弧垂特高壓交流輸電線路的電磁劑量探究范文
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《輻射研究與輻射工藝學(xué)報》2016年第5期
摘要：
采用Comsol仿真軟件和人體模型計算分析倒三角較貼近實(shí)際的帶弧垂特高壓交流輸電線路對人體產(chǎn)生的電場效應(yīng)，并與理想直導(dǎo)線的結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，人體以及人體附近電場和感應(yīng)電流分布不均勻，體外電場最大值集中于人體頭部表面上方，關(guān)節(jié)連接處和端部的電場、感應(yīng)電流密度較大。帶弧垂特高壓輸電線路在人體各組織產(chǎn)生的電場和感應(yīng)電流密度均較理想筆直導(dǎo)線線路下高約17%~19%；與國際非電離輻射防護(hù)委員會導(dǎo)則限值相比較，電場強(qiáng)度無論是對專業(yè)人員還是普通民眾均在ICNIRP導(dǎo)則限值范圍內(nèi)；而感應(yīng)電流密度除人體腿部下部、頭皮與頸部連接處附近的略高于ICNIRP導(dǎo)則中普通民眾的限值外，其他均在ICNIRP導(dǎo)則限值范圍內(nèi)。兩種類型特高壓輸電線路所產(chǎn)生的電磁輻射對專業(yè)人員是安全的，對普通民眾應(yīng)注意適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。
關(guān)鍵詞：
特高壓交流；弧垂；理想直導(dǎo)線；電場；感應(yīng)電流密度
頻率在0~300Hz之間的低頻電磁場暴露生物效應(yīng)正越來越成為研究熱點(diǎn)。其中以對人體的研究最為火熱，如低頻脈沖電磁場對骨骼愈合促進(jìn)作用、低頻電磁場影響人體細(xì)胞生長分泌、變電站電磁輻射對人體的影響等[1-4]。低頻電磁場在給人們帶來好處的同時也會帶來危害。長期暴露在低頻電磁場下會干擾人體機(jī)體組織之間的內(nèi)部通訊，而對腦部未發(fā)育健全的青少年來說，影響更為明顯[5]。低頻電磁場可以導(dǎo)致頭痛、耳鳴、神經(jīng)障礙等癥狀，另外，患腦瘤、白血病的風(fēng)險也會增加[6-7]。在我國，以工頻電磁場應(yīng)用最為廣泛。如變電站、高壓電線、家用電器等就是采用工頻交流電。對人體的影響主要是由于工頻電磁場與人體的相互作用，在人體及其附近產(chǎn)生了較大的電場和在人體感應(yīng)出了較大的感應(yīng)電流。相關(guān)研究表明，當(dāng)人體感應(yīng)的電場和感應(yīng)電流密度超過一定的閾值會對人體產(chǎn)生危害，尤其是神經(jīng)組織和肌肉組織等。為防止電磁輻射對人體造成傷害，國際非電離輻射防護(hù)委員會做出了規(guī)定[8-9]，對于50Hz工頻，電網(wǎng)工作人員頭部和軀體的暴露電場閾值為0.8V/m，感應(yīng)電流密度閾值為10mA/m。普通民眾頭部和軀體的暴露電場閾值為0.4V/m，感應(yīng)電流密度閾值為2mA/m。另外，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)是人體神經(jīng)系統(tǒng)的主體部分，為防止對其造成損害。故該委員會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的暴露電場和感應(yīng)電流密度做出了嚴(yán)格的規(guī)定，對于50Hz工頻電磁場，電網(wǎng)工作人員中樞神經(jīng)系統(tǒng)暴露電場閾值為100mV/m，感應(yīng)電流密度閾值為10mA/m2。普通民眾中樞神經(jīng)系統(tǒng)暴露電場閾值為20mV/m，感應(yīng)電流密度閾值為2mA/m2。由于社會對電能需求的不斷增加，近幾年，我國正大力發(fā)展1000kV及其以上特高壓輸電，這對于國家的“西部大開發(fā)”、“全國聯(lián)網(wǎng)”等戰(zhàn)略有著至關(guān)重要的作用。同時，由于特高壓輸電建設(shè)的加快，其輸電線路對附近人體和環(huán)境造成的影響也逐漸被關(guān)注。