環境中(架空高壓線路、變電所、落地型變壓器)電場與磁場檢測方法

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環境中(架空高壓線路、變電所、落地型變壓器)電場與磁場檢測方法

 

 

一、 方法概要

  本方法主要參考ANSI/IEEE Std 644-1994標準。有關量測儀器的規範係完全依據ANSI/IEEE Std 644-1994標準。在量測程序方面則考量我國輸配電線路型態特性後,尤其是人口密集區域的線路特性,對ANSI/IEEE Std 644-1994標準的建議稍加修正。

二、適用範圍

  本方法所述及之量測儀器與程序適用於架空高壓線路附近空曠地區的電場與磁場環境量測。其中量測儀器部份亦適用於沿建築物外側經過或由屋頂跨越等架空高壓線路、變電所、落地型變壓器等周遭的電場與磁場環境量測。

  本方法的量測對象為60赫茲高壓輸配電線路附近任一定點及瞬間所產生的極低頻(ELF)電場與磁場的均方根場強。量測儀表若具定時自動取樣與資料儲存功能時,本方法亦可作為定點場強監測之用,但本方法並不涵蓋以隨身攜帶的磁場記錄儀器進行非定點的個人磁場曝露監測問題。

三、干擾

  在輸電線下所預期出現的環境磁場準位對電場量測儀器性能的擾動應由儀器製造廠商加以量化,並將測試結果提供給使用者。此一擾動對量測不確定度的影響以百分比表示,若其足夠影響時即應於量測報告中述明。

上述規範亦適用於在電力線下所預期出現的環境電場準位對磁場量測儀器性能的擾動問題。

四、儀器及設備

電場量測儀器以自由導體型儀表(Free-body meter)為宜,並僅需具有單一方向的電場感測功能即可。

磁場量測儀器以具有可同時量測磁通量密度向量於三個正交軸向的分量及其合成值的三軸式等向性感測器為原則。

電場與磁場量測儀器皆應具有真均方根值(True rms value)量測功能。

  電場與磁場量測儀器可選擇具有分離個別頻率的場強成份的窄頻(Narrowband)量測功能或頻譜分析功能;其個別頻率的量測結果可直接與安全曝露建議值比較,以判斷場強是否符合要求。

  若所用儀表涵蓋一個或多個特定頻段時,於其任一涵蓋頻段內對強度相同,但頻率不同的場強的量測結果應在±3dB之內;此一要求可由於感測器輸出端加裝合適的頻率響應修正電路達成。場源頻率成份若僅含一個高準位的基頻成份及幾個低準位的諧波成份時(如空曠地區的高壓輸電線路)在諧波貢獻不致使整體量測不確定度超過±10%的條件下,仍可使用此類寬頻(Broadband)儀器。在場源頻率成份複雜且未明的環境中(如配電變壓器的低壓側及相關的接戶線附近),則不宜使用此類寬頻儀器。

  儀表讀值顯示可為類比或數位式。感測器與讀值顯示裝置之間的信號傳送應採用具抗電磁干擾之高電阻線或光纖。電場感測器應與量測人員保持2公尺以上的距離;感測器的支撐裝置或握把應使用絕緣性能良好、低漏電的材質。

  工作溫度與濕度若會影響儀表準確度,製造廠商即需將相關資訊提供給客戶,以便使用者能依量測時的溫度與濕度對儀表讀值作適當的修正。

五、量測方法

   在時間取樣方面,每一空間量測點的最小取樣間隔應大於儀表的安定時間,但以不超過10秒鐘為原則。每一空間量測點的量測時間長度、總共取樣點數、取樣數據的處理與報告方式,視量測目的、儀表是否具自動定時取樣與資料儲存和處理功能而定,在此並不予以硬性規定。

量測步驟

(一)「線路跨越空曠地區」時的量測程序及注意事項

  量測工作包含「橫向分佈」與「縱向分佈」兩項。量測範圍為任一特定的跨距之間。除非地形有所限制,否則量測工作一般應先由橫向分佈量測開始,之後才進行縱向分佈量測。

  所有取樣點離地高度以1公尺為原則。如有需要,亦可於其它高度進行量測,但以不超過2公尺高度為原則。更高的量測高度因需利用輔助性昇高器具或昇空車,其是否進行端視安全問題及量測人員能否取得此類設備而定,在此不予硬性規定。

