袁小蘭，田 瑞，逯 邁(光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室(蘭州交通大學(xué))，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

上水工是在高鐵車站股道間專為列車水箱加水的工作人員。上水工需要長時間待在接觸網(wǎng)產(chǎn)生的電磁環(huán)境中進(jìn)行加水作業(yè)，從而可能對其健康造成影響。

電磁環(huán)境與人類生活密切相關(guān)。合理的應(yīng)用電磁能量，可以嘗試改善或治療人類身體的某些疾病。例如：極低頻電磁場可以使早產(chǎn)兒體重增加[1]；反復(fù)經(jīng)顱磁刺激在短期內(nèi)可以緩解風(fēng)濕性疼痛，且對人體是安全的[2]；文獻(xiàn)[3]通過對照組實驗研究發(fā)現(xiàn)高頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激可以有效、安全地治療偏癱性肩疼痛。電磁場給人類帶來益處的同時也可能影響人類的身體健康，例如：文獻(xiàn)[4,5]研究了人類生活或工作中接觸到的電磁場對其身體健康的影響；早在10多年前，文獻(xiàn)[6]通過流行病學(xué)調(diào)查，表明職業(yè)暴露于電磁場患乳腺癌的風(fēng)險會增加；文獻(xiàn)[7]通過兩組真實的人體試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場強度較高時，會給人體健康帶來損害，應(yīng)立刻采取相應(yīng)的干預(yù)措施。

目前，我國高速列車運行速度不斷提高，需要的電力牽引功率也越來越大，從而帶來更多的電磁暴露安全問題。關(guān)于高鐵電磁暴露方面的問題，目前已有的研究主要集中于電磁干擾和電磁噪聲方面[8-11]、接觸網(wǎng)產(chǎn)生的空間電磁場計算方面[12,13]、建筑物和車體對高鐵站臺電磁場屏蔽效果研究方面[14-16]、列車內(nèi)部電磁環(huán)境測試和仿真分析方面[17-19]。關(guān)于人體暴露于高鐵電磁環(huán)境中的安全性問題，已有的研究主要集中于列車工作人員身體健康狀況的調(diào)查方面[20,21]、乘客在乘車過程中受動力電纜電磁輻射的研究方面[22,23]。在仿真真實環(huán)境的研究中，針對高鐵接觸網(wǎng)所產(chǎn)生的工頻電場對上水工的健康影響分析幾乎沒有詳細(xì)研究。

本文利用三維電磁仿真軟件Comsol Multiphysics構(gòu)建上水工暴露于高鐵車站接觸網(wǎng)低頻電磁輻射下的環(huán)境模型，通過計算獲得人體各組織感應(yīng)電場強度和感應(yīng)電流密度，將結(jié)果與國際非電離輻射防護(hù)委員會(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP)導(dǎo)則[24]中職業(yè)暴露基本限值進(jìn)行對比，評估高鐵車站上水工在接觸網(wǎng)低頻電場環(huán)境中作業(yè)的安全性。

2 計算原理

在上水工的工作環(huán)境中，有由25 kV[25,26]接觸網(wǎng)產(chǎn)生的工頻電場，而一列列車的長度遠(yuǎn)小于工頻交流電的波長(6 000 km)，因此，認(rèn)為在上水工的工作環(huán)境中接觸線產(chǎn)生的工頻電場為準(zhǔn)靜態(tài)電場[27]。本文主要研究上水工作業(yè)于高鐵接觸網(wǎng)工頻電場環(huán)境中的安全問題。

當(dāng)人體處于工頻交變電場時，交變電場會與人體發(fā)生相互作用，極化人體內(nèi)的束縛電荷，人體皮膚表面會有感應(yīng)交變電荷，進(jìn)而人體各組織中也會有感應(yīng)電場強度和感應(yīng)電流密度。故要分析工頻電場對上水工的健康影響，就需要獲得低頻電磁劑量學(xué)的研究內(nèi)容，即人體各組織感應(yīng)電場強度和感應(yīng)電流密度。在實際情況中，這些參數(shù)無法通過測量來直接獲得，而采用數(shù)值計算法進(jìn)行計算并獲取這些參數(shù)是可行的。

本文通過Maxwell方程組式(1)～式(5)及電流連續(xù)性定律，求解高鐵車站的空間電場，進(jìn)而獲得工作人員體內(nèi)的感應(yīng)電場強度和感應(yīng)電流密度。

(1)

(2)

▽·B=0

(3)

▽·D=ρ

(4)

(5)

式中，H為磁場強度，A/m；J為電流密度，A/m2；D為電通密度，C/m2；E為電場強度，V/m；B為磁感應(yīng)強度，T；ρ為電荷體密度，C/m3；▽為哈密頓算子。

