麻煥成，林曉煥,曹雯，申巍，汪通，王洋

(1.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安市710048; 2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安市710054; 3.電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，西安市710049)

750 kV交流輸電線下人體的工頻電場效應(yīng)分析

麻煥成1，林曉煥1,曹雯1，申巍2，汪通1，王洋3

(1.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安市710048; 2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安市710054; 3.電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，西安市710049)

隨著輸電線路電壓等級的不斷提高，工頻電磁場問題越來越受到人們的關(guān)注。分析了750 kV輸電線路下簡化人體模型的電場效應(yīng)，構(gòu)建了雙手下垂、雙手上舉、撐傘以及行走的人體模型，比較了不同姿勢下人體感應(yīng)電場的分布情況。以雙手下垂模型為例，研究了架空輸電線離地高度對人體電場效應(yīng)的影響。仿真計算結(jié)果表明，人體的存在會使其所在空間的電場分布發(fā)生畸變，人體姿勢的改變會影響感應(yīng)電場的分布情況，局部場強(qiáng)最大值總是出現(xiàn)在人體輪廓的尖端部位，導(dǎo)線離地高度越大，其下方人體的感應(yīng)電場值越小。不同姿勢下人體模型的局部場強(qiáng)最大值在允許的數(shù)值范圍之內(nèi)，750 kV超高壓輸電線路的工頻電場不會對人體健康造成危害。

750 kV；工頻電場；仿真計算；有限元法(FEM)；人體模型

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對電力的需求越來越大。高壓、特高壓交流輸電網(wǎng)絡(luò)在我國相繼出現(xiàn)，目前已形成以1 000 kV交流特高壓和750、500 kV超高壓線路為主骨架，結(jié)合 220、110 kV高壓交流輸電線路的電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1-3]。交流電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，導(dǎo)致有些高壓、超高壓輸電走廊不可避免地經(jīng)過居民區(qū)。在人們追求健康的背景下，公眾的環(huán)境質(zhì)量意識不斷增強(qiáng)，電磁場作為一種抽象的物質(zhì)開始逐漸被人們所認(rèn)識[4-6]。輸電線路的高場強(qiáng)會導(dǎo)致感應(yīng)電荷，一些人會感覺到毛發(fā)直立或皮膚有刺激感、不適感，甚至在有些情況下人體會與其他物體間產(chǎn)生放電，引起明顯的刺痛感[7-9]。這些現(xiàn)象在不同程度上引起了許多普通居民的不安與恐慌，出于自身健康的考慮，公眾會阻止電力建設(shè)部門從自己的居住處架設(shè)輸電線，使電網(wǎng)建設(shè)無法順利進(jìn)行。

可見，應(yīng)對高壓輸電線路下人體的電場效應(yīng)問題進(jìn)行深入研究，以解答公眾心中的疑慮和推進(jìn)電網(wǎng)的順利發(fā)展。文獻(xiàn)[6]分析了人體直立和行走2種模型的電場效應(yīng)，給出了±800 kV直流輸電線離地的平均高度，但作者所建的二維模型太粗糙，對人體姿勢的建模過于單一。文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了人體的二維模型，分析了2種不同姿勢下的人體感應(yīng)電壓和感應(yīng)電荷量，但其忽略了對人體感應(yīng)電場的分析，所建模型又過于簡單，與真實(shí)情況相比誤差較大。文獻(xiàn)[11]分析了人體接地與否2種情況下的感應(yīng)電場以及感應(yīng)電流分布情況，但沒有研究導(dǎo)線離地高度對人體電場的影響。

本文以實(shí)際運(yùn)行的750 kV架空輸電線路為對象，在前人研究的基礎(chǔ)上，建立多個不同姿勢的三維人體模型，細(xì)化人體各個部位的參數(shù)，彌補(bǔ)前人二維模型的不足。詳細(xì)分析人體雙手上舉、行走、撐傘等不同姿勢下的電場效應(yīng)問題。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析導(dǎo)線離地高度不同時，人體的局部場強(qiáng)分布情況。希望為我國高壓輸電線路的電磁暴露問題提供數(shù)據(jù)，也希望為推進(jìn)我國電網(wǎng)建設(shè)提供幫助。