  橫向分佈可於跨距之間任一特定的縱向距離處沿線路的左右兩側量測。線路下方若為平坦的地面時,橫向分佈可於導線離地面最近的跨距中點處進行;其它狀況則視實際地形而定。最遠量測點離線路任一側迴路最外側導線的橫向距離以不超過30公尺為原則,但實際量測範圍可視線路下方地形地物及是否有民眾經常會於該區域活動等因素調整。

  縱向分佈量測路徑與線路的橫向距離,以橫向分佈所測得的最大場強發生的橫向距離為原則,但亦應顧及地形地物對量測可行性與準確性的可能影響。

  橫向與縱向分佈量測所需的取樣間隔與量測點數,以量測結果能描述場強分佈的細節變化為原則。基本上,線路較低時和∕或線路下方及側向距離較近處,場強橫向分佈變化較大,取樣間隔應較小(如1公尺或更小);,線路較高和∕或側向距離較遠處,場強橫向分佈變化緩慢,取樣間隔即可較大(不超過2公尺)。地面呈現顯著的高低起伏時,場強的橫向和∕或縱向分佈亦會隨之改變,取樣間隔亦應隨地形調整(不超過1公尺為原則)。

  進行量測的時間應加以記錄,以便日後若有需要時可與電力公司有關量測線路的電壓和電流記錄比較。線路的形態與線下的地形地物亦應加以描繪記載或照相存檔。

  量測電場時,感測器與線路下方任何非永久性物體(如車輛)的水平間隔應大於該物體高度的3倍,與永久性物體(如各種建築物以及樹木等)的水平間隔應大於l公尺,與量測人員的水平間隔則應大於2公尺且量測人員應處於場強較弱的一方。儀表若需透過握把由量測人員握持時,即應評估握把與人體的漏電效應的影響。

  地面上的植物被覆會影響電場的強度。其影響程度視其水份含量與離感測器的距離而定。由於此一影響並非定值且尚無理論估測方法可供參考,量測地點應儘可能避開植物被覆較高的區域,否則即應瞭解量測結果可能會因不同的植物被覆特性而有所變動的事實。

  量測磁場時,量測人員可靠近感測器(如直接以手拿著儀器進行量測)。量測區域若存在有含導磁性物體(如各種鐵製品或結構)或大型的非導磁性金屬物體(如鋁製品)時,量測點應與這些物體保持大於3倍該物體最大尺寸的距離。

(二)「線路跨越或鄰近建物」時的量測程序及注意事項

  此一狀況係指線路下方或附近有建築物存在時,其室內與室外電磁場環境量測的問題。室外部份除建物外圍的地面之外,亦可包括建物屋頂平坦且可活動的區域。

  一般建築物的建材對電場具有遮蔽作用,因此電場的量測僅需於室外區域進行即可,且量測對象可以與高壓線較靠近的屋頂地面為主。磁場則需於室內與室外同時進行。

  量測目的在於暸解高壓線路所產生的電磁環境,因此量測期間建物電源應由總開關處予以切斷,以免量測結果受到建物本身用電所產生的電磁場的影響。此一要求應與建物使用者先行溝通,並取得同意後方可進行量測工作。

  線路跨越建物時,量測工作應由最高樓層開始,再根據量測目的依序往低樓層逐層進行。線路由建物外側通過時,量測工作應由與線路同高的樓層開始,再根據量測目的依序往其它樓層逐層進行。線路所產生的場強應有下列趨勢:愈接近線路的地方,場強愈大。

  所有量測點離地面的高度皆以1公尺為原則;若有需要亦可量測其它 高度,但以不超過2公尺為原則。建物內部所有物體皆應視為永久性物體,量測點離牆壁以及任何永久性物體之間的水平間隔以大於1公尺為原則。

  室內空間取樣範圍需事先與建物使用者協商擬定,原則上以個別建物使用者正常活動的範圍為限。取樣規劃宜以臥房、客廳、餐廳、廚房、陽台、辦公室、作業區等功能性單元區分。

  線路若由建物外側通過且距離較遠時(欲量測建物(外)牆與最接近線路直線距離5公尺以外),取樣點的選取方式係先於個別單元找出一最大的長方形空間,再畫出長方形的兩條對角線。每條線離長方形頂點1公尺處以及兩條對角線的交點,合計5點,即為場強量測點。建物外圍地面或屋頂地板空間的取樣方式亦可參考上述作法。

