工頻磁場

工頻磁場是指交流輸變電設施產生的磁場。工頻又稱電力頻率。工頻的特點是頻率低、波長長。我國工頻是50赫(Hz)，波長是6000千米(Km)。移動網際網路經濟的高速增長帶來了雲數據中心的飛速發展。我國在建和擬建的電信系統的雲數據中心(IDC)占地面積巨大、用電量巨大，需要建設1個甚至多個高壓變電站對其獨立供電，如廊坊雲數據中心，占地面積533000m²，用電量達590MVA，需要5個110 kV 變電站對其進行獨立供電。

基本介紹

• 中文名：工頻磁場
• 外文名：Power frequency magnetic field
• 學科：電力工程
• 領域：工程技術
• 範圍：能源
• 釋義：交流輸變電設施產生的磁場

簡介

移動網際網路經濟的高速增長帶來了雲數據中心的飛速發展。我國在建和擬建的電信系統的雲數據中心(IDC)占地面積巨大、用電量巨大，需要建設1個甚至多個高壓變電站對其獨立供電，如廊坊雲數據中心，占地面積533000m²，用電量達590MVA，需要5個110 kV 變電站對其進行獨立供電。

城市無法提供如此多的土地為IDC另建變電站，如果技術瓶頸不能突破，將導致IDC在很多大城市都無法建設。唯一的解決方案是雲數據中心與高壓變電站共站址建設。以弱電為主的IDC和數百kV的高壓系統能否共存、如何共存已成為影響通信發展的一個重要課題。

關於電力系統對通信系統的電磁干擾，經歷了漫長的論戰，但仍舊沒有得到有效解決。20紀60年代，郵電部、鐵道部、電力部、通信兵部和廣播事業局達成了《強電線路對通信線路的干擾和產生危險影響的有關技術指標限值標準》協定，稱作“四部一局協定”。20世紀80年代編制了國家標準GB 6830—1986《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》；2008年ITU-T 編寫了K68—2008《能量系統和運行者責任導致的電信系統電磁衝突的管理》；2011年通信行業採用了ITU-T K68 標準編寫了《電力系統對通信系統的電磁干擾防護研究》。以上工作主要針對電信線路，是以電信線路遭受強電線路危險影響作為標準。國際上對於雲數據中心與高壓變電站共站址建設的問題處於既無研究報告又無標準可依的空白狀態。

高壓變電站與信息通信系統共址時對信息通信系統的危害，除了高壓變電站發生接地短路對信息通信設備的破壞和人員的人身安全問題外，高壓輸電系統的強大工頻磁場會對信息通信系統設備及伺服器中的信息造成毀滅性的破壞，如磁場可能使磁碟驅動器的動作失靈、引起記憶體信息丟失、數據處理和顯示混亂，甚至會毀掉磁碟上存儲的數據，同時強磁場還會導致顯示器被磁化，引起顯示器顏色不正常。此外，內部的Hall元件等會導致磁場敏感器件所構成的設備在磁場作用下產生誤動作。

此外，工頻磁場還會引起長期的生態效應。國際上關於工頻電磁環境管理的方法都是通過制定限值來進行控制。在環保部門發布的HJ/T 24—1998《500 kV 超高壓送變電工程電磁輻射環境影響評價技術規範》中，推薦採用國際輻射保護協會關於對公眾全天輻射時的限值100 μT (≈80 A/m)作為工頻磁場的評價標準，而對於110、220、330 kV送變電工程可參照此標準執行。電力行業標準DL/T 799.7—2010《電力行業勞動環境監測技術規範第 7 部分：工頻電場、磁場監測》中推薦500μT 作為職業暴露限值，以100μT作為公眾全天輻射時限值。

國內外關於變電站內的工頻電磁環境的研究很多，各研究通過測量或通過計算獲得了不同電壓等級、不同類型的變電站產生的工頻磁場強度的大小。但對於變電站工頻磁場對信息設備的影響的研究較少，如何根據變電站的電磁環境的特徵制訂信息設備的工頻磁場抗擾度要求，防止工頻磁場對IDC的危害，直接關係到IDC能否與變電站共建。

與變電站共址的工頻磁場推薦值

變電站最強工頻磁場源是電抗器和補償電容器，電抗器產生的工頻磁場的磁感應強度最大值達5000μT，補償電容器產生的工頻磁場的磁感應強度最大可達1000μT。當短路電流過大時，若採用全封閉母線，則可以將短時工頻磁場強度控制在1000A/m 以內；若採用裸導體的母線，則應控制IDC內信息存儲設備與母線的距離，使短時工頻磁場強度<1000A/m。持續工頻磁場環境必須考慮其對公眾的影響。