1 仿真計算理論

人站立在特高壓和超高壓輸電線路下，身體各部位會有感應(yīng)電荷、感應(yīng)電流和感應(yīng)電場產(chǎn)生，其大小不僅與人體各器官的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)有關(guān)，而且與人體的姿勢有關(guān)。仿真計算出的電勢經(jīng)過處理，可以得到感應(yīng)電荷密度、感應(yīng)電流密度、感應(yīng)電場強(qiáng)度等一系列物理參數(shù)。本文重點(diǎn)分析人體感應(yīng)電場，所采用的有限元算法(finite element method， FEM)是基于麥克斯韋方程而得[6]，其經(jīng)典推導(dǎo)公式如下。

在相同介質(zhì)中：

D=εE

(1)

微分形式的基本方程為

J=γE

(2)

E=-▽φ

(3)

▽E=0

(4)

(5)

式(1)～(3)中：D為電位移矢量；ε為介電常數(shù)；E為電場強(qiáng)度；J為電流密度；γ為電導(dǎo)率；φ為電位。

將式(1)、(2)、(3)代入(5)，得電場控制方程為

(6)

在兩不同導(dǎo)電媒質(zhì)分界面上，由電位函數(shù)φ表示的銜接條件為：

φ1=φ2

(7)

(8)

式中ρs為分界面分布的自由電荷面密度。

根據(jù)以上基本方程和邊界條件即可解出各點(diǎn)的電勢值，進(jìn)而可以算出電場強(qiáng)度等一系列物理參數(shù)的值。

2 仿真計算模型

2.1 導(dǎo)線等效計算模型

工程應(yīng)用中750 kV輸電線路的桿塔高達(dá)60 m，采用的是六分裂導(dǎo)線，這些數(shù)據(jù)在進(jìn)行仿真計算時占用了很大的計算機(jī)內(nèi)存。為了節(jié)省計算機(jī)資源，搭建模型時省略了桿塔、絕緣子串、金具等，用與等效半徑相等的單根導(dǎo)線代替六分裂導(dǎo)線。本文以6×LGJ-500/65型的輸電線為研究對象，其中子導(dǎo)線直徑為30.96mm，分裂導(dǎo)線間距為0.35m，A、B、C相兩兩相距12m。文獻(xiàn)[10]中已證明了當(dāng)導(dǎo)線長度大于16m時，電場的計算結(jié)果已接近實(shí)際測量值。本文所建模型導(dǎo)線長度均取24m，且忽略導(dǎo)線弧垂的影響，導(dǎo)線上賦以各相電壓的峰值，相位差為120°、頻率為50Hz，取地面為零電位。圖1所示為六分裂導(dǎo)線的等效模型。

圖1 六分裂導(dǎo)線等效半徑示意圖

分裂導(dǎo)線等效半徑計算公式[9]：

(9)

式中：n為導(dǎo)線的分裂數(shù)；r為子導(dǎo)線的半徑；R為輸電線分裂半徑。

根據(jù)式(9)可得出該六分裂導(dǎo)線的等效半徑為0.8 m。

2.2 人體模型和計算參數(shù)設(shè)定

本文根據(jù)人體的實(shí)際尺寸建立模型，各部分肢體都是由常見的多面體構(gòu)成。其中，頭部由半徑分別為0.086，0.093和0.110 m的3個球體組成，分別代表人體的大腦、顱骨以及頭皮；脖頸由半徑為0.052 m，高為0.052 m的圓柱體組成；雙肩由長為0.17 m，寬為0.17 m，高為0.12 m的2個長方體組成；上身由長為0.15 m，寬為0.17 m，高為0.65 m的長方體和2個半徑為0.085 m的半圓柱體拼接而成；胳膊由頂面半徑為0.06 m，底面半徑為0.025 m的2個平頂圓錐體組成；腿由頂面半徑為0.12 m，底面半徑為0.04 m的2個平頂圓錐體組成；腳由長為0.240 m，寬為0.086 m，高為0.040 m的長方體和半徑為0.043 m，高為0.040 m的半圓柱拼接而成；人體總身高為1.8 m。圖2為不同姿勢的人體三維模型和人體行走的網(wǎng)格剖分模型，為了保證計算的精確度，剖分時采取特別細(xì)化。