同時，考慮到50 Hz接觸網(wǎng)所產(chǎn)生的電場為準(zhǔn)靜態(tài)場，所以對式(2)中-?B/?t=0不做考慮。

根據(jù)式(1)～式(7)，通過Comsol 軟件計算出車站及人體的感應(yīng)電場強度和感應(yīng)電流密度分布。

D=ε0εrE

(6)

J=σE

(7)

式中，ε0為真空中介電常數(shù)，F(xiàn)/m；εr為相對介電常數(shù)，F(xiàn)/m；σ為電導(dǎo)率，S/m。

3 建立仿真模型

3.1 人體模型

上水工不同工作姿態(tài)主要包括站立和彎腰兩種姿態(tài)，如圖1和圖2所示[28]，即需要構(gòu)建站姿和彎腰姿態(tài)兩種人體模型。站姿人體模型的身高設(shè)置為1.755 m[29]，彎腰姿態(tài)人體模型是在站姿人體模型的基礎(chǔ)上，通過旋轉(zhuǎn)處理，使人體模型達(dá)到彎腰的效果。

圖1 上水工站姿狀態(tài)Fig.1 Workers who supplying water in standing status

圖2 上水工彎腰狀態(tài)Fig.2 Workers who supplying water in bend over status

本文人體模型參照GB/T 10000—88[29]在Comsol Multiphysics軟件中構(gòu)建相似幾何結(jié)構(gòu)，然后拼接構(gòu)成人體模型。其中，人體頭部為五層橢球模型[29-32]，它們分別為頭皮、顱骨、腦脊液、腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)，人體頭部模型尺寸見表1，人體幾何模型如圖3所示。

表1 人體頭部模型尺寸比例Tab.1 Size ratio of human head model

圖3 人體模型Fig.3 Human body model

人體軀干由一個長方體、三個圓柱體和兩個球體拼接構(gòu)成，高度為0.598 m，寬度為0.445 m。胳膊和腿部均由圓錐體構(gòu)成，胳膊長度為0.526 m，腿部長度為0.848 m。

人體腳部由一個長方體和兩個半圓柱體拼接構(gòu)成，腳部下方設(shè)計了一個與腳部幾何結(jié)構(gòu)相似的絕緣鞋底，根據(jù)GB 21148—2020[33]，本文將絕緣鞋底厚度設(shè)置為0.01 m。人體腳部和絕緣鞋底模型如圖4所示。

圖4 腳和絕緣鞋底模型Fig.4 Model foot and insulated sole

在50 Hz電磁場環(huán)境中，人體各組織相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率參數(shù)見表2[34]。身體參數(shù)取骨骼、脂肪、肌肉參數(shù)的平均值。相對磁導(dǎo)率在人體各組織中的值為1，同空氣相對磁導(dǎo)率大小一致。

圖5 高鐵車站模型Fig.5 High-speed train station model

表2 人體各組織的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率Tab.2 Relative permittivity and conductivity of human tissues

3.2 車站模型

利用仿真軟件建立一個高鐵車站的幾何模型，包含接觸線、承力索、鋼軌、頂棚、站臺、支柱、腕臂支持裝置和上水工，如圖5所示。圖6為上水工彎腰加水姿態(tài)人體模型；圖7為簡化的高速鐵路車站接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。接觸線距軌面最大垂直距離為6.5 m，本文將用于車站的接觸線懸掛高度設(shè)置為6 m[35]。人體位于高鐵車站復(fù)線線路的中間位置，在計算時，分別導(dǎo)入站立和彎腰加水姿態(tài)人體模型進(jìn)行數(shù)值計算。

圖6 上水工彎腰加水姿態(tài)人體模型Fig.6 Bending working state of human body model

圖7 高速鐵路車站接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Diagram of catenary network of high-speed railway station

3.3 邊界條件和網(wǎng)格剖分

在建立高鐵車站接觸網(wǎng)工頻電場環(huán)境模型時，為了減少計算誤差，需要建立一個足夠大的空氣域模型將車站和人體模型包含在內(nèi)。高鐵車站接觸網(wǎng)工頻電場滿足的邊界條件為：

(8)

式中，φ為空間中任意一點的電位；y0為空氣邊界、地面、頂棚、支柱、站臺等電壓為零的物體；yk(k=1,2,…,n)為第k個車站內(nèi)的高電壓物體，例如接觸線、承力索；Uk(k=1,2,…,n)為第k個車站內(nèi)高電壓物體的電壓，例如接觸線、承力索的電壓。

