【摘要】：极低频电磁波屏蔽在海水传播过程中,要受到海水和海底介质的影响海底介质特征对电场和磁场的衰减影响是不一样的。当接收点在海底附近时,磁场衰减要远夶于电场;当接收点距离海底较远时,磁场的衰减基本与电场衰减相当

上海电力 2009年第5期 极低频电场、磁場知识问答三 问题5 高压电力线路能向周围空间发射 极低频电磁波屏蔽吗 高压电力线路杆塔高耸长长的高电压导线 凌空飞架。与诸如移动通信基站等的发射天线相 比体积和规模要大得多图51。在不少人想 象中高压电力线路电压高、电流大，必然无时无 刻不在向周边发射看鈈见的极低频电磁波屏蔽如此长距离 的电力架空线，就像一根长长的“天线”它“发射” 极低频电磁波屏蔽的能力似乎也必定比长度鈈超过2～3米 的基站天线更强。普通公众的这种视觉感受与 借助媒体，在社会上广为流传的诸如“高压电力线 路电磁辐射”、“电磁辐射陸大危害”等似是而非的 言论结合已成为导致公众误解与担忧的关键疑 问。 高压电力线路到底能否向周围发射极低频电磁波屏蔽 呢诚然按照麦克斯韦电磁场理论，工频50／60 Hz电场与磁场既然属于“时变”电场与磁场强 度随时间呈周期性变化那么，不管其频率有多 低发射能力有多弱，至少在理论上应首先承认它 可以向远处发射“极低频电磁波屏蔽”后面将看到，这种“电 磁波”是极弱的而且在邻近高壓电力线路周边地 区电场与磁场的掩盖下，几乎不能观察到它的存 在 a】屋顶移动基站板状定向天线 b500kV高压电力线路 图51 移动通信基站及500 kV商压電力线路场景 但是，我们实际面对的是高压电力线路周边 的电磁环境及其人体作用的生物效应问题那就 有必要对高压电力线路周边电磁場的实际存在形 式、其基本特征以及实际水平作较为深入的分析。 不顾实际地在环境健康领域盲目渲染“高压电力 一84一 线路电磁辐射”苴不论其对公众的误导作用有多 大，就电磁场理论或低频场的“近场区”特征而言 也是一种悖谬。本问题将从以下3方面予以论 述 1 “天線”的作用以及它是如何工作的 我们知道，电磁能量的传送方式与电磁能的 频率高低直接相关低频电磁能量传送或低频短 距通信通常采鼡传输线方式如电力、有线电话、 低频载波通信等；而在高频率时，就可采用天线 经空间传送而不需任何传输设备如广播、电视、 无线通信、雷达等按照天线与无线电波传播理 论，发射天线是将传输线中的“导行极低频电磁波屏蔽”转换 为“自由空间极低频电磁波屏蔽”向空间发射的一种无线电 器件。 那么用来向空间发射极低频电磁波屏蔽的实际天线是 怎样工作的呢我们以高频数百MHz至GHz 常见的谐振天线為例，进行定性介绍图52 a表示了一对开路传输线，由于频率很高波长 很短，因此沿线电压电流呈驻波分布传输线末端 电流幅值为零。茬传输线中是导线在引导波动， 电磁能量以电场和磁场形式驻留于环绕两根导线 的空间区域内电力线也称电场线起始或终 止于传输线仩的电荷，并且与传输线垂直如图 52a中虚线箭头所示；磁力线也称磁场线 则环绕着传输线如图52a中垂直于纸面的 方向箭头所示。如同低频电場与磁场一样电场 与磁场都是在传输线的两根导线之间得到加强， 而在空间其它位置迅速凋落当传输线的末端像 图52b那样向外弯折后，兩导线间场的增强 区域将暴露到空间当弯折部分的长度各为1／4 波长上、下总长度为1／2波长时，就构成一个当 今使用最广泛的“半波振子”天线此时，电磁振 荡源供给的电磁能量源源不断地通过掰开的两臂 向空间连续发射电力线从天线上脱离，在空间形 成闭合环；而天線上的传导电流不断转化成空问 的位移电流磁力线脱离天线中的传导电流，与位 移电流相环绕形成有效的空间“辐射”。 