2022年电力电缆高频辐射电磁场防治对策 .pdf

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1、电力电缆高频辐射电磁场防治对策经济部标准检验局台南分局技正林昆平摘要国内变电所设置引来强大抗争，这是大家在新闻上常看到的，不过民众似乎把焦点放在围墙内的变电设备，而忽略了传导电荷的高压辐射电缆，一般高压设备均有金属外壳，本身就有屏蔽效果，因此高频辐射电磁场的传送，主要元凶在电缆，而不是变电设备。本文除了介绍环境电磁场的国内外标准外，把相当大的篇幅摆在高低压电缆及控制电缆电磁辐射防治对策，不管在材料上或是电缆配置，多所注解，希望对变电站的设计工程师，在阻隔电磁场辐射上，有所助益。一、前言电力电缆为本局检验项目之一，其配置方式通常有两种，一种为架空高压电缆，一种为地上工厂大楼配电用高低压电缆，前者

2、作大功率电力传送，后者则为一般民生供电用。电缆由于传送大量负载电流，因此四周有电磁场的存在，致癌之说喧嚣尘上，只要有台电架空电缆经过及变电所兴建的地方，无不遭受村民强大阻力。高压电缆一般电压都很高 (345KV、161KV 、69KV 、24KV 、12KV)，但电流却很小，因此电场较强，磁场较弱。低压电缆则电压较低 (440V,380V,220V,120V) ，但电流却很大，因此电场较弱，磁场较强。电缆的最外层一般均包有铜带，其主要功能提供泄漏电流导至大地的管道，故最后都会以接地端子接地，以维护使用上的安全，但也因这层铜带，使得电场无法辐射出来，故这铜带又称遮蔽铜带。因此探讨电力电缆的电磁辐

3、射问题，主要对像就只剩下磁场了。工厂大楼由配线电缆所引发的磁场干扰案例，80% 是电脑萤幕闪烁，造成业务停摆，由于电缆必需与各楼层负载分电箱连结，因此建筑物天花板、高架地板及墙壁内，几乎都可发现它的踪迹，对摆设在邻近的电脑产生干扰，就在所难免了。一般电脑萤幕大约 810mG( 毫米高斯 ) 磁场干扰，即产生晃动； 3040mG 磁场，则颜色变调；而电缆汇集地 - 变电站，是另一个关注的焦点，尤其门口四个大字高压危险，更是让民众危恐避之，深怕电磁效应伤身致癌。为了厘清疑义，本文首先就国际环境电磁场辐射标准作一番介绍，其次讨论电力电缆及变电站的磁场遮蔽技术，最后以一实际案例，说明改善成效，相信对读

4、者于工厂大楼电力电缆衍生之电磁辐射问题上，有新的认知。二、环境电磁场管制标准推荐值12电磁辐射依频率波段分级约有三种，第一种频率波段游离辐射能量最强，可破坏生物细胞份子；第二种频率波段非游离辐射能量弱，有热效应，不会破坏生物细胞份子，第三种频率波段非游离辐射能量最弱， 无热效应且不会破坏生物细胞份子。电线电缆由于输送 60HZ频率电力，产生电磁场波段应属第三种，会致癌尚无定论，实在没必要过度反应。至于国际上对 60Hz或 50Hz环境电场及磁场限制推荐值，如表一及表二所示，原则上一般民众全天曝露在1000mG 磁场环境，对健康比较有影响，曝露 10000mG ，最好在数小时内离开， 至于其它频

5、段， 依行政院环保署公告第0003219号文，非职业场所之一般民众于环境中曝露非游离辐射之电磁场环境建议值，如表三所示。表一 60HZ/50HZ环境电场强度 (kv/m) 安全承受推荐值表二 60HZ/50HZ环境磁场强度 (mG)安全承受推荐值表三各频段环境电磁场限制建议值三、电线电缆电磁干扰防治技术介绍456 3-1 遮蔽架空电力传输线磁场策略在架空电力传输线下方，安置金属遮蔽线并将两端以接地电阻与大地连接，形成回路，该回路受上头电力传输线磁场感应，会产生一大小相同，方向相反的电流，并在金名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

