陳博棟 逯 邁 陳小強(qiáng) 胡延文（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070）

2（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 蘭州 730070）

特高壓交流輸電線路對(duì)人體電場(chǎng)效應(yīng)的對(duì)比分析

陳博棟1逯 邁2陳小強(qiáng)1胡延文11（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070）

2（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 蘭州 730070）

本文通過(guò)有限元分析方法計(jì)算了1 000 kV輸電線路下方簡(jiǎn)化人體模型的電場(chǎng)效應(yīng)，比較分析了不同塔型時(shí)人體中的感應(yīng)電場(chǎng)及其分布情況。結(jié)果表明：人體周圍電場(chǎng)并不是均勻分布的，而是產(chǎn)生了畸變；人體較細(xì)的部位（如頸部與腿部）電流密度較大；與普通型輸電線路相比，緊湊型線路下人體內(nèi)感應(yīng)電流密度較??；中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織的最大感應(yīng)電流為遠(yuǎn)小于2 mA·m-2安全限值；與緊湊型線路相比，普通型線路中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，但其最大感應(yīng)電場(chǎng)仍小于20 mV·m-1的光幻視閾值。研究表明，特高壓交流輸電線路下人體感應(yīng)電流及電場(chǎng)均低于根據(jù)ICNIRP導(dǎo)則推薦的安全限值。

特高壓交流輸電，工頻電場(chǎng)，有限元法，感應(yīng)電流密度，感應(yīng)電場(chǎng)

低頻電磁場(chǎng)暴露生物效應(yīng)已成為生物電磁學(xué)研究熱點(diǎn)之一，如核磁共振梯度線圈電磁輻射[1-3]、手機(jī)及手機(jī)基站的電磁輻射等[4-6]。相關(guān)研究表明，長(zhǎng)期暴露在強(qiáng)電磁場(chǎng)中，會(huì)發(fā)生中樞神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能障礙，出現(xiàn)頭暈頭痛、失眠多夢(mèng)、記憶力衰退等癥狀，尤其是兒童白血病幾率增加[7-9]。

工頻電磁場(chǎng)與人作用可以在人體內(nèi)感應(yīng)出微弱的電場(chǎng)和電流。通過(guò)細(xì)胞和動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)感應(yīng)電流密度超過(guò)一定的閾值，感應(yīng)電流會(huì)對(duì)神經(jīng)和肌肉組織產(chǎn)生影響，這些影響隨著感應(yīng)電流密度增加加劇，為防止對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成危害，暴露在電磁場(chǎng)中的人體感應(yīng)電流密度須限制在 100 mA·m-2以內(nèi)，取安全系數(shù)為10，人體職業(yè)暴露安全限值取10 mA·m-2，公眾暴露安全限值取2 mA·m-2[10]。根據(jù)ICNIRP 2010標(biāo)準(zhǔn)，即國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(The International Commission for Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)[11]，由于感應(yīng)電場(chǎng)是確定生物效應(yīng)的物理量，為避免感應(yīng)視網(wǎng)膜光幻視，以中央神經(jīng)系統(tǒng)組織中的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度20 mV·m-1光幻視閾值作為公眾暴露限值基礎(chǔ)。

由于電能的需求的增加，輸電線的工作電壓也在不斷提高，特高壓輸電線路電壓都在1 000 kV及以上，這有利于緩解我國(guó)用電需求和線路走廊問(wèn)題，更好地實(shí)現(xiàn)“西電東送”和“全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”。輸電線路對(duì)環(huán)境和人體健康影響近年來(lái)倍受關(guān)注，輸電線路難免會(huì)經(jīng)過(guò)居民區(qū)，人也不可避免的會(huì)經(jīng)過(guò)輸電線路。因此，有必要對(duì)靠近人類生活輸電線的場(chǎng)以及與人體的相互作用進(jìn)行研究。關(guān)于特高壓不同桿塔類型輸電線路在地面附近產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行了大量的分析[12-15]。但針對(duì)特高壓與人體相互作用的文獻(xiàn)較少，而且存在人體模型較為簡(jiǎn)單，采用二維分析及邊界條件與實(shí)際不符等問(wèn)題[16-18]。

本文通過(guò)研究不同塔型特高壓輸電線路下方人體與地絕緣時(shí)感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)人體的影響，利用有限元法對(duì)人體感應(yīng)電流，尤其是中樞神經(jīng)的感應(yīng)電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并與ICNIRP導(dǎo)則中的電磁暴露標(biāo)準(zhǔn)比較，對(duì)我國(guó)特高壓輸電線路的電磁暴露進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，可為生物醫(yī)學(xué)研究提供相關(guān)的參考數(shù)據(jù)，也可為國(guó)家制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

