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海上风电电磁辐射对海洋生物的影响

日期:2021-02-22    来源:千尧科技

国际风力发电网

2021
02/22
10:34
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关键词: 海上风电 电磁辐射 海上风电电缆

海上风电的施工和运营可能对海洋环境造成的影响是公众关心的热点,其中包括海上风电场对海洋的水文动力环境、地形地貌环境、冲淤环境、鸟类生态环境、生物生态环境、声环境和电磁环境等的影响。目前我国对于海上风电电磁辐射影响的研究较少,本研究收集并整理多年来国内外海上风电电磁辐射对海洋生物影响的研究成果,以期为我国海上风电的发展提供技术支持,并为相关研究奠定基础。

海上风电机组、升压站和海底电缆是海上风电主要的电磁辐射影响来源。风电机组和升压站均位于海面上,且不同介质电磁辐射的衰减很快,对海洋生物的影响较小。因此,有可能对海洋生物产生电磁辐射影响的主要是海上风电的输电电缆。同时,由于电缆绝缘屏蔽外壳接地,屏蔽了电场,电缆外部主要是磁场辐射,且海底电缆产生的磁场主要来源于保护层中的铁磁性材料和自身的加载电流。

图1 典型海上风电场布局

海底电缆的电磁辐射

1海底电缆的基本结构

根据导体结构,海底电缆可分为单芯电缆和三芯电缆,我国海上风电的电缆大多数采用三芯电缆。三芯电缆的优点包括:电缆本身可加钢带铠装,防外力破坏的能力强,占地面积小,可敷设在各种管材中,虽然施工较困难,但总体施工时间较短;缺点包括:受电缆盘和自身重量的限制,电缆一般不能太长,运输不方便,太粗的电缆敷设时较困难,不易弯曲,载流量比相同截面的单芯电缆小。

2海底电缆内部的电磁场模拟

海底电缆的传输方式(交流或直流)、材料、电力传输特性和海水电导率等因素都将对其电磁环境产生一定的影响。电缆输电线路是静止的磁耦合回路,其负序阻抗和正序阻抗是相等的,即对称运行状态和不对称运行状态的阻抗相同。对正(负)序电流来说,其产生的磁场主要集中在导线附近的空间内,在远离导线处的空间将急剧衰减。交变磁场在金属屏蔽层产生感应电势,在屏蔽层及其接地点之间产生感应电压,其中线芯三相电流的向量和为0,感应电压也为0。

就曾有相关研究人员指出电缆外部屏蔽层的电场强度已下降到10~17V/m的量级,由于电缆内部是时变的电压和电流,由时变电场产生的磁场在电缆外部已经很小。

3海底电缆外部的电磁场模拟

利物浦大学智能监控中心提供了工业标准的13kV海底电缆外部的磁场分布,电缆埋深为1m,且随着距离的增加,电磁场由电缆中心的最大值迅速降低,在电缆外1m的范围内,电缆产生的磁场强度已降低至10-6T。根据科学家的探测和研究,地球磁场强度约为(0.3~0.6)×10-4T,因此电缆外部的磁场在很短距离以外的影响已较小。

一些科学家研究三芯海底电缆的电磁辐射。假设:平均水深为20m,海砂层厚11m,电缆埋在海床以下1m处;电缆的相间电压为135kV有效交流电压,每一相的交流电流为700A。

图2 三芯海底电缆的布置

营运中的海上风电场电缆使用的三相电缆,每一相导体中均存在120°的相位差,使得周围导体产生变化的磁场。模拟结果显示:尽管电缆的护套提供了良好的电场屏蔽,但无法屏蔽磁场,因此电缆外部存在一定的磁场;由于海水和海砂具有不同的电导率,仿真得到的电流密度在海水和海砂之间的界面呈现不连续状态,在观测半径相等的情况下,海水中的电流密度约为海砂中的5倍,因此电缆外部的感应强度为10-10~10-5T。

电磁辐射对海洋生物的影响

海洋大型风电场长距离铺设的海底电缆所产生的高电压和大电流将对海洋生态环境产生影响,如当电流产生磁场时,洄游鱼类等海洋生物将受到影响。研究表明:某些海洋生物具有磁敏感性,磁场可能会影响其运动方向;海底电缆可能破坏或影响迁徙鱼类的地磁模式,且足够强度的磁场还会影响海洋生物的生殖和发育等生理过程。