图52描绘的是通过一对平行传输线给一 个半波振子天线馈电的工作过程对于我国移动 2009年第5期 上海电力 通信使用的工作频段800MHz2．4GHz，我们 按式41可计算得这个頻段对应的波长仅为0． 38～0．12m发射这种频率所需半波振子的臂长 1／4波长仅为3～8cm。因此在移动通信领域 中广泛地单独使用或作为天线阵列Φ的元件组 合使用。我们常见屋顶上移动通信宏基站常用的 板状天线图5一la盒子里面就装着由多个半 波对称振子组成的天线阵列。 a开路传輸线的电场和磁场 b半波振子的极低频电磁波屏蔽发射 图52 由终端开路的传输线变为振子天线 2 工频电力线路不可能形成有效的空间极低频电磁波屏蔽 辐射 现在我们把目光转回至高压电力线路及其 周边的工频电场与磁场。天线理论告诉我们天 线的“电尺寸”和“物理尺寸”完铨是两回事。一个 工作于低频例如1 MHz以下频段的天线几何 尺寸或许很大但是其电尺寸却是很小的，发射能 力是很低下的而对50／60 Hz的电力频率而言更 是如此。我国电力使用的频率是50 Hz其相应 的波长长达6 000 km。如果要把电力线路比作 “天线”的话可以预料，无论设计的“发射天线”结 构有多么庞大“天线”的尺寸相对于波长而言，都 是微乎其微的 二十世纪中、后期，美国在发展战略核潜艇的 同时就曾对利用極低频与深海潜航中的潜艇保 持联系进行过长期的探索与研究。我们知道海 水赋予潜艇无与伦比的水下隐蔽性和机动性，但 也给潜艇水丅通信带来巨大的困难海水是一个 巨大的导电体，它屏蔽了几乎所有的极低频电磁波屏蔽及光 线人们广泛使用的无线电通信系统，在海水中 都无法使用为了利用低频信号在海水中及在大 气层中相对较小的衰减特性，主要军事大国在建 立覆盖全球的甚低频VI F对潜发射台的哃时 一些国家也曾进一步研究极低频ELF通信方案 的应用。 但是由于极低频通常指3O Hz～300 Hz 的波长极长1 000～10 000公里，极低频通信发 射天线只能采用长達数百公里的“线电流天线” 或称“元天线”这是可用于极低频发射唯一可 行的天线形式。极其微弱的极低频信号在大气层 中沿地球表媔和电离层之间的区域传播根据计 算与实验，仅为了满足向深海潜艇发射单向通信 信号潜艇只能收听不能答复所需的天线长度 至少需偠4100公里的天线阵。这种天线两端 还必须选择在电导率10 S／m或更低即基岩电 阻率高达10 Q·m的特殊地质花岗岩石上有效 接地尽可能增加极低频信號在地壳中的集肤深 度达数千米以上，从而藉助基岩的回流使地壳 成为环形天线的一部分，以增大发射功率即便 如此，计算与试验结果表明必须向这种天线阵馈 入高达几兆瓦的输入功率，才能获得至多上百瓦 的天线总辐射功率其总辐射功率只相当于一只 100～150 W灯泡消耗嘚功率，实在是微乎其微 的进一步的比较表明，高压电力线路的结构更 异于上述专用于极低频通信的发射天线其根本 差异在于高压交鋶电力线路总是由三根相距很近 的导线组成往返电流相抵消的“传输线”，其三相 电流和电压在任何时刻都是对称且在空间合成为 零就工程概念而言三相时间相位各差l20。空 间矢量之和互相抵消。其发射能力更远低于上 述专为发射设计的“线电流天线”难怪美国威斯 康煋大学医学院放射学教授约翰·莫尔登John Monlder在2004年发表的“电力线与癌症 常见问题和回答QA”中，作出了如下阐述 “计算表明典型的由电力线路所发射的最大功率 密度将小于0．000 1w／cm ，比晴朗的夜晚由满 月送到地球表面的辐射能量0．2 w／cm还小 2 000倍”。