1 分析原理與模型

1.1 分析原理

為進(jìn)一步了解工頻磁場(chǎng)與人體健康的關(guān)系，首先必須精確計(jì)算人體各重要器官中產(chǎn)生的感應(yīng)電流及感應(yīng)電場(chǎng)。人體感應(yīng)電流的強(qiáng)度與分布不僅與外界場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)，而且與人體的形狀、各種器官的導(dǎo)電率、介電常數(shù)等有關(guān)，因此精確計(jì)算存在一定的困難。采用有限元法解得電勢(shì)的場(chǎng)分布值，然后再經(jīng)過(guò)處理可得到電磁場(chǎng)中的其他物理量，如感應(yīng)電流密度、感應(yīng)電場(chǎng)等。

感應(yīng)效果的相對(duì)強(qiáng)弱與人體的電導(dǎo)率σ和介電常數(shù)ε有關(guān)。根據(jù)麥克斯韋方程組：

式中，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，J為電流密度矢量，D為電通密度，E為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，ρ為電荷體密度。

由電磁理論的麥克斯韋方程組構(gòu)成了3個(gè)本構(gòu)方程：

式中，μ為磁導(dǎo)率。為了便于數(shù)值求解，定義磁矢位 A和標(biāo)量電勢(shì)eΦ ，自動(dòng)滿足法拉第電磁感應(yīng)電流和高斯磁通定律，定義如下：

電場(chǎng)可以寫(xiě)成：

在靜態(tài)場(chǎng)中，如果所有的材料表現(xiàn)出介電性能的服從 σ＞＞ωε（歐姆電流占主導(dǎo)地位, ω為電流頻率），可以推出：

矢量勢(shì)A從電場(chǎng)中解耦等效于靜矢量勢(shì)A0，如果磁導(dǎo)率μ是恒定的，在整個(gè)計(jì)算區(qū)域?，由畢奧-薩伐定律可以計(jì)算出A0：

我們可以對(duì)方程(8)和(9)進(jìn)行數(shù)值求解，采用有限元法解得磁勢(shì)和電勢(shì)的場(chǎng)分布值，然后再經(jīng)過(guò)處理可得到電磁場(chǎng)中的其他物理量。

1.2 分析模型

在計(jì)算特高壓輸電線路下方人體感應(yīng)電流時(shí)，首先在ANSYS中建立人體模型，各部分參數(shù)為：腳部位長(zhǎng)0.17 m，寬0.06 m，高為0.03 m的長(zhǎng)方體和兩個(gè)半徑為0.03 m的半圓柱組成；小腿由兩邊半徑分別為0.03 m和0.05 m，長(zhǎng)0.42 m的椎體構(gòu)成；大腿由兩邊半徑分別為0.05 m和0.08 m，長(zhǎng)0.43 m的椎體構(gòu)成；上身由中間長(zhǎng)0.16 m，寬0.16 m，高0.6 m的長(zhǎng)方體和兩邊半徑為0.08 m的半圓柱組成，內(nèi)部含一個(gè)長(zhǎng)0.1 m，寬0.2 m，高0.25 m的內(nèi)臟，手臂由半徑0.04 m長(zhǎng)0.64 m的圓柱構(gòu)成；頸部為半徑為0.06 m，高0.06 m的圓柱；頭部分別為半徑0.1 m、0.092 m、0.085 m的球體構(gòu)成頭皮、顱骨、和大腦的三層人頭模型，總體身高1.74 m。人體位于輸電線路正對(duì)中線位置，面向?qū)Ь€傳輸方向，如圖1所示。根據(jù)50 Hz下人體主要組織的介電常數(shù)和電導(dǎo)率[19]，假定人體各個(gè)部分由均勻介質(zhì)構(gòu)成，電導(dǎo)率及相對(duì)介電常數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 人體及網(wǎng)格剖分模型Fig.1 Body and mesh generation model

表1 人體組織介電常數(shù)及電導(dǎo)率Table 1 Human tissues permittivity and conductivity

本文對(duì)當(dāng)前已運(yùn)行某段1 000 kV特高壓線路模型進(jìn)行分析，特高壓架空線路的普通塔型和新型緊湊型如圖2所示[17]，絕緣子串長(zhǎng)均為11.5 m，線路運(yùn)行額定線電壓為1 000 kV。

圖2 1000 kV特高壓普通型（左）和緊湊型（右）桿塔Fig.2 1000 kV UHV ordinary tower (left) and compact (right) tower

