田 瑞

(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，甘肅 蘭州 730070)

特高壓交流輸電線路下人體遭受輻射的評(píng)估

田 瑞

(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，甘肅 蘭州 730070)

應(yīng)用有限元分析方法計(jì)算了1 000 kV特高壓交流水平輸電線路下方人體模型內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)效應(yīng)，對(duì)比了輸電線路下方人體雙腳接觸地面和人體雙腳與地面絕緣2種情況下，人體模型內(nèi)部感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流密度的分布;并計(jì)算了人體雙腳與地面絕緣情況下，導(dǎo)線距地不同高度時(shí)人體模型內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流密度的最大值。該研究結(jié)果以期能較真實(shí)地反映特高壓交流輸電線路下方人體遭受輻射的情況。

工頻電場(chǎng)；有限元法；電磁暴露；感應(yīng)電場(chǎng)；輻射

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)電力的需求越來越大，特高壓輸電線路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，特高壓輸電已成為我國(guó)電力傳輸不可或缺的方式。2014年“兩交一直”特高壓輸電線路開建，是我國(guó)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃12條重點(diǎn)輸電通道中首批獲得開工建設(shè)的項(xiàng)目，標(biāo)志著特高壓電網(wǎng)全面進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段。特高壓輸電網(wǎng)具有送電距離長(zhǎng)、損耗小、節(jié)省土地資源、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)。

特高壓交流輸電線路輸送1 000 kV，50 Hz交流電，在輸電線路周圍會(huì)產(chǎn)生工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)以及電暈放電等電磁現(xiàn)象，50 Hz的工頻電磁場(chǎng)屬于極低頻電磁場(chǎng)。在低頻電磁場(chǎng)中，人體作為一種良導(dǎo)體會(huì)擾亂外部電場(chǎng)的分布，感應(yīng)電荷會(huì)匯集在人體表面，同是會(huì)在人體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)、感應(yīng)電流，所以暴露在低頻電場(chǎng)中的人體由于表面感應(yīng)電荷效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生生物響應(yīng)。

以1 000 kV單回路特高壓交流輸電線路為研究對(duì)象，仿真計(jì)算輸電線路下方人體雙腳與地面良好接觸和人體與地面絕緣時(shí)人體內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)和感應(yīng)電流密度，以及計(jì)算在人體與地面絕緣情況下，導(dǎo)線距離地面多遠(yuǎn)時(shí)，人體內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)超過ICNIRP(國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì))給定的公眾和職業(yè)暴露參考值。

1 原理與模型構(gòu)建

1.1 原理

在實(shí)際情況中，研究者無法在技術(shù)上采用非侵入式(非傷害式)的測(cè)量方法直接得到人體內(nèi)不同組織受到電磁暴露后的感應(yīng)電磁場(chǎng)分布，所以基于有限元數(shù)值仿真法是獲得人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)、感應(yīng)電流密度分布的有效方法。

以下僅研究工頻電場(chǎng)對(duì)人體的輻射情況，工頻電場(chǎng)是頻率為50 Hz的電場(chǎng)，也稱電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。在電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)下，忽略二次源的效應(yīng)，即 B/t=0，因此麥克斯韋方程組微分形式為：

在上式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；J為電流密度，A/m2；D為電通量密度，C/m2；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；ρ為電荷體密度，C/m3；B為磁通量密度，T。

1.2 輸電線路和人體模型建立

在COMSOL5.1軟件中ACDC模塊內(nèi)建立二維單塔單回路水平方式特高壓輸電線路模型，導(dǎo)線距地面高度為48.3 m，2相距離為9 m，人體頭頂距地面高度為1.75 m。在模型外設(shè)置1層空氣隙，空氣隙寬100 m，高65 m；再在空氣隙外層取1層厚度為5 m的無限元，作為無限大空間條件。