1电磁辐射对海洋鱼类的影响

电磁场会对海洋鱼类的行为产生影响。早在20世纪70年代俄罗斯学者就已证明河流中的鱼类从电线下方通过时会有反应,并猜测这是磁力的影响。也有相关学者在黑暗的水族箱中用不同强度的人工电磁场刺激日本鳗鲡(Anguilla japonica),并通过心电图监测日本鳗鲡的磁敏感性,结果表明日本鳗鲡对12.663μT的EW向水平地磁场产生反应,相当于鹿儿岛SN向水平地磁场强度的0.38倍,因此日本鳗鲡无论是在海中还是河中都是磁敏感的。

还有学者在八角形槽中测试欧洲银鳗(Anguilla anguilla)的磁性取向,结果表明单只鳗鱼的方向在2个磁场之间显著不同,即鳗鱼对磁场有反应。后续又在八角形行为箱中施加不同的磁场,在8d内记录黄鳗(Anguilla rostrata)的位置,结果表明磁场的变化会引起黄鳗行动方向的改变。丹麦能源公司在Nysted海上风电场进行调查,发现有些穿越电缆线路的鱼类迁移受到影响,但并非完全受阻。Gill等采用围隔实验的方法,证明底栖板鳃鱼类会对海底电缆释放的相关类型和强度的电磁场做出反应。我国相关学者研究海上风电磁场对12种海洋生物的存活率和行为的影响,结果表明:1.00mT(电缆处)强度磁场对黑鲷(Sparus macrocephalus)的存活率和行为有一定的影响,并初步判断距离电缆1.2m外(磁场强度约为0.20 mT)的位置为海洋鱼类对海上风电磁场的耐受范围;文蛤(Mercenaria mercenaria Linnaeus)等贝类对磁场的耐受性较好,海上风电磁场对其存活率没有影响;在风电正常运营的情况下,底栖生物的存活率也未出现明显差异。

同时,电磁场会对海洋鱼类的生理造成一定的影响。就有相关学者研究溪红点鲑(Salvelinus fontinalis)在磁场中暴露的影响:该磁场由亥姆霍兹线圈产生,最大磁通密度为40μT,频率为1Hz,200ms开,800ms关;通过特定的放射免疫测定法估算褪黑激素浓度,结果表明与对照组相比,MF暴露显著增加夜间松果体(P<0.001)和血清(P<0.01)褪黑激素水平。其他研究结果也表明,低值的恒定磁场暴露能减缓鳟(Salmo trutta)和虹鳟(oncorhynchus mykiss)的胚胎发育。此外,还有人在实验室实验中发现,当欧洲鲇(Silurus glanis)暴露于强度持续为0.4~0.6T的磁场中时,其生物量下降率和死亡率升高。

2电磁辐射对其他海洋生物的影响

我国学者唐超等人研究射频电磁辐射(RF-EMF)、极低频电磁场(ELF-EMF)和交变电场(AEF)3种典型电磁环境胁迫对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)细胞氧化应激的影响作用。研究结果表明:纵肋织纹螺(Nassarius variciferus)的回避行为受磁场影响明显,即在24h之内,4.05mT和0.90mT磁场暴露条件下的纵肋织纹螺分别有8.30%和3.30%逃离实验缸,其余均分布于实验缸边缘;磁场暴露下黑褐新糠虾(Neomysisawatschensis)的存活率有所降低,且在4.05mT时表现尤为明显,存活率与对照组相比显著降低(10.53%)。也有国外学者的研究结果表明,肯普的雷德利海龟(Lepidochelys  kempi)、绿海龟(Chelomina mydas)和海龟(Caretta caretta)都利用地球磁场进行定位并迁移。还有学者通过实验结果证明,在排除其他因素干扰的情况下,多刺龙虾(Panulirus argus)也利用磁场进行定位。

结语

海上风电项目用海会造成海洋空间的破碎化,制约海域未来开发利用活动。海上风电场占用生境对鸟类迁徙、海水水质和底栖生物的影响,海底电缆的电磁辐射影响是海上风电场工程建设亟须重点关注的环境问题,目前尚未有科学有力的结论,为此仍须开展大量的基础研究和监测工作。


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