间的关系可以得到比相判据为
2 风电场与常规电厂组对比
风电场运行时在受风速影响的同时还受电网输送能力、系统调度要求等限制, 因此, 风电场投运风电机组及有功出力等都是变量[15]。为研究不同影响因素对保护的影响, 应先分析风电场的实际运行方式。
在风电场的实际运行中, 其多变性主要体现在:风电场的有功出力、风电场的控制策略及停机比例的变化上。文献[15]通过分析张家口某风电场在两种不同风速下风电场的出力情况得出:在风速1, 风电场最高出力和最低出力相差较大, 分别为47.8 MW (96.5%) 和17.19 MW (34.7%) , 日平均为31.59 MW (63.8%) ;在风速2, 风电场最高出力为27.87 MW, 日平均出力为24.1 MW。可以看出, 随着风速的变化风电场的有功出力也是变化的, 特别是风速变化剧烈时有功输出也是较为剧烈。为了适应电网稳定运行、调度等需要, 需要调整风电场的无功输出, 故需要调整风电场的功率因数, 加之检修等原因会使得风电场的风电机组不能总投入运行。正是由于这些因素的变化导致了风电场运行方式的多变性。
除了风电场运行方式的多变性, 还有风电场的接线结构与常规发电机组会有所不同, 图3是风电场的一次接线图。
由于风电场的容量相对较小, 一般只有被接入系统短路容量的5%。风电场侧的正、负序阻抗, 包括风电场内的35 k V集电线路和风电机组的阻抗、主变T2和220 k V输电线路L1的阻抗, 会出现其远远大于系统侧的正、负序等值阻抗;而对于零序网络, 由于主变T2的中性点直接接地, 风电场侧的零序阻抗仅包括主变T2及输电线路L1的零序阻抗, 远远小于风电侧的正、负序阻抗[16]。
为了保证电网故障时风电机组的低压穿越能力, 一般都配置Crowbar保护。若电网故障不严重, Crowbar保护不动作, 此时风电机组仍能提供较大的故障电流;若故障严重, Crowbar保护动作, 风电机组由于失去励磁使得其提供的故障电流很小。由前文的分析可知, 风电侧的零序阻抗远小于正、负序阻抗, 使得其的零序电流分配系数远大于正、负序电流分配系数, 若发生如图3的接地故障时, 风电侧的故障电流主要由零序电流组成, 正、负电流很小。这些短路特性正是常规发电机组不具有的。
3 风电场对工频变化量距离保护的影响
3.1 风电场对相间保护的影响
图4是保护区内发生短路故障时的系统图, 图中M、N侧分别是风电侧和电网侧, K为故障点, 为保护范围末端的电压 (即工作电压) 。当发生金属性短路故障时 (如BC两相故障) , 工作电压
式中:Z∑=Z1∑+Z2∑;Z1M、Z2 M分别为风电场侧的正、负序等效阻抗;Zk为短路点到M侧的线路阻抗值, 令
从式 (8) 可以看出, 当发生金属性短路故障时, 保护的动作性能取决于K′的大小, 故需要分析在风电场的运行方式发生变化时, K′的变化情况。
可以看出由于 (1-lp) Z1l+Z1N的存在, 使得并不是某一固定值, 这样K也就不恒为1, 而是随着故障位置、风电场的等值阻抗及风电场的有功出力变化而变化。
从式 (7) 可以看出, 由于风电侧正、负序阻抗远大于线路阻抗, 这样使得区内故障时Cs′etCk′略大于1, 导致了K′的大小还取决于Uk 0Uop 0, 而这两者的比值主要和风电场的负荷电流及功率因数的大小有关。
在一般的情况下, 风电场的无功输出都为0, 此时电压、电流的相位图如图5所示。图中, M、N分别表示首、末端, 为负荷电流, 可以看出并且两者的差值会随着风电场负荷电流的增大而变大, 当风电场负荷大到一定程度有可能会出现K′小于1的情况, 造成保护的拒动。在无功为0的情况下, 风电场负荷电流的大小主要和风速的大小及风电机组投入运行的多少有关。当风速较高时, 此时风电场的负荷电流较大, 可能会造成保护拒动;而当风电场中有部分风电机组停运时, 负荷电流下降反而有利于保护的正确动作。