採取適當的距離控制後，推薦與變電站共站建設的雲數據中心可能出現的穩定持續工頻磁場強度及短時工頻磁場強度分別為100A/m 和1000A/m，將2者作為對應的磁場耐受推薦值， (表中磁場強度的單位為A/m，1A/m相當於自由空間的磁感應強度為1.26μT)。

工頻磁場對信息設備的影響及防護策略

1.工頻磁場對信息顯示設備的影響

陰極射線管(CRT)顯示器主要由電子槍、螢光屏和偏轉線圈3部分組成。CRT顯示器一般採用光柵掃描方式，由水平同步和垂直同步信號控制的電子束在CRT顯示器螢幕上從左到右、從上到下做有規律的移動，再逐行或隔行掃描形成光柵。對於標準的光柵掃描，水平掃描頻率為15.7 kHz，垂直掃描頻率為當地電網的工頻頻率。由於工頻磁場頻率與垂直掃描頻率相同，因此變電站產生的工頻磁場會導致垂直磁場的線性變化產生畸變，進而影響光柵質量，引起顯示器顏色不正常，如較強的磁場會磁化顯示器，產生螢幕晃動、水波紋。因此，CRT顯示器是典型的工頻磁場敏感設備。若CRT顯示器的垂直掃描重複頻率與干擾磁場的頻率完全同步，則每一個圖像點都會精確地出現在螢幕相同位置，與無干擾的情況相比，每幅連續畫面僅有漂移，而不影響圖像的清晰度。但實際環境中垂直掃描頻率與工頻干擾的相位非常複雜，且不同步，同時大部分顯示器使用比工頻頻率高的重複頻率來改善灰度，因此這將導致畫面圖像點受到實際磁場影響而發生偏斜，進而導致圖像抖動、模糊。此類干擾的產生途徑有3種：電感應、磁感應、磁場對CRT電子束的直接作用力，其中變電站對IDC的影響途徑主要是磁感應作用。

測試表明，工頻磁場強度為0.6 A/m 時，CRT的顯示有輕微抖動，對一般辦公文字處理工作影響較小，對專業設計等要求較高的場合有一定影響；0.8 A/m 時有較明顯的抖動，對短時間文字處理尚可忍受，對專業設計等要求較高的場合影響較大；1 A/m 時有明顯抖動，字跡雖清楚，但視覺上已無法忍受；3A/m 時有劇烈抖動，字跡不清，完全無法工作。

可採用顯示器禁止罩來防護工頻磁場的影響。彩色顯示器顯像管內的柵網、蔭罩等部件都採用了金屬材料，周圍雜散磁場、地磁場以及CRT正常工作時在機內所形成的磁場都會使這此金屬部件磁化，進而使電子束髮射的紅、藍、綠3條電子束的運動軌跡發生不應有的偏離，不能準確地擊中螢光屏上相應的紅、藍、綠螢光粉色素基點上，最後產生色彩異常，或出現不規則的色斑。為了消除顯像管上可能出現的磁化現象，顯示器和彩電中都設定了自動消磁電路。

在 IEC61000-4-8的附錄C中提及90%的計算機監視器(電子射像管型)僅能耐1A/m工頻磁場。至於抗工頻磁場耦合干擾的能力，則因設備種類、品牌質量而異。而前面提出的雲數據中心的工頻磁場耐受值100 A/m 遠遠大於此值，因此在雲數據中心採用CRT顯示器是不可行的。廣泛採用的液晶顯示器在清晰度、色彩等方面都已經達到了CRT顯示器的額定水平，其具有可以不受低頻磁場干擾的特點。因此，在雲數據中心必須採用對低頻磁場不敏感的液晶顯示器。

2.工頻磁場對信息存儲設備的影響

當外加磁場大於磁性存儲介質的矯頑力時，磁性存儲介質內小磁體的磁化方向將與外加磁場方向保持一致，而當外加磁場超過磁性材料的飽和磁化強度時，即使撤除外加磁場，小磁體的方向和磁場強度仍將保持不變。當小磁體原來的磁化方向與外加磁場的方向不一致時，則會改變其磁化方向，出現消磁問題。當外加磁場與磁性材料本身的磁化方向平行時，外加磁場需要大於磁性介質的矯頑力才能保證所儲存的信息被有效消除；而當外加磁場垂直於磁性材料本身的磁化方向時，外加磁場必須大於磁性材料的各向異性場，才能保證原來記錄的信息被有效消除。