圖2 人體模型

在工頻電場下，人體的相對介電常數(shù)不均勻，在105～5×107之間變化。這里假設(shè)模型中各個肢體模塊是各向同性的均勻電介質(zhì)，人體各組織的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)如表1所示[10]。

表1 人體模型中各組織參數(shù)

Table 1 Various tissue parameters of human body model

3 仿真結(jié)果分析

3.1 人體周圍電位、電場分布

圖3、4分別為站立在輸電線正下方，人體周圍的電勢、電場分布云圖。計算時取導(dǎo)線離地面的高度為25 m，由圖3的計算結(jié)果可知，與周圍空氣中的電位變化相比，人體電位基本沒發(fā)生變化，整個人體模型的電位與大地電位相等；因此，可將人體與大地看成是等電位的。人體與空氣的電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)不同，二者的這2個參數(shù)相差較大，在相對介電常數(shù)差值較大的2個物體接觸面附近，電場分布會發(fā)生畸變。由圖4可知，人體內(nèi)部場強(qiáng)與部分皮膚表面的場強(qiáng)相差了近3個數(shù)量級；人體的存在使周圍的電場分布發(fā)生了畸變，從頭頂沿身體向下到手指，人體周圍空氣中的電場變化較明顯，離人體較遠(yuǎn)的空間電場變化較小。其中，人體的整個頭部、雙肩及兩手臂的外側(cè)電場明顯增大，局部尖端最大值達(dá)到了20 kV/m，但這一數(shù)值與人體皮膚感知的交流電場值240 kV/m相比非常小，對人體健康沒有任何影響[12]。人體脖頸處及雙臂的下部電場強(qiáng)度較小，幾乎沒有發(fā)生變化。這是因?yàn)槿梭w的頭部和雙肩相對于其他部位較為凸出，其余部位相對凹陷，凸出的頭部和肩部對其余部位起到了屏蔽作用。由計算結(jié)果可知，離地面高1.5 m處的場強(qiáng)值均在2 kV/m以下，明顯小于國際非電離輻射防護(hù)委員會(ICNIRP)規(guī)定的4 kV/m，人體完全處在一個安全的環(huán)境內(nèi)。

圖3 人體周圍電勢分布云圖

圖4 人體周圍電場分布云圖

3.2 人體不同姿勢對電場效應(yīng)的影響

人從輸電線路下經(jīng)過時，身體會有不同的姿勢，本文仿照人體實(shí)際動作，建立了雙手上舉、撐傘、行走3種不同的計算模型，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 人體不同姿勢時的電場分布云圖

由圖5可知，人體處于不同的姿勢時會對身體附近的電場畸變產(chǎn)生一定的影響。人體雙手上舉時，身體表面的場強(qiáng)最大值出現(xiàn)在手掌附近。這是因?yàn)槭直凵吓e等于拉近了身體對導(dǎo)線的距離，手掌處在整個人體尖端的最高處，其會感應(yīng)出大量的正電荷，因此整個手掌附近的場強(qiáng)值最大。與圖4雙手下垂相比，場強(qiáng)最大值從頭部轉(zhuǎn)移到了手掌，頭部場強(qiáng)由原來的18 kV/m減小為8 kV/m，由于上舉的雙手使得雙肩不再是身體的尖端部位，故雙肩處的場強(qiáng)值由原來的16 kV/m減小到6 kV/m，因少了雙臂的蔽護(hù)，人體上身外側(cè)的場強(qiáng)值為5 kV/m，較原來有所增加。人的一只手臂上舉撐傘時，向上凸出的傘桿和手臂一起組成了模型的尖端部位，再加上傘桿是由金屬材料構(gòu)成，這些因素致使撐傘手臂附近的場強(qiáng)值最大，達(dá)到280 kV/m，是圖4中最大值的14倍。由于傘的蔽護(hù)，其正下方和另一只手臂內(nèi)側(cè)的電場強(qiáng)度與圖4中相比沒有發(fā)生變化。由圖5(c)的計算結(jié)果可以看出，當(dāng)人體行走時頭部和雙肩的電場畸變情況與圖4中的計算結(jié)果比較相似，場強(qiáng)值幾乎沒有發(fā)生大的變化。這是因?yàn)槿梭w走動時身體凸出部位對導(dǎo)線的高度幾乎不變，人的手臂雖然有擺動但其仍能對雙肩以下的身體部位形成蔽護(hù)。因此，人體走動與人體雙臂下垂2種情況下的電場分布基本一樣。