在一些情况下, 需要调整风电场的无功输出, 当风电场的功率因数变化时, 也可以作出电压、电流相量图, 如图6所示。此时负荷电流滞后机端电压, 就会导致UM>UN, 无论负荷电流如何变化K′总会大于1, 保护能可靠动作。另外, 由于风电场侧的等值阻抗较大, 加之线路MN上各点电压幅值相差不大, 造成了K值在1上下浮动, 若发生经过渡电阻短路, 即使过渡电阻很小, 也可能会造成保护的拒动。
3.2 接地保护所受的影响
从前文的分析可知, 相间保护出现误动的原因是:风电侧的正、负序阻抗很大, 造成Cs′etCk′的比值略大于1, 使得K′约等于1, 导致了保护的拒动。
对于接地保护, 分析过程和相间保护相同, 所不同的是
式中, 0C为风电侧的电流分配系数, 假设发生如图的单相接地故障, 由前文的分析可知, 风电侧的零序阻抗要远远小于其正、负阻抗, 这样使得风电侧零序阻抗与线路零序阻抗的比值相对较小, 从而导致Cs′etCk′的幅值更容易随着故障点的位置的变化而变化, 而不像相间保护一样保持在1左右, 这样接地保护的K′会变得更大, 从而避免了负荷变化对保护的影响。
综上所述, 对于相间保护来说, 随着风电场运行方式的变化, 会造成保护的不正确动作, 但只是在风电场有功出力较大的情况下, 保护才出现拒动和误动的可能, 一般情况下保护均能正确动作。而对于接地保护来说, 由于K′相对较大, 使得负荷的变化并不会对接地保护保护产生影响, 并能够耐受一定的过渡电阻, 可以不需要对其进行改进。
4 对工频变化量距离保护的改进
由前文分析可知, 当风电场的运行方式发生变化时, 由于有功出力及风电场等效阻抗的变化, 会使得工频变化量距离保护出现拒动和误动。因此需要进一步分析风电场运行方式发生变化时其故障特征是如何变化及提出改进的方案。
对式 (5) 可以化简得到
将其代入式 (2) 可以得到
对式 (12) 分析可得:
c) 若风电场的功率因数由1变成0.9时, 由前文分析可知, 在区内金属性故障时有K′>1, θ>0, 这与a) 情况类似。
d) 若风电场的部分风电机组停运时, 此时风电场的等值阻抗会变大, 但联络线上的负荷电流会减少, 由于前文的分析是基于风电场等值阻抗较大的情况, 故与风电场所有机组投入运行的结论相类似。
从前面分析可得, 当发生金属性故障时, 若是区内故障则的右侧, 而区外故障时会落在其的左侧。故可取判据
但是若以式 (13) 为判据则会出现在过渡电阻较大的情况下发生误动, 参照一般距离保护一般配以负序电抗继电器来保证保护区的稳定, 故也可以配有负序电抗继电器来保证距离保护的可靠动作。
5 仿真验证
本文参照某风电场的机位布置、装机容量等 (5×6×1.5 MW=45 MW) , 搭建如图9所示的仿真模型。
图9中的一台风机和箱变代表了6台风机和箱变, 即图中的一台的风机的额定容量为9 MW。双馈风力发电机组的出口电压为0.69 k V, 经箱变升压至35 k V, 30台风电机组按地理位置分成5组, 而后汇至风电场的集电线路并通过主变, 并入系统。输电线路MN为风电场与系统的联络线, 仿真线路MN发生短路故障, M侧的工频变化量距离保护的动作情况。
5.1 风电场运行方式对保护的影响
5.1.1 对相间保护的影响
分别从风速变化、功率因数变化及停机比例变化来验证风电场运行方式变化对工频变化量距离相间保护的影响, 如表1~表3所示。