6、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 属遮蔽线四周建立反向磁场，与原传输线磁场抵消，此原理称为楞次定理，国中物理大家都上过，图 1 是其整个架构，至于提高遮蔽效果，主要四点： (1) 金属遮蔽线密度 : 同时采用多条遮蔽线并排，遮蔽效果越好 (2) 金属遮蔽线范围 : 遮蔽线配置范围越广，遮蔽效果越好 (3) 金属遮蔽线高度 : 离电力传输线越近，遮蔽效果越好 (4) 金属遮蔽线两端接地电阻: 接地电阻越小 ( 一般 5? 以下) ，遮蔽效果越好图 1 架空电力传输线磁场遮蔽模型 3-2 遮蔽地面高低压电缆磁场策略地上

7、电缆在大楼工厂处处可见，主要将三相电力由变电站传送到负载上，理论上三相电力是平衡的，磁场应被抵消；但实际上各相供电负载容量并不同，已破坏平衡关系，因此抵消，是不可能的事，是故电缆所产生的磁场干扰，就不得忽视，目前遮蔽策略有二法： (1) 电缆紧紧相靠：电缆线间所形成的封闭面积变小，减少彼此间的磁场耦和。 (2) 电缆以铝汇流排代替：图2 所示为铝汇流排 (BUS WAY) ，它可承受大量负载电流，使得每相只需安装一片，大大减少采用多条电缆并联，所衍生彼此间磁场耦和问题，又因外壳结构为铝材，属高导电易感应反向电流材质，易建立反向磁通，把内部负载电流产生的磁场，抵消掉。图 2 具有遮蔽本身磁场辐射

8、的铝汇流排 3-3 防止监控电缆线遭磁场干扰对策监控电缆在控制上用很多，其传送受微弱电流信号而非大电力，因此本身几无产生磁场辐射问题，主要电磁干扰来自别人，容易导致监控信号失真，设备误动作，为解决此问题，控制电缆通常采用下面两种策略( 图 3 内部结构 ) (1) 信号线外层包铝箔：利用铝箔高导电系数，易产生反向感应电流，建立反向磁场来抵消干扰磁场源。 (2) 导体芯线采绞线：减少芯线间回路面积，降低外来干扰磁场耦合效应。图 3 监控电缆线的遮蔽 3-4 变电站整体遮蔽 3 电力电缆的汇集地在变电站，因此变电站的电磁遮蔽，显得特别重要，目前的遮蔽方法有三种，可解决变电站内部的磁场辐射问题 (1

9、) 疏导法使用 高导磁系数 材料，将干扰磁场导引至材料内部，以远离遮蔽物，但因导磁材料有磁滞损现像，易产生高热及磁饱和问题，因此目前较不采用。 (2) 歼灭法使用 高导电系数 材料，利用其表面易受磁场感应产生涡电流方式，建立反向磁场，抵消原磁场，目前大部份均采这种方式。 (3) 提高遮蔽效果 (a) 采用高导电系数金属板： 图 4 所示，以铝板导电系数最高， 最易感应反向磁场实验结果，也印证 铝板遮蔽磁场效果最好 ，图 5 所示。 (b) 金属板 厚度采用 3mm 、4mm 为宜 ：实验显示厚度超过4mm ，对提升遮蔽效果有限。铝箔遮蔽图 4 遮蔽磁场用金属板材料特性图 5 不同金属板遮蔽磁场

10、效果比较名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 四、案例应用7一家美国软体设计单位，在大楼完工正式启用，却发生办公室内大量电脑萤幕闪烁，造成软体工程师无法工作，业务停摆。经量测办公室内磁场，发现高于 10mG ，难怪电脑萤幕会晃动， 最后在变电站内部安装遮蔽铝板，磁场干扰因而衰减至 4mG 以下，电脑恢复正常，图 6 为改善前后之磁场对照。至于其施工方式，是在变电站四周及天花板五个平面上( 窗口大门除外 ) ，以角铁作框

11、架固定于墙上，再以铆钉及点焊将 厚度 3mm 的铝板 ，紧密固定于框架上，以遮蔽变电站内的磁场辐射，降低对四周电子设备的干扰。图 6 变电站经铝板遮蔽后之磁场衰减对照伍、结论正确的电缆、电子仪器的空间配置及遮蔽金属板的使用，可有效的改善电线电缆产生电磁干扰问题，尤其变电站内布满电力电缆且承受整大量负载电流，可利用电缆线紧靠配置及四周采用遮蔽金属板来降低其产生的磁场辐射；另外电缆产生的磁场，容易对控制线产生干扰，而导致设备误动作，而采用具绞线处理的控制线，即可减少线间磁场耦合面积，达成抑制磁场干扰的效果。陆、参考文献 1. 江荣城著 , ” 电力品质之不良因素与管制标准实例探讨” , 电机月刊第