  線路若由建物外側通過但距離較近時(欲量測建物(外)牆與最接近線路直線距離5公尺以內),或線路由建物上方跨越時(直線距離5公尺以內),即有必要作更詳細的取樣。若室內地板鋪設格狀地板,且每格尺寸在30公分見方以上時,即可以每格的中心點為取樣點;地板尺寸較小時則可每隔幾塊地板取一點,最小取樣間隔以30公分為原則。若室內無現成地板可茲利用,量測人員亦可利用任何方便使用的度量裝置設定取樣點,最小取樣間隔亦以30公分為原則;此一作法亦適用於屋頂地面和屋外靠線路較近處。

(三)變電所周遭電磁場量測程序及注意事項

  變電所周遭電磁場環境量測方法,除以下所述與空間取樣有關的量測步驟之外,其餘要求與架空線路的量測方法完全相同。

變電所周遭電磁場環境量測應於變電所外圍,一般民眾可正常活動的空間進行。

  如變電所牆外為緊鄰的人行道或可允許路人步行的道路時,即應於離圍牆等距處,沿人行道或道路進行縱向場強量測。所有的測量點以離地面及牆面皆為1公尺為原則。沿線取樣間隔以能顯示出場強變化細節為原則,量測點靠近線路進出變電所的區域時,取樣間隔應較小(1公尺或更小),量測點離進出變電所的路線較遠時,取樣間隔可較大(不超過2公尺)。上述取樣建議可視量測區域的實際地形地物狀況加以調整。如變電所外牆與一般民眾可正常活動的空間由天然障礙物(如未加封蓋的水溝)或綠地之類的地物隔開時,量測工作以於民眾活動的空間進行為原則。除量測點的離地高度仍以1公尺為原則之外,總共的水平取樣面積與取樣間隔則依量測區域的實際地形地物狀況,及量測結果能顯示出場強變化細節等原則選定。

如變電所外牆緊鄰建築物,建築物內的場強量測方法與前述架空線路跨越或鄰近建物的量測方法相同。

所有的量測皆以與地面垂直的電場分量以及磁通量密度的合成值為量測對象。

(四)落地型變壓器周遭電磁場量測程序及注意事項

  落地型變壓器僅需測其磁場的空間分佈。其量測方法,除以下所述與空間取樣有關的量測步驟之外,其餘要求與架空線路的量測方法完全相同。

  落地型變壓器周遭磁場空間分佈的取樣方式為:於離地100、130、和160公分等三個高度處,沿與其安置之底座保持50公分水平間隔的長方形周邊,由任一頂點開始,每隔30公分取一點,直至回到出發點止。

(五)陳情人指定地點電磁場量測程序及注意事項

  於陳情人指定地點進行量測,每一定點取10秒內的最大場強作為其量測結果,量測地點必須詳細繪圖及加註與四周明顯固定物(建物)之相關位置(距離)。

所有的量測皆以60赫茲磁通量密度的合成值為量測對象。

六、結果處理

  量測儀器的準確度若受環境溫度、濕度、場源諧波含量影響時,即需依儀器製造商所提供的資訊估算其對整體性量測不確定度的影響。整體量測不確定度在±10%之內時,量測結果不需修正即可被接受;整體未確定度超過±10%時,量測結果即需修正至所允許的不確定度範圍內,或視之為無效結果。

  空間分佈的量測結果可以試算表格或繪圖方式呈現。簡單的輔助性統計特性,如最小值、最大值、平均值、或中值的大小以及出現位置∕範圍,亦可增加量測結果的價值。類似作法亦適用於空間單點或多點的時間場強監測結果。

量測報告項目除以上所陳述之外,需再詳實記錄量測電磁場當時日期與時段、量測儀器廠牌型號、校正與否、量測人員及單位等。

七、品質管制

(一)電場量測儀器的校正原理


單軸式電場量測儀器的校準可以圖1所示的平行平板結構,或圖2所示的電流注入方式進行。

  ANSI/IEEE Std 644-1994標準指出,當量測儀表的最大對角線尺寸不超過23公分時,儀表若置於尺寸為1.5公尺x 1.5公尺x 0.75公尺的平行平板結構中心點附近,在不需使用電位梯度環的情況下,儀表所處區域內電場的均勻度將高於1%。電場指向係與兩平板的板面垂直;而強度則為V/t;其中V(伏)為兩平板之間的電壓,而t則為兩平板的間隔(即0.75公尺)。若對場的均勻度的要求更高時,亦可加裝電位梯度環。若需校準更大或更小尺寸的儀表時,平行平板結構的尺寸亦可作等比例的調整。