表中的角度β分别为区内和区外两相短路故障时从表1~表3中可以看出, 当风电场有功出力较少时, 此时保护仍能可靠动作, 但是发生经过渡电阻短路时, 由于风电场等效阻抗较大, 造成保护无法正确动作。随着有功出力的变大, 保护可能出现无法判断金属性故障的位置;当功率因数变化时, 若此时发生金属性故障时, 保护能可靠动作, 但耐受过渡电阻的能力还是不理想。另外, 停机比例的变化并不会对保护产生额外的影响。
5.1.2 对接地保护的影响
和相间保护一样, 改变风电场的运行方式, 仿真验证对接地保护的影响。
从表4~表6中可以看出, 受风电侧的零序阻抗较小的影响, 使得接地保护在风电场有功出力较大仍能正确动作, 而且经过渡电阻短路时, 保护也能反映出故障位置。可以这样认为, 接地保护受到到风电场的影响较小, 不需要对其进行改进。另外通过对单相接地短路的仿真可以得到:在风电场有功出力20%时, 正序电流故障分量为0.059 9 (为标幺值) , 而零序电流故障分量为2.436 2, 这是由于风电侧的零序阻抗远小于正、负序阻抗而导致零序电流分配系数要远大于正、负序电流分配系数。
5.2 保护的改进
分别在线路中间和线路末端发生两相短路, 通过仿真验证改进后保护的动作行为, 保护的整定值设为线路MN的85%处, 如表7、表8所示。
考虑到停机比例并不会对保护产生额外的影响, 故仅仿真当有功出力和功率因数变化时, 验证改进后保护是否能正确动作。仿真分析在区内和区外发生经过渡电阻BC两相短路 (过渡电阻分别为1Ω和10Ω) 时, 改进前和改进后保护的动作行为。之间的夹角, “1”表示保护动作, “0”表示保护不能动作。从表7、表8中可以看出, 当发生经过渡电阻短路时, 即使过渡电阻很小 (1Ω) , 传统保护不能识别出故障发生位置, 引起了保护的拒动, 而改进后的保护在区内故障时能够很好的识别故障, 在发生区外故障时, 存在误动的可能, 故需要负序电抗继电器来保证保护区的稳定。
6 结论
风电场实际运行方式的变化及其弱电源特性给工频变化量距离保护带来了一定的影响。通过对电压相量图的分析, 得到影响因素, 并提出改进的方案。
a) 本文分析了风电场的有功出力、功率因数及停机比例的变化对工频变化量距离相间保护的影响, 可以看出在发生金属性故障时, 若风电场的有功出力较小, 相间保护能可靠动作, 随着其有功出力的增加, 保护的灵敏度会有所下降, 最终在有功出力较大的情况下, 相间保护会有拒动的可能。
b) 风电场的功率因数的变化引起了首末端电压幅值比值的变化。当功率因数从1变化到0.9时, 首末端电压幅值的比值会比较大, 对相间保护的影响也比较小。停机比例的变化几乎不会对相间保护的性能产生额外的影响。
c) 由于风电场等值阻抗比系统侧要大得多, 这使得线路上各点的电压幅值及相位都相差不大, 造成了若发生经过渡电阻短路, 即使过渡电阻的阻值较小, 相间保护不能可靠动作。
d) 由于风电场的零序阻抗较小, 使得风电场的等效阻抗变小, 从而接地保护能够不受风电场运行方式改变的影响, 且能够耐受一定的过渡电阻。
工频电场 篇4
关键词：作业场所,计算机,超高频辐射,工频电场
计算机给人们带来工作、生活及学习方面便利的同时也给长时间接触计算机者,造成电磁辐射的伤害。计算机的工作频率范围包括中波、短波、超短波段很宽的频带。它基本与工业、科技、医学高频设备(诸如高频淬火、高频焊接、介质加热、塑料热合等)、广播、电视、通信、雷达等射频设备的工作频段相同[1]。同时计算机使用交流电,也可能存在工频电场。为了掌握计算机电磁辐射的强弱和分布情况,笔者对某作业场所计算机周围的电磁辐射强度进行了检测、分析和评价。
1 对象与方法
1.1 调查对象
某作业场所普通台式计算机10台,笔记本电脑5台。