12、十一卷第十一期,2001 2.CNS2655 国家标准 , ” 电力电缆 ” . 3. 张泰荣著 , ” 商业大楼变电站周围电力频率磁场之分析与改善” , 台科大硕士论文,2001 4. 黄晋恩著 , ” 工作环境电磁干扰研究 ” , 台科大硕士论文 ,2002 5. 王进良著 , ” 电力设施磁场遮蔽研究 ” , 台科大硕士论文 ,2002 6. 林建男着 , ” 电力系统电磁相容之研究 ” , 台科大硕士论文 ,2000 7.Kenneth Griffing,Michael Hiles,Jon Munderloh; ” Mitigation of Wiring Interference o

13、n Computer System ” ,Chicago,Proceedings of the American Power Conference,Volume 61-I,61 st Annual Meeting,pp156-160,1999 低频磁场能屏蔽吗？低频磁场很难屏蔽。磁力线可以穿透我们生活中常见的材料或物体（如木材、砖瓦、石块、水泥等材料或人体、墙壁、树木等物体），并基本上不因上述物体或材料的存在而产生畸变或消弱。为了描述带电导线中的电流在周围空间中产生磁场的大小，物理上引入了磁场强度的概念，它是一个矢量，一般用符号H表示，其单位是安培/ 米（ A/m）。而单位磁场强度在周围空间感

14、应出磁通密度的大小（通常用磁感应强度B表示）是不同的，它取决于磁场闭合环路中各种介质的导磁能力。磁感应强度与磁场强度的关系为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - B= H=r 0H（3-1 ）式中： 被称为物质的磁导率；0 被称为真空磁导率，其值为410-7H/m；r 称为物质的相对磁导率。不同材料具有不同的磁导率。根据磁导率的大小，一般可以把材料分为弱磁性材料和强磁性材料两大类。弱磁性材料包括顺磁性材料和抗磁性材料；

15、强磁性材料常见的为铁磁材料、亚铁磁材料。抗磁性材料在无外加磁场时对外不显磁性，在外加磁场的作用下会产生一个同外加磁场方向相反的磁场。抗磁性材料的r 略小于 1，这类材料如汞、铜、硫、金、银、锌、铅等。顺磁性材料在无外加磁场时几乎不显磁性，在外加磁场的作用下材料内的原子运动会产生一个同外加磁场方向相同的磁场。顺磁性材料的 r 略大于 1，这类材料如锰、铬、铂、氮等。铁磁材料在外加磁场时，材料内的原子在被称为“交换耦合”的量子效应下，对外显现出非常强烈的磁性，铁磁材料主要是含铁、镍、钴和稀有金属钆、铽等的材料。亚铁磁性材料在外磁场作用下的磁性弱于铁磁性材料，但其导电性能较铁磁性材料强，亚铁磁性材料

16、有铁氧体等。表3-9 列出了一些材料的磁化特性。表 3-9 典型材料的磁性能在相同的外加激励（即相同的磁场强度）下，不同材料中磁感应强度不相同，磁场向相对磁导率大的物体集中，相对磁导率较大的材料中的磁感应强度较大。在实际中主要有两种低频磁场的屏蔽方法，即磁屏蔽方法和涡流屏蔽（也称电磁屏蔽）方法。磁屏蔽方法的基本原理主要是利用具有高磁导率的磁性材料作为屏蔽材料，将一个局部空间利用高磁导率材料的壳体包裹起来，使磁场集中于壳体磁性材料内，而减弱壳体内部的空间磁场，从而实现屏蔽外界磁场的目的。这就是磁屏蔽方法的基本原理。为了说明磁屏蔽的效果，让我们举一个利用厚度1cm的球壳作为磁屏蔽的例子。设在均匀的