人體模型采用國(guó)際上通用的身高為1.75 m的二維站立的人體模型，人體的頭部模型采用3層人頭模型，其中頭皮半徑為0.092 m、顱骨半徑為0.087 m、大腦半徑為0.082 m，人體位于特高壓輸電線路正下方。

模型構(gòu)建完成后，ec接口內(nèi)分別給3根導(dǎo)線加載電壓激勵(lì)。電壓為有效值1 000 kV，相位差120°，頻率50 Hz的三相電壓。選取土壤(大地)為零電勢(shì)。根據(jù)意大利國(guó)家研究委員會(huì)應(yīng)用物理研究所提供的50 Hz下人體各組織的介電參數(shù)(介電常數(shù)和電導(dǎo)率)對(duì)人體材料進(jìn)行選取。50 Hz下人體組織的介電參數(shù)如表1所示，其中大腦的介電參數(shù)取腦脊液、腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)這3種組織的平均值，軀干的介電參數(shù)取肌肉、骨骼和脂肪這3種組織的平均值。

表1 50 Hz下人體組織的介電參數(shù)

2 結(jié)果及分析

2.1 人體雙腳與地面良好接觸

人體雙腳與地面良好接觸(赤腳)時(shí)，人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度、感應(yīng)電流密度如圖1，2所示。由圖1可以看出，人體處在低頻電場(chǎng)時(shí)，人體表面出現(xiàn)感應(yīng)電荷，這些感應(yīng)電荷在人體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)。在人體頭頂處的感應(yīng)電場(chǎng)最大，為2.51 kV/m；最小值出現(xiàn)在手指處，為2.65×10-3kV/m。人體的肩部感應(yīng)電場(chǎng)也很大，肩部感應(yīng)電場(chǎng)的最大值為1.15 kV/m。

從圖2可以看出，感應(yīng)電流密度最大出現(xiàn)在大腦與頸部的連接處，為53.2 μA/m2；最小處出現(xiàn)在軀干部位，為3.03×10-7μA/m2。

2.2 人體雙腳與地面絕緣

人體雙腳與地面絕緣(穿鞋)情況下，人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)、感應(yīng)電流密度分布的情況如圖3，4所示。由圖3可以看出，人體頭頂處感應(yīng)電場(chǎng)最大，為2.41 kV/m；手指處最小，為2.91×10-3kV/m。對(duì)比穿鞋與赤腳的情況下，頭頂部位感應(yīng)電場(chǎng)在數(shù)量級(jí)上沒有變化，僅僅只是在鞋底部分感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度有明顯差異，穿鞋時(shí)人體鞋底感應(yīng)電場(chǎng)值為1.53 kV/m，為赤足時(shí)腳底感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的1.1倍。

圖1 雙腳與地面接觸時(shí)感應(yīng)電場(chǎng)

圖2 雙腳與地面接觸時(shí)感應(yīng)電流密度

由圖4可以看出，當(dāng)人體穿鞋時(shí)感應(yīng)電流密度的最大值出現(xiàn)在大腦與頸部的連接處，為50.9 μA/m2；感應(yīng)電流最小值出現(xiàn)在軀干處，為2.96×10-7μA/m2。對(duì)比圖2和圖4可以看出，無論是穿鞋還是赤足站在大地上，人體內(nèi)感應(yīng)電流密度最大值均出現(xiàn)在大腦和頸部連接處，并且2種情況下感應(yīng)電流密度的數(shù)量級(jí)相同。

通過仿真計(jì)算人體雙腳與地面接觸和人體雙腳與地面絕緣情況下的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流密度，得到的結(jié)果是：在這2種情況下，|E|max和|J|max均小于ICNIRP導(dǎo)則提供的50 Hz頻率電場(chǎng)公眾暴露的參考值5 kV/m，2×10-3μA/m2。

圖3 雙腳與地面絕緣時(shí)感應(yīng)電場(chǎng)

圖4 雙腳與地面絕緣時(shí)感應(yīng)電流密度

2.3 導(dǎo)線距地面不同高度時(shí)人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)分布