1.2 检测内容
测量指标:超高频辐射强度(频率为30~300 MHz)和工频电场强度(50 Hz);测量设备:超高频辐射强度测量设备采用电磁辐射分析仪(EMR-300)进行测量,探头测量频率范围为100 kHz~3 GHz;工频电场测量设备采用工频电磁辐射测量仪(ADL2010A),探头测量频率范围为5 Hz~100 kHz。
1.3 测量点选择
台式机选择:显示器屏幕表面、显示器背面表面、键盘表面、主机前、上、左、右、后侧表面8个检测点;笔记本电脑:显示屏屏幕、显示屏背面、键盘、电脑底部表面共4个点。为了避免环境非电离辐射本底值对测量结果造成的影响,在避开其他电器装置,距离计算机屏幕50 cm(操作位)测定辐射本底值。
1.4 测量方法
部分参照《工作场所物理因素测量 第1部分:超高频辐射》(GBZ/T [2])和《工作场所物理因素测量 第3部分:工频电场》(GBZ/T [3])执行[2,3]。
2 结果
2.1 计算机非电离辐射强度检测结果 本次调查对某作业场所10台台式计算机和5台笔记本电脑超高频辐射和工频电场强度进行了测量,每台台式机测量8个点,每台笔记本电脑测量4个点,每个电脑操作位测定1个点,共计115个点。检测点的分布和辐射强度值见表1。
注:台式计算机10台;笔记本电脑5台。
参照《工作场所有害因素职业接触限值 第2部分物理因素》对检测结果进行卫生学评价[4]。经分析,台式机、笔记本电脑超高频辐射合格率差异有统计学意义,校正χ2值为32.04,P<0.01该作业场所笔记本电脑高频电磁场超限率较高,辐射强度较大。台式机、笔记本电脑工频电场强度均符合GBZ 2.2-2007标准要求。见表3。
3 讨论
3.1 超高频辐射
超高频辐射强度主要分布规律表现为屏幕后表面和主机后表面的辐射强度比较高;笔记本电脑超高频辐射强度高于台式计算机,在笔记本电脑键盘表面、显示屏后表面超高频辐射已经接近甚至超过GBZ 2.2-2007对超高频辐射的限值要求。GBZ 2.2-2007是针对作业场所的标准,并不适用于非职业性接触。然而笔记本电脑是在人们日常工作、学习、生活娱乐中使用的,对其日常使用的超高频辐射限值要求,应该比GBZ 2.2-2007更加严格。同时,人们使用笔记本电脑的过程中接触距离非常近,所以本次调查结果提示我们,人群接触笔记本电脑超高频辐射强度总体水平可能是比较高的。
3.2 工频电场
在检测过程中发现,不同品牌,不同型号的台式电脑工频电场强度差别较大,不同品牌的显示器表面工频电场辐射强度可以相差几十倍,但都是在GBZ 2.2-2007规定的接触限值范围之内。
3.3 建议
保持较远的操作距离和缩短接触时间,是减少非电离辐射的有效办法。我们在距计算机屏幕50 cm的点检测了操作位的非电离辐射强度值,这个值既能基本反应当时测量环境电磁辐射的一个本底值,也是反应人员在通常情况下使用计算机实际接触非电离辐射强度水平(针对操作者头部而言)。从检测可以看出,在距离计算机屏幕50 cm以外,超高频辐射和工频电场的强度都下降了十几倍甚至几十倍,远远低于国家限值要求。所以,在使用笔记本电脑时应尽量避免将其长期放在腿上,应保持身体和电脑有一定的使用距离。从本次测定的数据和GBZ 2.2-2007标准可以看出,保持较远的计算机使用距离,缩短接触计算机时间,可以有效防止计算机非电离辐射对人体健康的影响。
鉴于笔记本电脑超高频辐射强度值较高,各类计算机辐射强度的巨大差异,建议补充完善电脑非电离辐射针对普通人群的标准限值,以达到更好的保护人群健康的目的。
参考文献
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