圖8為高鐵車站模型網(wǎng)格剖分圖。模型中接觸線的半徑為6.93 mm、承力索的半徑為8 mm，人體頭部尺寸在毫米級，均遠(yuǎn)小于高鐵車站空間尺寸。所以，對于小尺寸結(jié)構(gòu)模型，通過設(shè)置最小單元大小和最大單元增長率，達(dá)到網(wǎng)格數(shù)量的控制；對于彎曲邊界和狹窄區(qū)域，通過設(shè)置曲率因子和狹窄區(qū)域分辨率，達(dá)到控制網(wǎng)格精度和網(wǎng)格數(shù)量的目的。本模型網(wǎng)格單元總數(shù)為9 799 403，自由度為11 865 460，在8核CPU、32 GB內(nèi)存計算機的計算時間為30 min左右。

圖8 高鐵車站模型網(wǎng)格剖分圖Fig.8 High-speed railway station model grid division diagram

4 結(jié)果與分析

4.1 人體內(nèi)與絕緣鞋底中E和J

圖9為上水工不同姿態(tài)人體內(nèi)感應(yīng)電場強度大小和分布。圖9 (a)和圖9(b)中絕緣鞋底中電場強度均最大，站姿最大值為7.98×104V/m，彎腰加水姿態(tài)最大值為7.37×104V/m。上水工站姿和彎腰加水姿態(tài)人體內(nèi)感應(yīng)電場強度最大值分別為0.47 V/m、0.42 V/m，均約為鞋底中的0.001%。彎腰加水姿態(tài)人體胳膊中感應(yīng)電場強度最大值為0.02 V/m，為彎腰人體內(nèi)感應(yīng)電場強度最大值的4.76%。箭頭表示人體內(nèi)感應(yīng)電場強度的方向，可以看出，站姿和彎腰加水姿態(tài)人體內(nèi)感應(yīng)電場強度在胳膊中方向均向上，從頭部到腳底方向均向下。

圖9 感應(yīng)電場強度大小和分布Fig.9 Distribution and amplitude of induced electric field intensity

圖10為上水工不同姿態(tài)人體內(nèi)感應(yīng)電流密度大小和分布。從圖10中可以看出，絕緣鞋底中感應(yīng)電流密度大小與人體中相比均較小，是因為絕緣鞋底的電導(dǎo)率為10-22S/m。站姿人體內(nèi)感應(yīng)電流密度主要分布于頸部、腋下和腳踝處；彎腰加水姿態(tài)人體內(nèi)主要分布于頸部和腳踝處。站姿和彎腰加水姿態(tài)人體腳踝處的電流密度均最大，分別為9.21 mA/m2、7.73 mA/m2，彎腰加水姿態(tài)人體最大值比站姿人體的小，為站姿的83.93%。彎腰加水姿態(tài)人體胳膊中感應(yīng)電流密度最大值為1.74 mA/m2，為彎腰人體內(nèi)感應(yīng)電流密度最大值的22.51%。流線箭頭表示人體內(nèi)感應(yīng)電流密度的方向，可以看出，站姿和彎腰加水姿態(tài)人體內(nèi)感應(yīng)電流密度在胳膊中方向均向上，從頭部到腳底方向均向下。

圖10 感應(yīng)電流密度大小和分布Fig.10 Distribution and amplitude of induced current density

4.2 人體頭部E和J

圖11為上水工不同姿態(tài)人體頭部感應(yīng)電場強度大小和分布。圖11中分別選取頭部不同部分用圖例和箭頭表示感應(yīng)電場強度的大小。從圖中可以看出，上水工站姿和彎腰加水姿態(tài)頭部感應(yīng)電場強度分布很相似。站姿上水工頭部最大值出現(xiàn)在頭頂處頭皮中，而彎腰加水姿態(tài)上水工頭部最大值出現(xiàn)在后頸處頭皮中，此差異的出現(xiàn)與人體幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格剖分尺寸因素有關(guān)。彎腰加水姿態(tài)的最大值為0.42 V/m，站姿的最大值為0.47 V/m，彎腰加水姿態(tài)比站姿的小，為站姿的89.36%，因為站立姿態(tài)上水工與彎腰加水姿態(tài)相比，離輻射源接觸線更近。從箭頭分布可以看出感應(yīng)電場強度在上水工人體頭部的方向。

圖11 頭部感應(yīng)電場強度大小和分布Fig.11 Distribution and amplitude of head induced electric field