圖6為人體各種姿勢下頭顱附近的橫切面電場分布云圖。從圖中可以看出，各種姿勢下人體頭顱內(nèi)部的場強(qiáng)值基本都為0，頭皮表面附近的場強(qiáng)值差別較大。其中，人體雙手下垂和行走模型的頭部電場分布較為相似，基本均勻?qū)ΨQ分布，最大值約為15 kV/m。雙手上舉模型的頭部電場值相對較小，最大值出現(xiàn)在人體的前額和后腦附近，為8 kV/m左右。兩耳附近空氣中的電場值幾乎沒有發(fā)生變化，因?yàn)樯吓e的雙手蔽護(hù)了這些部位，使得頭部與手臂之間成了凹區(qū)，頭部才會出現(xiàn)前后場強(qiáng)大，左右場強(qiáng)小的情況。同樣，人體撐傘時，上舉手臂與頭部之間的凹區(qū)場強(qiáng)值較小，而其他部位的場強(qiáng)值因傘桿金屬材料的介入而變得很大，最大值達(dá)到了150 kV/m，是圖中6(a)、6(d)模型最大值的10倍。不過，這一場強(qiáng)值仍小于人體皮膚感知的交流電場值240 kV/m，人體仍然處在一個健康、安全的環(huán)境之中。

圖6 頭部感應(yīng)電場分布云圖

3.3 導(dǎo)線離地高度對人體電場效應(yīng)的影響

《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中明確指出，750 kV交流架空輸電線經(jīng)過公路時，其對地的垂直距離不得小于19.5 m。輸電導(dǎo)線距地面的垂直距離不同，地面上方1.5 m處的空間電場值就會有所不同。在架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)范內(nèi)，本文以站立在輸電導(dǎo)線正下方雙手下垂的人體模型為例，研究導(dǎo)線對地垂直距離變化時人體感應(yīng)電場的變化情況。圖7為導(dǎo)線距地面高度分別為20，22，24，26 m時，人體各個部位的場強(qiáng)分布情況，圖8中標(biāo)出了模型中各個測量點(diǎn)的具體位置。

由圖7可以看出導(dǎo)線離地面高度變化時，人體各部位電場的分布規(guī)律大致相同。頭頂、耳朵、脖頸、肩膀4處的場強(qiáng)測量值在脖頸處驟然下降，這是脖頸相對凹陷的緣故。其中，頭、耳、肩3處的場強(qiáng)值較大，腿部的場強(qiáng)值較小，腳部的場強(qiáng)值基本接近于0。隨導(dǎo)線離地面高度的增加，身體各部位的感應(yīng)電場值卻有所減小。其中，頭、耳、肩3處的變化最為明顯。當(dāng)導(dǎo)線離地高度從20 m增加到22 m時，頭部場強(qiáng)值從65 kV/m減少到47 kV/m，減小了28%；增加到24 m時，場強(qiáng)值減少到27 kV/m，減少了62%；繼續(xù)增加到26 m時，場強(qiáng)值變?yōu)?5 kV/m，減少了77%。耳朵和肩膀處的感應(yīng)電場變化幅度與頭頂處的變化幅度相當(dāng)。肩膀以下各部位的電場值也相應(yīng)有所減小，但減小的幅度沒有頭、耳等部位處的大。導(dǎo)線離地面高度的增加，使距地面相同高度處的空間電場值減小，當(dāng)有人體佇立在空間場強(qiáng)區(qū)時，人體表面的感應(yīng)電場值也會相應(yīng)減小。由上述分析結(jié)果可以看出，在導(dǎo)線對地垂直高度大于20 m時，人體的感應(yīng)電場都在安全范圍之內(nèi)，人體所處的空間環(huán)境是十分安全的。通過對以上數(shù)據(jù)的比較分析，建議電力建設(shè)部門在架設(shè)導(dǎo)線時要保證離地面1.5 m處的未畸變電場值不得超過4 kV/m，在進(jìn)行線路設(shè)計時控制好此數(shù)值，以減小人體感應(yīng)電場，消除公眾疑慮。