  使用此一校準結構時應注意:(1)兩平板離最接近的地面(如牆壁或地板)的距離不得小於0.5公尺,以免影響場的均勻度,(2)電源供應器的諧波含量不得高於1%,以免影響儀表頻譜反應校準的準確度,和(3)變壓器的高壓輸出端應加裝合適的電阻器以作為電流限制的安全防護措施(例如,加裝10百萬歐姆的電阻器時,平板間的電壓即可安全的使用到10仟伏的程度;以上述結構的0.75公尺間隔而言,此時場強可達13仟伏∕公尺,此一場強範圍對大部份的量測而言已夠用了)。

  上述校準方法考慮整體儀表的反應,但若:(1)儀表的電流∕電場強度比已知(如於儀表製作完成或購置時,已以平行平板結構測得);而(2)感測器於使用一段時間後,其結構的形狀與材質並未受到損耗時,圖2所示的電流注入法即可用來校準儀表性能。使用此一方法時需先確定無外界電場存在,或至少其場值不得高於所擬校準場值的1%,以確保校準結果的準確性。於滿足上述要求後,即可將振幅已知的電流直接注入儀表的感測器(若圖2所示的阻抗值比待校準儀表的輸入阻抗大10倍以上,則此一電流值可以&ldquo電壓表讀值除以總共的外加阻抗值&rdquo關係估測,其準確度即可高於5%)並記錄儀表的輸出值。其結果經與(1)的電流∕電場強度比較之後,即可獲知儀表反應是否有所變化,同樣地,電源的諧波含量亦應保持在1%之內。

(二)磁場量測儀器的校正原理

  常用的標準磁場產生器包含Helmholtz線圈與矩形電流迴圈(Loop)。以下僅介紹ANSI/IEEE Std 644-1994所建議的矩形迴圈磁場校正設施。

  圖3顯示一位於xy-平面,邊長為2a(公尺)的N匝方形迴圈。通電後於迴圈中流動的單頻時諧(弦波穩態)電流的振幅為Io安培。其所產生的磁場通過迴圈所包圍面積內的所有點時皆指向與該平面垂直的z-方向。在迴圈中心點處,磁通量密度的振幅可由下式表示(ANSI/IEEE Std 644-1994):

特斯拉圖解圖片(特斯拉) (4.1)

其中迴圈周遭空氣的導磁率圖解圖片 (亨利∕公尺)為迴圈周遭空氣的導磁率。

  圖4顯示一個邊長為1公尺的方形迴圈在z=0和±3公分等兩個平面,位於中心點附近的場值與中心點場值之間差值的百分比的分佈狀況。由於對稱的關係,本圖僅展示第一象限的結果。此外,為顯示磁場均勻度的實用性,本圖亦包含市售感測線圈的一般尺寸。結果顯示當感測線圈的邊長或直徑在12公分之內時,場值的均勻度在中心點場值的2%之內。

  ANSI/IEEE Std 644-1994建議以此方形迴圈作為磁場量測儀表校準用的標準磁場產生器。如圖3所示,流過迴圈的電流值可由調整可變電阻器的電阻值加以控制。實際電流值則由電流表監測。電源的諧波含量應保持在1%以內。校準時,感測線圈應與方形迴圈共平面,且兩者的中心點應重合;三軸式儀表的各軸感測性能應依序校準。

(三)儀器校正頻率

  正常使用時,儀器應每年校正一次。但若感測器結構的形狀或材質受到損壞時,或於操作過程中儀器呈現不穩定狀態時,亦需重新校正。送校單位的校正品質必須可追溯至國家級實驗室。

(四)量測不確定度

  影響電場量測的不確定度包括儀器校正、溫度、干擾、不均勻的場強分佈、儀表讀值顯示與讀取誤差、感測器的擺設位置、儀器握把漏電、諧波含量、量測者的迫近效應等因素。

  儀器校準、溫度、儀表讀值顯示等因素可能影響磁場量測的不確定度。為避免環境電場感應電流的影響,磁場感測器對電場的屏蔽則為基本要求。至於不均勻的場強分佈、感測器的擺設位置、讀取誤差、量測者或近距離處的(非導電性)物體的迫近效應、儀器握把漏電等因素對磁場量測的影響很小,甚或可忽略。

  整體的量測不確定度的估算方式為:個別量測不確定度的平方相加後再取其平方根值。電場與磁場的整體量測不確定度皆不應超過±10%。

八、量測相關條件註記(略)

九、參考資料

(一)ANSI/IEEE Std 644-1994, &ldquoIEEE Standard Procedures for Measurement of Power Frequency Electric and Magnetic Fields From AC Power Lines,&rdquo IEEE, New York, 1995.