國內(nèi)外不少學(xué)者對于特高壓輸電線路桿塔附近的電磁場進(jìn)行了研究，也有一些學(xué)者探究特高壓輸電線路產(chǎn)生的電磁場與人體之間的相互作用，大多采用理想直輸電線路作為線路模型，且線路模型采用二維或者較短的三維輸電線路模型，比較接近實(shí)際的考慮到導(dǎo)線的弧垂也比較少[10-11]，同時，研究的人體模型簡單[12]，將人體各組織以同一電磁參數(shù)來考慮[13]，這與實(shí)際不相符。本研究采用較貼合真實(shí)情況的三維帶弧垂輸電線路模型，選取的輸電線路長度貼近實(shí)際檔距，對人體進(jìn)行了較合理實(shí)際的建模，并將帶弧垂特高壓輸電線路對人體產(chǎn)生的電場效應(yīng)與理想直導(dǎo)線的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，而后將兩者與ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)中的電磁暴露限值進(jìn)行比較，對我國特高壓輸電線路附近的電磁輻射進(jìn)行科學(xué)的評估，同時也能為我國的特高壓電磁輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的制定作參考。
1原理與模型
1.1原理
研究電磁學(xué)問題，首先需要電磁學(xué)的基本方程組。人體各個組織和器官屬于電磁場的介質(zhì)，特高壓輸電線路下方人體產(chǎn)生的感應(yīng)電場和感應(yīng)電流密度，與人體的各個組織的電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)、幾何形狀等都有關(guān)系，因此，采取接近實(shí)際的人體模型和電磁場參數(shù)是很重要的。
1.2Comsol仿真簡介
Comsolmultiphysics是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件。廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計算，模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程。Comsolmultiphysics是以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程或者偏微分方程組來實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真，用數(shù)學(xué)方法求解真實(shí)世界的物理現(xiàn)象。本次采用Comsolmultiphysics的AC/DC模塊中的EC(Electriccurrent)物理場來進(jìn)行求解，取人體腳面與空氣域底面接地，空氣域最外圍為電絕緣。計算機(jī)內(nèi)存為12G，帶弧垂仿真模型剖分網(wǎng)格自由度為1074531，計算時間約40min，直導(dǎo)線仿真模型剖分網(wǎng)格自由度為974607，計算時間約32min。
1.3模型
1.3.1人體模型
設(shè)人體單個組織內(nèi)部的介質(zhì)是均勻分布的。人體在50Hz條件下各個組織的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)[14]見表1。特高壓輸電線路下方的人體模型主要分為4個部分進(jìn)行考慮，頭部由3部分組成，頭皮、顱骨、腦組織，三層球頭半徑分別為0.092、0.085、0.080m，軀體作為第4部分。人體位于輸電線路正中位置，面向傳輸方向。頭部和軀體具體尺寸如圖1所示。
1.3.2輸電線路
本次模型特高壓輸電線路為1000kV級，各相導(dǎo)線對地電壓有效值為I（10001.05）/3約為606.2kV。導(dǎo)線采用六分裂LGJ-630/45型，子導(dǎo)線直徑為33.6mm，分裂間距為0.4m。特高壓輸電線路桿塔如圖2所示。針對經(jīng)過比較平坦地區(qū)的特高壓輸電線路，實(shí)際檔距能達(dá)到300~500m左右[15-16]，取一段檔距為400m，并做出以下規(guī)定[17]：(1)特高壓輸電線路兩端懸掛點(diǎn)等高。(2)計算只考慮線路主體部分，而不考慮桿塔、絕緣子等物體產(chǎn)生的電磁場。(3)架空輸電線路是理想的柔性導(dǎo)線，只承受軸向拉力。(4)架空輸電線路荷載沿導(dǎo)線均勻分布。架空輸電線路如圖3所示。架空輸電線路的懸掛線方程[18-19]為：000=(coshcosh)+2xLyH(12)式中：0為導(dǎo)線水平應(yīng)力(MPa)；為導(dǎo)線比載(MPa/m)，L為檔距(m)，H為懸掛點(diǎn)高度(m)。氣象條件[20-21]選晴天、無冰、風(fēng)速小于10m/s，此時，0=63.504MPa，=34.047×10−3MPa/m，L=400m，H=37。整理上述懸掛線方程可得：y=1865.19×cosh(5.36×10−4x)−1840.16(13)相比理想中的直導(dǎo)線，實(shí)際中導(dǎo)線的最大弧垂為10.733m。
2結(jié)果
2.1電場強(qiáng)度
2.1.1人體及其附近電場
特高壓輸電線路下方的人體表面附近會產(chǎn)生很大的電場，遠(yuǎn)高于同一高度空氣中的電場強(qiáng)度。原因是由于處在電場中的人體端部會聚集大量的電荷產(chǎn)生的極性效應(yīng)的緣故。電場強(qiáng)度最大值部分集中于人體的頭部，其次是集中在人體的手臂，如圖4所示。左為實(shí)際中的弧垂導(dǎo)線（達(dá)到64kV/m），右為理想直導(dǎo)線（達(dá)到53.1kV/m），以下皆同。而在人體內(nèi)部，其電場強(qiáng)度遠(yuǎn)小于人體表面的電場強(qiáng)度，原因是人體機(jī)體組織擁有比較大的介電常數(shù)等，對電場起了衰減作用。人體內(nèi)部電場強(qiáng)度比較大的地方，則在組織關(guān)節(jié)的連接處（左達(dá)到0.105V/m，右達(dá)到0.0876V/m），如圖5所示。
2.1.2頭部電場
對于人體頭部，分為3層，頭皮、顱骨和腦組織，整個頭部的電場分布見圖6，腦組織部分如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)人體頭部縱向看，電場強(qiáng)度最大值位于顱骨位置，并且集中于中間，頭部電場強(qiáng)度最大值分別達(dá)到21、17.4mV/m。頭皮部分電場強(qiáng)度最大值位于與頸部接觸附近。顱骨部分電場強(qiáng)度最大值位于中心位置。腦組織部分電場強(qiáng)度最大值分別達(dá)到9.66、8mV/m，位于腦組織下方。在頭部中心水平面，取一切面，頭部電場分布如圖8所示。腦組織電場分布如圖9所示，頭部電場強(qiáng)度最大值位于腦組織中心部分，分別達(dá)到3.9、3.23mV/m，神經(jīng)中樞位置電場強(qiáng)度達(dá)到最大值。電場強(qiáng)度大小依次為腦組織中間部分、顱骨、腦組織外側(cè)部分和頭皮。
2.2感應(yīng)電流密度
2.2.1人體感應(yīng)電流密度
在特高壓輸電線路下方的人體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。電流密度大小，則與人體機(jī)體組織的電導(dǎo)率、幾何形狀等相關(guān)。人體的感應(yīng)電流密度分布如圖10所示，感應(yīng)電流最大值位于腳與地面的接觸位置，次之則位于腿與腳的連接處，最大值分別達(dá)到了7.01、5.71mA/m2，其他，則感應(yīng)電流密度較大值都位于機(jī)體組織的連接處、尖端處，也是由于極性效應(yīng)產(chǎn)生的效果。
2.2.2頭部感應(yīng)電流密度
人體頭部頭皮電導(dǎo)率比較大，感應(yīng)電流密度比較大。而最大值則位于頭皮與頸部連接的地方，如圖11所示，顱骨縱切面感應(yīng)電流密度分布如圖12所示，腦組織縱切面感應(yīng)電流密度分布如圖13所示。頭皮與頸部連接位置的感應(yīng)電流密度最大值分別達(dá)到5.53、4.45mA/m2，顱骨感應(yīng)電流密度最大值集中于顱骨下部中間位置，最大值分別達(dá)到0.48、0.399mA/m2。，其最大值集中于腦組織下方中心軸位置，最大值達(dá)到0.483、0.401mA/m2。在頭部中心位置取水平切面，頭部感應(yīng)電流密度分布見圖14。腦組織感應(yīng)電流密度分布見圖15。可以看到，在頭部水平切面，頭皮的感應(yīng)電流密度最大，其次為腦組織，顱骨。因?yàn)轭^皮的電導(dǎo)率在3層頭模型中最大，頭皮感應(yīng)電流密度最大值分別達(dá)到了1.35、1.12mA/m2。而腦組織中樞神經(jīng)系統(tǒng)的感應(yīng)電流密度較大值部分，集中在腦組織中間位置，分別達(dá)到了0.195、0.162mA/m2。將帶弧垂和理想的特高壓輸電線路對人體各個組織產(chǎn)生的電場效應(yīng)仿真結(jié)果整理，如表2所示。
3討論
本文分析了在較實(shí)際情況下帶弧垂導(dǎo)線和理想直導(dǎo)線的1000kV級特高壓交流輸電線路對其下方人體的電效應(yīng)，得出以下結(jié)論：特高壓交流輸電線路下方，由于人體幾何形狀的不規(guī)則以及各組織的介電常數(shù)和電導(dǎo)率之間的不同，人體內(nèi)部的電場和感應(yīng)電流分布是不均勻的，同時在極性效應(yīng)的作用下，人體表面附近的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于人體內(nèi)部的電場強(qiáng)度，最大相差數(shù)量級達(dá)到105以上，電場較大值集中于人體頭部表面，其次是手臂附近。在人體內(nèi)部，在一些關(guān)節(jié)連接處及其端部，電場也比較大，軀體的電場強(qiáng)度大于頭部的電場強(qiáng)度。對于3層頭部，感應(yīng)電場最大值集中于頭部下方顱骨位置。整個頭部，頭部下方的感應(yīng)電場普遍比頭部上方的大。感應(yīng)電流密度方面，軀體的感應(yīng)電流密度比頭部大，腿部感應(yīng)電流密度比軀體其他位置大。對于人體頭部，頭部下方普遍大于頭部上方。頭部感應(yīng)電流密度較大值位于頭皮。實(shí)際情況中帶弧垂導(dǎo)線比理想直導(dǎo)線在人體內(nèi)的電場強(qiáng)度和感應(yīng)電流密度大小方面大約高出17%~19%。與ICNIRP限值相比較，電場強(qiáng)度方面：人體最大電場強(qiáng)度位于腳與腿連接處，為導(dǎo)則普通民眾限值的1/4左右；腦組織下部電場強(qiáng)度不到導(dǎo)則中普通民眾CNS限值的1/2，故實(shí)際CNS中的感應(yīng)電場強(qiáng)度則更小。感應(yīng)電流密度方面：對專業(yè)人員，人體各部位均未超過導(dǎo)則中專業(yè)人員的感應(yīng)電流密度限值。對普通民眾，對于頭部，頭皮與頸部連接處附近則超過了ICNIRP規(guī)定的普通民眾限值，頭部顱骨、腦組織感應(yīng)電流密度則低于導(dǎo)則中普通民眾限值的1/4，故CNS中的感應(yīng)電流密度則更小；而軀體和人體的的腿部下方感應(yīng)電流密度則超過了ICNIRP規(guī)定的普通民眾限值。檔距為400m的三維帶弧垂輸電線路和理想直導(dǎo)線以及比較真實(shí)的人體模型能夠比較真實(shí)的反應(yīng)特高壓交流輸電線路對人體的電場效應(yīng)狀況，帶弧垂特高壓輸電線路在人體各組織產(chǎn)生的電場和感應(yīng)電流密度均較理想直導(dǎo)線線路下要高，兩種類型特高壓輸電線路所產(chǎn)生的電磁輻射對專業(yè)人員是安全的，對普通民眾應(yīng)注意適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。本研究結(jié)果能夠比較真實(shí)的反應(yīng)特高壓交流輸電線路的輻射情況，對生物的輻射研究能起到一定的推動作用。但還存在不足之處，需對人體進(jìn)行更加詳細(xì)地分析。
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作者:張利航 逯邁 陳小強(qiáng) 侯立偉 單位:蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室