可以看出，即使是工頻短路時變電站產生的磁場也低於磁性材料的矯頑力，因此工頻磁場較難對磁性存儲設備構成危害。但磁場可能使得磁碟驅動器的動作失靈、引起記憶體信息丟失、數據處理和顯示混亂，導致磁碟數據損壞或丟失。

3.工頻磁場的禁止

工頻磁場磁感應強度隨著與磁場源距離的增加而迅速衰減。但工頻磁場很難禁止，磁力線可以穿透我們生活中常見的材料或物體，並基本上不會產生畸變或削弱。

對於靜磁場，由電磁鐵或直流線圈產生的磁場均在空間中存在磁力線或磁通分布，磁力線所通過的路徑稱為磁路。磁力線主要集中在低磁阻的磁路中。因此磁場的禁止主要採用高磁導率的材料，如鐵、鎳鋼、坡莫合金等，這些高磁導率的材料具有很低的磁阻，因此磁力線被“封閉”在禁止體內，使磁場繞過敏感元件，從而起到磁禁止的作用，對於低頻交變磁場，磁禁止的原理同靜磁禁止，採用高磁導材料作為禁止體，將磁場約束在禁止體內。

低頻禁止要比高頻禁止困難得多，且禁止效能隨禁止體體積的增大而減弱。變電站及電廠的計算機房與通信數據中心類似，布置了監控計算機系統。以電廠計算機房為例，計算機房體積都比較大，要得到較好的禁止效果，就要選用很厚的鋼板。例如，要使岩灘水電站計算機房的禁止效能達到2.0，即干擾場強減小為禁止前的1/2，需要18.5mm 厚的鋼板54.3 t，加上運輸、安裝等其他費用，耗資很大；同時要用厚鋼板將整個機房包起來，施工難度巨大。

葛洲壩大江電廠的機房禁止採用1mm 厚的鋼板，這對高頻電磁場干擾可能具有非常強的禁止效能，但對低頻磁場的禁止作用並不明顯。經計算，禁止後的磁場大約只減少了3.6%。因此一般不宜對整個計算機房實施低頻磁禁止。

對於電力系統對計算機房的工頻磁場的

防護，在設計階段應對有關場所的環境場強進行計算分析。若不滿足環境場強的要求，一般採用距離控制方法，增加計算機部件與大電流導體的距離。另外，可從高壓側採取禁止措施，實施主動的磁場禁止，將敞露式母線改為封閉式母線，還可有針對性地採用局部的磁禁止措施。

長期以來的研究多在對通信的建築物整體採取磁禁止技術，消除磁場對通信系統的影響，該方法範圍大、造價高昂，甚至沒有作用。對於香港將軍澳數據中心與132kV變電站共站址問題，國外設計者建議採用金屬格線禁止措施來解決該問題，研究表明，採用金屬格線只能禁止雷電電磁場的影響，對於低頻磁場無禁止作用，且需要投資數千萬元。若要有效禁止工頻磁場，則必須採用相對磁導率高的鐵鎳類合金，該類材料雖然性能優良，但對機械應力敏感，加工處理困難，且造價將達到數億元。

4.數據中心信息存儲設備工頻磁場防護策略

從前面測量及分析得到的工頻磁場數據可以看出，對於共站建設的變電站和通信數據中心，若變電站在建築物地下，數據中心在同一建築物地上，如聯通香港將軍澳數據中心，2者空間距離近，假設會受到變電站最強的磁場作用。在雲數據中心建設，需要控制雲中心存儲器與電抗器的距離>10m，與電容器的距離>5m，以確保數據中心存儲器承受的穩定持續工頻磁場的磁感應強度<100μT。如果採用共址建設，即變電站和通信數據中心建設在同一站址，分建築物建設，則2者間的距離較大，工頻磁場的磁感應強度都已衰減到100A/m以下。

考慮到對雲數據中心進行工頻磁場禁止的巨大建設費用，本文提出通過改善信息存儲設備耐受工頻磁場的特性，以能否耐受工頻磁場強度作為標準，以此實現取消雲數據中心工頻磁場禁止措施，節省巨額的禁止費用。