圖12為上水工不同姿態(tài)人體頭部感應(yīng)電流密度大小和分布。圖12中分別選取頭部不同部分用圖例和流線箭頭表示感應(yīng)電流密度的大小。從圖12中可以看出，站姿和彎腰加水姿態(tài)上水工頭部感應(yīng)電流密度的分布很相似。腦脊液和顱骨中的感應(yīng)電流密度均較大，從表2可以看出腦脊液和顱骨中電導(dǎo)率與其他組織相比更大，腦脊液電導(dǎo)率為2 S/m，顱骨電導(dǎo)率為2.005 5×10-2S/m。而站姿和彎腰加水姿態(tài)上水工頭部最大值均出現(xiàn)在顱骨中，此結(jié)果的出現(xiàn)與人體幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格剖分尺寸因素有關(guān)。站姿頭部的最大值為6.88 mA/m2，彎腰加水姿態(tài)的最大值為6.19 mA/m2，彎腰加水姿態(tài)比站姿的小，為站姿的89.97%。從流線箭頭可以看出上水工人體頭部感應(yīng)電流的方向。

表3 不同姿態(tài)人體軀干、頭部|E|max和|J|maxTab.3 |E|max and |J|max for different posture of human trunk, head

圖12 頭部感應(yīng)電流密度大小和分布Fig.12 Distribution and amplitude of head induced current density

上水工站姿和彎腰加水姿態(tài)人體各組織感應(yīng)電場強度和感應(yīng)電流密度最大值見表3。從表3可知，站姿與彎腰加水姿態(tài)相比，人體頭部組織中感應(yīng)電場強度和感應(yīng)電流密度最大值均較大，是因為站姿人體與彎腰加水姿態(tài)相比，距離輻射源接觸線更近。彎腰加水姿態(tài)人體軀干、頭皮、顱骨、腦脊液、腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)中感應(yīng)電場強度最大值分別為站姿的93.07%、89.36%、91.18%、77.00%、93.59%和80.23%；感應(yīng)電流密度最大值分別為站姿的93.43%、95.24%、89.97%、77.18%、93.88%和79.07%。

在ICNIRP制定的導(dǎo)則中，50 Hz電場環(huán)境職業(yè)暴露基本限值見表4。

表4 ICNIRP導(dǎo)則中工頻電場職業(yè)暴露基本限值Tab.4 Basic limits for occupational exposure to power frequency electric fields in ICNIRP guidelines

將表3中人體各組織的仿真結(jié)果與表4中標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比可知，感應(yīng)電場強度在站姿人體軀干、頭部(頭皮、顱骨)中最大值分別為20.77×10-3V/m、0.47 V/m、0.34 V/m，均小于0.8 V/m；站姿人體頭部中央神經(jīng)組織(腦脊液、腦灰質(zhì)和腦白質(zhì))中感應(yīng)電場強度最大值分別為2.13×10-3V/m、5.93×10-3V/m、7.69×10-3V/m，均小于0.1 V/m。故彎腰加水姿態(tài)人體軀干、頭部和中央神經(jīng)系統(tǒng)組織感應(yīng)電場強度也均小于 ICNIRP 導(dǎo)則中職業(yè)暴露基本限值。

5 結(jié)論

本文使用三維電磁仿真軟件對高速鐵路車站接觸網(wǎng)下方不同工作姿態(tài)上水工人體內(nèi)的感應(yīng)電場強度和感應(yīng)電流密度進(jìn)行了數(shù)值計算，通過分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 感應(yīng)電場強度和感應(yīng)電流密度在站姿人體軀干、頭部和頭部中央神經(jīng)組織中的最大值均大于彎腰加水姿態(tài)的最大值。

(2) 站姿人體軀干、頭部和頭部中央神經(jīng)組織中感應(yīng)電場強度最大值分別為20.77×10-3V/m、0.47 V/m、0.34 V/m、2.13×10-3V/m、5.93×10-3V/m、7.69×10-3V/m，均小于ICNIRP導(dǎo)則中職業(yè)暴露基本限值，分別為ICNIRP職業(yè)暴露基本限值的2.60%、58.75%、42.50%、2.13%、5.93%、7.69%。

(3) 彎腰加水姿態(tài)人體軀干、頭部和頭部中央神經(jīng)系統(tǒng)組織中的感應(yīng)電場強度也均小于ICNIRP 導(dǎo)則中職業(yè)暴露基本限值，分別為ICNIRP職業(yè)暴露基本限值的2.42%、52.50%、38.75%、1.64%、5.55%、6.17%。

綜上所述，上水工在高鐵車站股道間進(jìn)行加水作業(yè)時，接觸線產(chǎn)生的工頻電場不會給其身體健康帶來損害。

本文僅對作業(yè)于高鐵車站接觸網(wǎng)下方的上水工兩種靜止姿態(tài)人體內(nèi)的電場效應(yīng)進(jìn)行了研究，未考慮其在時間上的累計效應(yīng)，未來可以考慮上水工在動態(tài)作業(yè)情況下電磁效應(yīng)在時間累計方面的研究。