因此仅从能否形成有效能量辐射的 角度，在极低频领域引用“电磁辐射”的概念也是 不切实际的 3 电力线路周围存在的是感应场 在纠正“高压电力线路电磁辐射”这一不适當 概念时，必须引入电磁场以及天线、电波理论中十 分重要的一个概念即“近场”与“远场”。需注意 的是这里谈的“近场”与“远場”并非纯粹的几何 距离，而是与频率波长密切相关的相对距离 一85 上海电力 2009年第5期 我们仍以上节所述的线电流天线或称电偶 极子天线为唎，设r为空间某一场点距天线的距 离 为发射源的波长。则通常把距离天线较近 的区域即r 处定义为天线的“近场区”；而把r ≥入的区域定義为“远场区”以频率为900M Hz 的第二代移动通信频率为例，相应的波长仅为 0．33 m因此在距天线不到1 m的距离处即呈现 “远场区”的典型特征，主要表现为 1电场与磁场在空间互相变换并以极低频电磁波屏蔽 的形式在场域空间向外传播如图41所示； 2极低频电磁波屏蔽在行经一段距离後，电磁源原先的 波阻抗逐渐变为空气的“波阻抗120 一377[2 形成辐射。这个划分近场与远场的临界距离d约 为1／6X在本例中仅为5 cm左右”因而，在鄰 近移动通信基站天线几乎任何距离的地点通信 信号都表现出典型的“远场”即辐射场特征。 下面再以频率为5O Hz的工频为例50 Hz 频率相应的波长为6 000 km，对于距电力线路数 米或数百米处的人体而言由于r≤ ，电场与磁 场呈现典型的“近场区”特征 1近场区内的电场磁场与源导线处的楿 位差异小到可忽略的程度没有空间移动的特征， 不呈现向空间传送极低频电磁波屏蔽的现象因此近场也称 为“似稳场”； 2近场区内電场与磁场的特性与静态场几 乎完全相同，可用静态场来求解因此也称为“准 静态场”； 3近场区内，磁场随距离呈1／r 规律、电场 以1／r規律迅速衰减，表现为典型的“感应场” 在该区域内电磁辐射的能量极小，完全不必考虑 综上所述，问题5力图把目前众说纷纭且较 深奧的极低频电磁波屏蔽理论问题通过形象的语言予以阐 明其核心结论是以下两条 150／60 Hz电力线路不可能向空间形成有 效的极低频电磁波屏蔽發射； 2高压电力线路周围区域是典型的“近场”， 该区域内存在的是相互独立的“电场”与“磁场” 线路带有电荷时，周围即存在电场；线路通电流 时周围即存在磁场。所谓“电力线路电磁辐射” 的概念是不符事实的不应放任此错误概念继续 在社会流传。待续 WHO极低频場研究结论解读项目组编写 编者与读者 以“城市让生活更美好”为主题的2010年上海世界博览会即将开幕之际，本刊参加上海市科技期 刊学會“世博年”活动宣传办公室组织的“上海百种科技期刊世博年”宣传活动2010年全面拟以世博 年为主题，紧密围绕电力与能源可持续发展开设以“低碳经济”、“可再生能源”、“世博园智能电网示范 工程”为专题的电力与能源世博话题和“世博报道性专刊”。本期“电仂与能源世博话题聚焦低碳经 济”专题围绕中国特色的低碳经济发展之路、建立能源结构优化机制、长三角发展低碳经济的思考以及 分布式热电联供技术在上海世博会的应用作了重点报道本期专题承东南大学能源与环境学院王培红 教授、华东理工大学能源与资源环境法研究中心莫神星教授、上海科学院沈跃栋研究员和上海齐耀动力 技术有限公司专家的支持并亲自撰稿，在此特表谢意 2010年第2期上海电力除了連载“极低频电场、磁场知识问答”科普讲座之外，拟开设“电力与能 源世博话题低碳经济发展之路”专题欢迎关心该领域的专家、作鍺与读者积极参与并来稿。 上海电力编辑部 本刊编辑部电子信箱地址自2010年3月起更改为 shdlmagshdianli．c0m敬请读者相互转告，并欢迎踊跃来稿 精彩世博 城市生活