17、恒定磁场B0中，放置一个内半径a 为 1m 、外半径 b 为 1.01m 即厚度为1cm的铁磁材料制作的球壳，铁磁材料的相对磁导率为500。计算可知球壳内的磁场感应强度为B=9/2r(1-a3/b3) *B0=9/ 25001-13/1.013*B0 =0.034B0 （3-2 ）可见，采用厚1cm的铁磁材料作为磁屏蔽后，球壳内的磁场比未屏蔽时下降了97.6%。由上可见，除了少数实验研究场合外，在实际工程环境中是绝不可能采用如此厚的铁磁材料壳体将某个空间包裹起来的。文献介绍了采取用铁磁材料平板或角料组成不完整的遮蔽或隔离体，以削弱室内局部名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

18、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 空间中外界磁场的研究结果。结果表明，采用厚2mm 的钢板（尺寸约4m3m ）或高导磁性的硅钢片（厚0.35mm ，双层），只可能使室内局部空间中磁感应强度比外界分别降低10% 和 20% 。涡流屏蔽方法的基本原理主要是利用导电材料中感应的涡电流（简称涡流）产生的反向磁场来抑制外磁场，实现减小低频磁场的目的。图 3-16 给出了涡流屏蔽原理的示意图，从图中可以看出，交变磁场在金属壳体感应出涡流。涡流将趋向于抵消外磁场的作用，即表现出抗磁性

19、， 从而使金属壳体中被保护空间的磁场较没有壳体时大大降低。图 3-16 涡流屏蔽原理示意图图 3-17 金属板对外磁场的衰减名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 图 3-17 说明了交变磁场在金属板中的衰减情况。通过计算金属板内部不同深度处的磁场随与金属板表面的距离（ z）的增加而逐渐减少，其数学表达式为H=H0e-z/ 其中， 称为金属板的集肤深度，可以通过下式进行计算，即=1/ （f 0r）1/2其中， f 表示交

20、变磁场的变化频率，是金属板的电导率。利用上述公式可以得出，从金属板表面到一个集肤深度处的磁场大小为H=H0e-1=0.368H0即在金属板内的集肤深度处，磁场衰减到没有金属板时的36.8%。表 3-10 给出了三种不同材料在不同频率时的集肤深度。表 3-10 常用材料的集肤深度 mm 由表 3-10 可见，利用金属屏蔽的涡流效应屏蔽磁场的作用也是很有限的。以铝板为例， 对 50Hz磁场，屏蔽铝板厚度达12mm 时，磁场才可被削弱至外界强度的36.8%。文献对室内屋顶与隔墙采用厚3mm 的铝板（尺寸为2m2.8m），基本未见任何屏蔽效果，仅在将铝板与高磁性材料结合，并在室内全方位组成复杂的兼有磁

21、屏蔽和涡流屏蔽的屏蔽结构时，室内磁场才可降至外界磁场的36 85% ，就其效果而言，代价是很昂贵的。高导磁率材料在机械冲击的条件下会极大地损失磁性，导致屏蔽效能下降。因此，屏蔽体在经过机械加工后，如敲击、焊接、折弯、钻孔等，必须经过热处理以恢复磁性。热处理要在特定条件下进行，一般要在干燥氢气炉中以一定的速率加热到1177C，保持 4 个小时，然后以一定的速率降温到室温。由于热处理的条件极其严格，因此最好是委托材料厂家进行屏蔽体的加工，在工件完成后，进行热处理。如果，用户一定要自己加工，记住要按照材料厂家提出的条件对屏蔽体进行热处理，以获得最佳屏蔽效能，最理想的方法是将工件寄到厂家进行热处理。在

22、对拼接处进行焊接时，要使用屏蔽材料母料做焊接填充料，这样可以保证焊缝处的高导磁率。如果屏蔽效能要求较低，也可以采用点焊或铆接的方式固定，但要注意拼接处的屏蔽材料要有一定的重叠，以保证磁通路上较小磁阻。当需要屏蔽的磁场很强时，仅用单层屏蔽材料，不是达不到屏蔽要求，就是会发生饱和。这时，一种方法是增加材料的厚度。但更有效的方法是使用组合屏蔽，将一个屏蔽体放在另一个屏蔽体内，它们之间留有气隙。气隙内可以填充任何非导磁率材料做支撑，如铝。组合屏蔽的屏蔽效能比单个屏蔽体高得多，因此组合屏蔽能够将磁场衰减到很低的程度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -