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際的帶弧垂特高壓交流輸電線路對人體產生的電場效應，并與理想直導線的結果進行對比。結果表明，人體以及人體附近電場和感應電流分布不均勻，體外電場最大值集中于人體頭部表面上方，關節連接處和端部的電場、感應電流密度較大。帶弧垂特高壓輸電線路在人體各組織產生的電場和感應電流密度均較理想筆直導線線路下高約17%~19%；與國際非電離輻射防護委員會導則限值相比較，電場強度無論是對專業人員還是普通民眾均在ICNIRP導則限值范圍內；而感應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導則中普通民眾的限值外，其他均在ICNIRP導則限值范圍內。兩種類型特高壓輸電線路所產生的電磁輻射對專業人員是安全的，對普通民眾應注意適當的防護。

關鍵詞：

特高壓交流；弧垂；理想直導線；電場；感應電流密度

頻率在0~300Hz之間的低頻電磁場暴露生物效應正越來越成為研究熱點。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作用、低頻電磁場影響人體細胞生長分泌、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體組織之間的內部通訊，而對腦部未發育健全的青少年來說，影響更為明顯[5]。低頻電磁場可以導致頭痛、耳鳴、神經障礙等癥狀，另外，患腦瘤、白血病的風險也會增加[6-7]。在我國，以工頻電磁場應用最為廣泛。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，在人體及其附近產生了較大的電場和在人體感應出了較大的感應電流。相關研究表明，當人體感應的電場和感應電流密度超過一定的閾值會對人體產生危害，尤其是神經組織和肌肉組織等。為防止電磁輻射對人體造成傷害，國際非電離輻射防護委員會做出了規定[8-9]，對于50Hz工頻，電網工作人員頭部和軀體的暴露電場閾值為0.8V/m，感應電流密度閾值為10mA/m。普通民眾頭部和軀體的暴露電場閾值為0.4V/m，感應電流密度閾值為2mA/m。另外，由于中樞神經系統是人體神經系統的主體部分，為防止對其造成損害。故該委員會對中樞神經系統的暴露電場和感應電流密度做出了嚴格的規定，對于50Hz工頻電磁場，電網工作人員中樞神經系統暴露電場閾值為100mV/m，感應電流密度閾值為10mA/m2。普通民眾中樞神經系統暴露電場閾值為20mV/m，感應電流密度閾值為2mA/m2。由于社會對電能需求的不斷增加，近幾年，我國正大力發展1000kV及其以上特高壓輸電，這對于國家的“西部大開發”、“全國聯網”等戰略有著至關重要的作用。同時，由于特高壓輸電建設的加快，其輸電線路對附近人體和環境造成的影響也逐漸被關注。國內外不少學者對于特高壓輸電線路桿塔附近的電磁場進行了研究，也有一些學者探究特高壓輸電線路產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，比較接近實際的考慮到導線的弧垂也比較少[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來考慮[13]，這與實際不相符。本研究采用較貼合真實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際檔距，對人體進行了較合理實際的建模，并將帶弧垂特高壓輸電線路對人體產生的電場效應與理想直導線的仿真結果進行對比，而后將兩者與ICNIRP標準中的電磁暴露限值進行比較，對我國特高壓輸電線路附近的電磁輻射進行科學的評估，同時也能為我國的特高壓電磁輻射防護標準的制定作參考。

1原理與模型

1.1原理

研究電磁學問題，首先需要電磁學的基本方程組。人體各個組織和器官屬于電磁場的介質，特高壓輸電線路下方人體產生的感應電場和感應電流密度，與人體的各個組織的電導率、相對介電常數、幾何形狀等都有關系，因此，采取接近實際的人體模型和電磁場參數是很重要的。

1.2Comsol仿真簡介

Comsolmultiphysics是一款大型的高級數值仿真軟件。廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，模擬科學和工程領域的各種物理過程。Comsolmultiphysics是以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程或者偏微分方程組來實現真實物理現象的仿真，用數學方法求解真實世界的物理現象。本次采用Comsolmultiphysics的AC/DC模塊中的EC(Electriccurrent)物理場來進行求解，取人體腳面與空氣域底面接地，空氣域最外圍為電絕緣。計算機內存為12G，帶弧垂仿真模型剖分網格自由度為1074531，計算時間約40min，直導線仿真模型剖分網格自由度為974607，計算時間約32min。

1.3模型

1.3.1人體模型

設人體單個組織內部的介質是均勻分布的。人體在50Hz條件下各個組織的電導率和相對介電常數[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，各相導線對地電壓有效值為I（10001.05）/3約為606.2kV。導線采用六分裂LGJ-630/45型，子導線直徑為33.6mm，分裂間距為0.4m。特高壓輸電線路桿塔如圖2所示。針對經過比較平坦地區的特高壓輸電線路，實際檔距能達到300~500m左右[15-16]，取一段檔距為400m，并做出以下規定[17]：(1)特高壓輸電線路兩端懸掛點等高。(2)計算只考慮線路主體部分，而不考慮桿塔、絕緣子等物體產生的電磁場。(3)架空輸電線路是理想的柔性導線，只承受軸向拉力。(4)架空輸電線路荷載沿導線均勻分布。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為導線水平應力(MPa)；為導線比載(MPa/m)，L為檔距(m)，H為懸掛點高度(m)。氣象條件[20-21]選晴天、無冰、風速小于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)相比理想中的直導線，實際中導線的最大弧垂為10.733m。

2結果

2.1電場強度

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生很大的電場，遠高于同一高度空氣中的電場強度。原因是由于處在電場中的人體端部會聚集大量的電荷產生的極性效應的緣故。電場強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。左為實際中的弧垂導線（達到64kV/m），右為理想直導線（達到53.1kV/m），以下皆同。而在人體內部，其電場強度遠小于人體表面的電場強度，原因是人體機體組織擁有比較大的介電常數等，對電場起了衰減作用。人體內部電場強度比較大的地方，則在組織關節的連接處（左達到0.105V/m，右達到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。可以發現人體頭部縱向看，電場強度最大值位于顱骨位置，并且集中于中間，頭部電場強度最大值分別達到21、17.4mV/m。頭皮部分電場強度最大值位于與頸部接觸附近。顱骨部分電場強度最大值位于中心位置。腦組織部分電場強度最大值分別達到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，頭部電場強度最大值位于腦組織中心部分，分別達到3.9、3.23mV/m，神經中樞位置電場強度達到最大值。電場強度大小依次為腦組織中間部分、顱骨、腦組織外側部分和頭皮。

2.2感應電流密度

2.2.1人體感應電流密度

在特高壓輸電線路下方的人體內部產生感應電流。電流密度大小，則與人體機體組織的電導率、幾何形狀等相關。人體的感應電流密度分布如圖10所示，感應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，最大值分別達到了7.01、5.71mA/m2，其他，則感應電流密度較大值都位于機體組織的連接處、尖端處，也是由于極性效應產生的效果。

2.2.2頭部感應電流密度

人體頭部頭皮電導率比較大，感應電流密度比較大。而最大值則位于頭皮與頸部連接的地方，如圖11所示，顱骨縱切面感應電流密度分布如圖12所示，腦組織縱切面感應電流密度分布如圖13所示。頭皮與頸部連接位置的感應電流密度最大值分別達到5.53、4.45mA/m2，顱骨感應電流密度最大值集中于顱骨下部中間位置，最大值分別達到0.48、0.399mA/m2。，其最大值集中于腦組織下方中心軸位置，最大值達到0.483、0.401mA/m2。在頭部中心位置取水平切面，頭部感應電流密度分布見圖14。腦組織感應電流密度分布見圖15。可以看到，在頭部水平切面，頭皮的感應電流密度最大，其次為腦組織，顱骨。因為頭皮的電導率在3層頭模型中最大，頭皮感應電流密度最大值分別達到了1.35、1.12mA/m2。而腦組織中樞神經系統的感應電流密度較大值部分，集中在腦組織中間位置，分別達到了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生的電場效應仿真結果整理，如表2所示。

3討論

本文分析了在較實際情況下帶弧垂導線和理想直導線的1000kV級特高壓交流輸電線路對其下方人體的電效應，得出以下結論：特高壓交流輸電線路下方，由于人體幾何形狀的不規則以及各組織的介電常數和電導率之間的不同，人體內部的電場和感應電流分布是不均勻的，同時在極性效應的作用下，人體表面附近的電場強度遠大于人體內部的電場強度，最大相差數量級達到105以上，電場較大值集中于人體頭部表面，其次是手臂附近。在人體內部，在一些關節連接處及其端部，電場也比較大，軀體的電場強度大于頭部的電場強度。對于3層頭部，感應電場最大值集中于頭部下方顱骨位置。整個頭部，頭部下方的感應電場普遍比頭部上方的大。感應電流密度方面，軀體的感應電流密度比頭部大，腿部感應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。頭部感應電流密度較大值位于頭皮。實際情況中帶弧垂導線比理想直導線在人體內的電場強度和感應電流密度大小方面大約高出17%~19%。與ICNIRP限值相比較，電場強度方面：人體最大電場強度位于腳與腿連接處，為導則普通民眾限值的1/4左右；腦組織下部電場強度不到導則中普通民眾CNS限值的1/2，故實際CNS中的感應電場強度則更小。感應電流密度方面：對專業人員，人體各部位均未超過導則中專業人員的感應電流密度限值。對普通民眾，對于頭部，頭皮與頸部連接處附近則超過了ICNIRP規定的普通民眾限值，頭部顱骨、腦組織感應電流密度則低于導則中普通民眾限值的1/4，故CNS中的感應電流密度則更小；而軀體和人體的的腿部下方感應電流密度則超過了ICNIRP規定的普通民眾限值。檔距為400m的三維帶弧垂輸電線路和理想直導線以及比較真實的人體模型能夠比較真實的反應特高壓交流輸電線路對人體的電場效應狀況，帶弧垂特高壓輸電線路在人體各組織產生的電場和感應電流密度均較理想直導線線路下要高，兩種類型特高壓輸電線路所產生的電磁輻射對專業人員是安全的，對普通民眾應注意適當的防護。本研究結果能夠比較真實的反應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，需對人體進行更加詳細地分析。

參考文獻：

1馮玉,白文芳,許偉成,等.低頻電磁場促進骨髓間充質干細胞移植修復大鼠脊髓損傷的實驗研究[J].中國組織工程研究,2013,17(32):5819-5826.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.32.012.

2周文穎,逯邁.地鐵高頻電磁輻射的安全評估[J].輻射研究與輻射工藝學報,2016,34(1):010601.DOI:10.11889/j.1000-3436.2016.rrj.34.010601.

4林錦文,劉合,張杰,等.電磁脈沖對大鼠心臟和肝臟損傷及修復的影響[J].輻射研究與輻射工藝學報,2015,33(6):060201.DOI:10.11889/j.1000-3436.2015.rrj.33.060201.

5王椏男,梅勇.工頻電磁輻射對小學生健康指標的影響研究[D].武漢:武漢科技大學,2014:1-45.

7徐倩,曹毅.極低頻電磁場與兒童白血病關系的研究進展[J].中國輻射衛生,2009,18(2):243-245.

10馬愛清,王淑情,張綺華,等.高壓交流輸電線路暴露場強限值下人體感應電場和感應電流分析[J].高電壓技術,2015,41(5):1637-1643.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2015.05.030.

11陳博棟,逯邁,陳小強,等.特高壓交流輸電線路對人體電場效應的對比分析[J].輻射研究與輻射工藝學報,2014,32(6):060501.DOI:10.11889/j.1000-3436.2014.rrj.32.060501.

13王青于,楊熙,廖晉陶,等.特高壓變電站人體工頻電場暴露水平評估[J].中國電機工程學報,2014,34(24):4187-4194.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.24.024.

15莊曉云,李永明.交流1000kV輸電線工頻電磁場與輸送功率及其影響因素研究[D].重慶:重慶大學,2012:1-69.

16文武,彭磊,張小武,等.特高壓大跨越架空線路三維工頻電場計算[J].高電壓技術,2008,34(9):1821-1825.

17張家利,姜震,王德忠.高壓架空輸電線下工頻電場的數學模型[J].高電壓技術,2001,27(6):20-22.DOI:10.3969/j.issn.1003-6520.2001.06.009.

18羅楊,汪泉弟.超高壓輸電線下建筑物鄰近區域三維工頻電場仿真計算[D].重慶:重慶大學,2012:1-66.

20孟遂民,孔偉.架空輸電線路設計[M].北京:中國電力出版社,2007:57-59.

21董海魏,王玲桃.不同氣象條件下特高壓輸電線路工頻電場[J].現代電子技術,2014,37(22):146-149.DOI:10.3969/j.issn.1004-373X.2014.22.042.

作者:張利航 逯邁 陳小強 侯立偉 單位:蘭州交通大學自動化與電氣工程學院 蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室