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW/153— 2006《1 000 kV架空送電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》中，對(duì)最大弧垂情況下導(dǎo)線距地面最小距離的要求(見表2)，計(jì)算了導(dǎo)線下方人體與地絕緣時(shí)人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流密度分布情況。得到了導(dǎo)線距地面19—27 m時(shí)人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流密度的最大值，結(jié)果如表3所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的導(dǎo)線距地面最小距離

表3 不同對(duì)地高度下人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流密度最大值

由表3可看出，導(dǎo)線距地高度越大，即導(dǎo)線離人體越遠(yuǎn)，人體感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值越小，感應(yīng)電流密度最大值也越小。值得注意的是，當(dāng)導(dǎo)線距地面26 m時(shí)，人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值超過ICNIRP推薦的公眾暴露的參照水平5 kV/m；當(dāng)導(dǎo)線距地高度為22 m時(shí)，人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值超過ICNIRP推薦的職業(yè)暴露的參照水平10 kV/m。

3 結(jié)論

仿真計(jì)算了導(dǎo)線距地高度為48.3 m時(shí)，1 000 kV特高壓?jiǎn)嗡位芈匪捷旊娋€路下方的人體模型內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)和感應(yīng)電流分布，和滿足標(biāo)準(zhǔn)情況下導(dǎo)線距地高度為19—27 m時(shí)人體內(nèi)|E|max和|J|max，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 人體表面及周圍產(chǎn)生畸變電場(chǎng)，人體頭頂部位感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大，其次是肩部。

(2) 人體內(nèi)感應(yīng)電流密度最大值出現(xiàn)在人頭與頸部連接處，肩部、腋窩、足部和小腿處感應(yīng)電流密度也都大于其他部位。

(3) 對(duì)比人體雙腳與地面接觸和人體雙腳與地面絕緣2種情況下，|E|和|J|的最大值出現(xiàn)的位置沒有發(fā)生改變。當(dāng)雙腳與地絕緣時(shí)，足部的|E|和|J|值大于雙腳與地面良好接觸的情況。

(4) 隨著導(dǎo)線距地高度減小，人體內(nèi)|E|和|J|逐漸增大。當(dāng)導(dǎo)線距地26 m時(shí)，人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值超過ICNIRP推薦的公眾暴露的參照水平；當(dāng)導(dǎo)線距地22 m時(shí)，人體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值超過ICNIRP推薦的職業(yè)暴露的參照水平。

以上研究結(jié)果期望能對(duì)公眾和電力行業(yè)職工的輻射研究起到一定的推動(dòng)作用。

1 王 杰.超高壓及特高壓交流輸電工程電磁環(huán)境的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

2 王建華，文 武，阮江軍.特高壓交流輸電線路工頻磁場(chǎng)在人體內(nèi)的感應(yīng)電流密度計(jì)算分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(13)：7-10.

3 Davis S，Mirick DK，Stevens RG.Residential magnetic fields and the risk of breast cancer[J]. American Journal of Epidemiology，2002，155(5)：446-454.

4 曲 敏，畢卓悅，唐雨萌，等.生物電磁技術(shù)應(yīng)用及其相關(guān)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)策[J].高電壓技術(shù)，2015，41(8)：2 625-2 634.

5 ICNIRP.Guidelines for limiting exposure to timevarying electric and magnetic fields (1 Hz to 100 kHz)[J].Health Physics，2010，99(6)：818-836.

6 馮慈璋，馬西奎.工程電磁場(chǎng)導(dǎo)論[M].北京：高等教育出版社，2000：186-210.

7 Rush S，Driscoll D A.Current distribution in the brain from surface electrodes [J].Anesthesia & Analgesia，1968，47(7)：17-23.

8 國(guó)家電網(wǎng)公司科技部.Q/GDW/153—2006 1 000 kV架空送電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

2016-12-02。

田 瑞(1977—)，女，講師，主要從事電磁兼容方向的研究工作，email：tianrui_2014@126.com。