圖7 導(dǎo)線距地面不同高度時人體各部位電場值

圖8 人體感應(yīng)電場測量點(diǎn)

4 結(jié) 論

(1) 人站立于750 kV超高壓交流輸電線下，身體會使周圍空氣中的電場發(fā)生畸變，局部場強(qiáng)最大值主要集中在頭、耳及雙肩3處。仿真結(jié)果表明，感應(yīng)場強(qiáng)最大值遠(yuǎn)小于人體皮膚的感應(yīng)值。

(2) 人體處于不同姿勢時，體表的感應(yīng)電場分布會發(fā)生變化。其中，雙手上舉和撐傘時，場強(qiáng)最大值分別出現(xiàn)在高舉的手掌和金屬傘骨附近。特別是人體撐傘時，因?yàn)橛薪饘俚拇嬖冢瑐愎歉浇膱鰪?qiáng)最大值是原來的14倍之多。因此，建議不要在輸電線路下?lián)蝹恪?/p>

(3) 隨導(dǎo)線距離地面高度的增加，人體感應(yīng)電場值相應(yīng)有所減小。電力建設(shè)部門在設(shè)計輸電線路時，要保證離地面1.5 m處的未畸變電場值不得超過4 kV/m。

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(編輯 張小飛)

Power Frequency Electric Field Effect on Human Body in 750 kV AC Transmission Lines

MA Huancheng1, LIN Xiaohuan1, CAO Wen1, SHEN Wei2, WANG Tong1, WANG Yang3

(1. School of Electronic Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Shaanxi Electric Power Company, Xi’an 710054, China; 3. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

With the continuous improvement of the voltage level of transmission line, people pay more and more attention to the power frequency electromagnetic field problems. This paper analyzes the power frequency electric field effects of simplified human body model in 750kV AC transmission lines. In order to compare the distribution of induced electric field of human body with different postures, prolapsing and lifting of hands, taking an umbrella and walking human body model is built. Taking both hands prolapse model as an example, we study the influence of the height from the ground to the overhead transmission line on human electric field effect. The simulation calculation results show that the existence of human body will change the distribution of the electric field near the ground. There will be the maximum local field strength near the head, ear and shoulder of human body. The change of body posture will affect the distribution of induced electric field and the maximum local field strength always appears in the contour parts of human body. The higher the wire above the ground is, the smaller the electric field value on human body is. It can be concluded that the maximum local field strength of human body model in different postures is still within the numerical range of health and the power frequency electric field of 750 kV UHV transmission line won’t cause harm to human body health.

750 kV; power frequency electric field; simulation calculation; finite element method (FEM); human body model

西安工程大學(xué)博士科研啟動基金資助項(xiàng)目(BS1338)

TM 81; TM 75

A

1000-7229(2016)01-0050-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.008

2015-07-22

麻煥成(1989)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù);

林曉煥(1964)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)遠(yuǎn)動及調(diào)度自動化;

曹雯(1983)，女，講師，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù);

申巍(1983)，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)榻^緣劣化與絕緣檢測;

汪通(1989)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮迂?fù)載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

The Project is supported by the Doctoral Scientific Research Foundation of Xi’an Polytechnic University (BS1338)