(二)&ldquoMeasurement of power-frequency electric fields&rdquo, IEC 60833, 1987

(三)&ldquo非游離輻射環境建議值&rdquo,行政院環境保護署,中華民國九十年一月。

附註(名詞解釋):

(一)純量(Scalar):完全由大小(可為正或負)指定的量(如電流)。

(二)向量(Vector):具有特定方向與大小的量(如作用力與速度),其大小與方向可隨空間位置和∕或時間改變。在任一三維右手正交座標系統中,向量可分解成三個正交方向的空間分量(Spatial Components)。

(三)相量(Phasor):由隨時間以特定週期呈穩定弦波變化的量(如60赫茲交流電的電壓波形)的振幅(Magnitude,指最大的瞬間值或峰值)與起始時間相角(Initial Time Phase)所組成的複數純量。

(四)向量相量(Vector phasor):構成向量的個別分量皆以相同週期呈弦波變化時,亦即個別分量皆為相量,其於任一定點的合成向量的大小與方向的時間變化特性可由向量相量表示。特定頻率場源所產生的電場與磁場一般即以向量相量的方式表示。

(五)均方根值(root-mean-square,或rms,value):呈週期性變化的時間波形瞬間值的平方值於一個週期內的積分結果,除以週期,再取平方根後所獲致的結果。對穩定弦波變化的波形而言,其均方根值為峰值(或振幅)的0.707倍。

(六)合成值(Resultant Value):一個向量相量的三個正交分量的大小的平方和之平方根值。在電磁場檢測中,場強大小以均方根值表示。

(七)電場強度(Electric field intensity/strength):體積無窮小的單位正電荷所感受到的電性作用力,以向量E表示,公制單位為牛頓∕庫侖或伏∕公尺。電場由帶電物體產生,若場源具穩定弦波變化時,電場強度可由向量相量描述。

(八)磁通量密度(Magnetic flux density):由通電的導體所產生的一個向量,以向量B表示,公制單位為特斯拉(Tesla或T)或韋伯∕平方公尺(Wb/m2),可對運動中的電荷施加磁性作用力而改變其運動特性(1 mT = 10 mG,1T=10000G)。體積無窮小的單位正電荷於磁場中運動時所感受到的磁性作用力的大小,等於電荷量、運動速率、與磁通量密度在與電荷運動方向垂直的方向的分量大小的乘積,而右手四指由電荷運動方向朝磁場方向轉動時,大姆指的指向即為作用力的方向。若場源具穩定弦波變化時,磁通量密度可由向量相量描述。

(九)跨距(Span):兩相鄰之電塔或電桿構成一個跨距。線路沿跨距方向平行架設。

(十)跨距中點(Mid-Span):跨距的中心點。於平坦地區,導線因其重量而下垂時,於跨距中點處離地面最近。

(十一)橫向分佈(Lateral Profile):任一跨距之間,離兩端任一電塔或電桿特定縱向距離處,線路左右兩側場強隨橫向空間距離的變化。

(十二)縱向分佈(Longitudinal Profile):任一跨距之間,離線路一定橫向空間距離時,場強沿線路架設方向的空間變化。

 

註一:本文引用之公告方法名稱及編碼,以環保署最新公告者為準。

註二:以下圖示(圖1~圖4)轉載自&ldquoANSI/IEEE Std 644-1994&rdquo。

 

平行平板型(含電位梯度環)電場校準結構圖解圖片

圖1 平行平板型(含電位梯度環)電場校準結構

 

電流注入式電場量測儀表校準方法圖解圖片

圖2 電流注入式電場量測儀表校準方法

 

磁場校準用方形電流迴路與相關電路配置圖解圖片

圖3 磁場校準用方形電流迴路與相關電路配置

 

一公尺見方的方形電流迴圈在迴圈中心附近z=0或z=&plusmn3公分平面圖解圖片

圖4 一公尺見方的方形電流迴圈在迴圈中心附近z=0或z=±3公分平面
(括弧內數據)BZ值與BZ(0,0,0)之間差值的百分比分佈狀況

 

本文取自行政院環保署檢測方法公告事項
中華民國92年4月4日環署檢字第0920024406號公告
自中華民國92年7月4日起實施
NIEA P202.90C

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