CRT顯示器對工頻磁場非常敏感，其允許的工頻磁場強度為1A/m。顯然CRT顯示器無法滿足工頻磁場抗擾度要求值。因此，在變電站共站建設的雲數據中心需要採用不受低頻磁場干擾的液晶顯示器。

雲數據中心工頻磁場抗擾度要求

工頻磁場抗擾度的試驗等級分2種：穩定持續作用和短時作用，分別模擬正常運行和短路故障時的工頻磁場。試驗等級及要求採用國家推薦性標準GB/T 17626.8—2006《電磁兼容試驗和測量技術工頻磁場抗擾度試驗》，該標準等同採用了IEC標準61000-4-8：2001(該標準的最新修訂版為61000-4-8：2009)。試驗等級根據試驗環境分為6級。等級1對應有電子束敏感裝置使用的環境；等級2對應保護良好的環境，如遠離接地保護裝置、工業區和高壓變電所的住宅、辦公室和醫院保護區等地方；等級3表示受保護的環境，周圍可能有產生漏磁通或者磁場的電器設備或電纜，在靠近接地系統的地方，離開中壓電路和高壓母線幾百m的場合；等級4表示典型的工業環境，重工業廠礦、發電廠及高壓變電站的控制室是這類環境的代表；等級5表示嚴酷的工業環境，旁邊有載流達到數十 kA電流的線路通過，近處有保護接地系統。重工業廠礦的開關站、中壓開關站及電廠是典型代表；X級為開放等級，可在產品規範中給出。

我國通信行業各類設備(帶有電子束顯示器和磁敏感裝置除外)的工頻磁場抗擾度試驗等級均取第2級，即通信設備允許的工頻磁場強度為3A/m，但對短時工頻磁場耐受並沒任何要求。

雲數據中心信息設備的工頻磁場抗擾度測試需要採用對應嚴酷的工業環境要求的等級5，即穩定持續工頻磁場抗擾度試驗要求為100A/m，1~3s 短時磁場抗擾度試驗要求為1000A/m。即將雲數據中心的信息存儲設備的工頻磁場抗擾度測試採用對應嚴酷的工業環境要求的等級5，以此實現取消雲數據中心工頻磁場禁止措施，節省巨額的禁止費用。

信息存儲設備的工頻磁場耐受特性

根據云數據中心工頻磁場抗擾度的要求，華為公司研製了用於雲數據中心信息存儲的伺服器，並對該伺服器進行了工頻磁場抗擾度測試。

測試伺服器通過路由控制4個刀片，在刀片作業系統運行下，運行電源散熱工具的壓力軟體，使單板功耗達到最大；同時用其中2 個刀片分別作為接收端和傳送端，設定傳送端每次傳送數據包的大小為102400 位元組，用作業系統自帶工具監控網口頻寬和傳送(接收)數據包。試驗中及試驗後網口無丟包，業務性能無下降。這表明研製的用於數據中心的伺服器能夠耐受最為嚴酷的工頻磁場環境。

總結

1）信息通信系統的雲數據中心與高壓變電站共站建設時，變電站正常工作時的工頻磁場和短路時的短時工頻磁場可能會對共站址建設雲數據中心的信息存儲設備產生危害。

2）在滿足公眾全天輻射限值的基礎上，通過適當控制雲數據中心和變電站的強工頻磁場源的距離(與電抗器和母線的距離>10 m，與電容器的距離>5 m)，通信雲數據中心的穩定持續工頻磁場和短時工頻磁場的耐受強度推薦值分別確定為100A/m和1000A/m。

3）在分析工頻磁場對信息設備的影響原理及工頻磁場的禁止原理的基礎上，考慮到對雲數據中心進行工頻磁場禁止的巨大建設費用，工頻磁場的防護可採用通過改善信息存儲設備耐受工頻磁場的特性以實現取消雲數據中心工頻磁場禁止措施的策略，可節省巨額的禁止費用。雲數據中心的信息存儲設備的工頻磁場抗擾度測試採用IEC6 1000-4-8：2009 標準中對應嚴酷工業環境要求的等級5。另外，在變電站共站建設的雲數據中心需要採用不受低頻磁場干擾的液晶顯示器。

4）對根據工頻磁場抗擾度嚴酷要求研製的用於雲數據中心信息存儲的伺服器進行了工頻磁場抗擾度測試，測試結果表明研製的用於數據中心的伺服器能夠耐受與變電站共站的雲中心可能出現的最為嚴酷的工頻磁場環境，即持續工頻磁場強度為100A/m，短時工頻磁場強度為1000A/m。