對(duì)于高壓輸電線下方人體感應(yīng)電場(chǎng)的計(jì)算尺寸較大， 而ANSYS可以很好地解決大型電磁仿真計(jì)算問(wèn)題。在采用ANSYS三維諧性電磁場(chǎng)分析時(shí)，由于計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求比較高，故忽略桿塔、端部效應(yīng)和導(dǎo)線弧垂的影響，線路長(zhǎng)度取20 m，線路高度采用平均高度；選取10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元SOLID 232求解三維模型的電勢(shì)分布；分別對(duì)各個(gè)實(shí)體材料進(jìn)行賦值；在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)采用Smartsize自動(dòng)網(wǎng)格劃分工具，有利于生成形狀合理的網(wǎng)格單元，剖分后網(wǎng)格單元數(shù)量在一百多萬(wàn)；對(duì)于模型的邊界條件，在導(dǎo)線上分別施加相電壓，相位差為120°，頻率為50 Hz，取地面電勢(shì)為零，其余邊界認(rèn)為是無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)。由于網(wǎng)格數(shù)量較多，計(jì)算量較大，在進(jìn)行求解時(shí)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量需在8 GB以上，計(jì)算時(shí)間需1 h以上。

2 結(jié)果分析

2.1 線路下方人體周圍電場(chǎng)分布

如圖3和圖4所示，輸電線路下方人體周圍的電場(chǎng)，由于人體及空氣介電常數(shù)及電導(dǎo)率的變化，并不是均勻分布的，而是產(chǎn)生了畸變，致使人體周圍的場(chǎng)強(qiáng)比均勻場(chǎng)強(qiáng)增大了幾倍甚至好幾十倍。

圖3 普通塔型線路人體周圍電場(chǎng)分布Fig.3 Ordinary tower electric field distribution around the body

圖4 緊湊型線路人體周圍電場(chǎng)分布Fig.4 Compact tower electric field distribution around the body

由圖3和圖4可看出，在人體腳部和頭部周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，這是由于腳部和頭部集中了大量的異性電荷，從而產(chǎn)生了很大的場(chǎng)強(qiáng)；人體周圍最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在腳部位置，普通型塔桿線路與緊湊型塔桿線路下人體周圍最大場(chǎng)強(qiáng)相比緊湊型線路相對(duì)較大；但是人體頭部周圍的場(chǎng)強(qiáng)普通型桿塔線路相對(duì)較大，這可能與導(dǎo)線布置方式有關(guān)。

2.2 人體內(nèi)感應(yīng)電流密度

對(duì)于線路下方人體感應(yīng)電流的分布，如圖5所示。從總體上來(lái)看，自上而下人體內(nèi)電流密度呈逐漸增大趨勢(shì)；腳部位置的電流密度較大，而手臂位置感應(yīng)電流最小；人體較細(xì)的部位與較粗的部位相比電流密度較大，如頸部與腿部；普通型輸電線路與緊湊型線路下人體內(nèi)感應(yīng)電流密度相比緊湊型線路較小，分別為18 mA·m-2和8.6 mA·m-2，均位于腳部位置。

圖5 人體內(nèi)部感應(yīng)電流分布Fig.5 Induced current distribution inside the body

2.3 人體頭部感應(yīng)場(chǎng)分布

人體頭部的感應(yīng)電流和電場(chǎng)與周圍電場(chǎng)的大小以及各組織的材料有關(guān)，由圖6和圖7可知：由表及里，頭部的感應(yīng)電流呈減小趨勢(shì)，頭皮處的電流密度最大；普通型與緊湊型塔桿線路人體頭部感應(yīng)電流密度相比普通型線路較大，但均小于人體電流密度暴露限值2 mA·m-2。

由圖8和圖9可知，人體頭部電場(chǎng)，并非與電流密度分布一致，具體見(jiàn)表 2。電場(chǎng)強(qiáng)度最大值是在顱骨處；普通型線路下人體頭部最大場(chǎng)強(qiáng)為1.47 mV·m-1，低于ICNIRP導(dǎo)則推薦的20 mV·m-1的暴露限制，而緊湊型線路下人體頭部最大場(chǎng)強(qiáng)為0.32 mV·m-1遠(yuǎn)低于這一限值，這與頭部周圍的場(chǎng)強(qiáng)以及線路布置方式有關(guān)，因此在單從公眾電磁暴露安全的角度建議采用緊湊型塔桿線路，從而對(duì)我國(guó)特高壓交流輸電電磁暴露安全評(píng)估提供理論依據(jù)。

圖6 普通塔型線路人體頭部電流密度Fig.6 Ordinary human head tower line current density

圖7 緊湊塔型線路人體頭部電流密度Fig.7 Compact tower line current density human head

圖8 普通塔型線路人體頭部電場(chǎng)分布Fig.8 Ordinary human head line tower electric field distribution

圖9 緊湊塔型線路人體頭部電場(chǎng)分布Fig.9 Compact tower line electric field distribution of human head

表2 人體頭部組織的最大感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)Table 2 Human head tissue maximum induction field distribution

3 結(jié)果與討論

本文分析了1 000 kV級(jí)特高壓交流輸電線路下不同塔型線路情況下的人體模型內(nèi)部感應(yīng)場(chǎng)的分布，得到以下結(jié)論：人體周圍的電場(chǎng)不是均勻分布的，而是產(chǎn)生了畸變，并且增大了幾倍甚至好幾十倍；從頭至腳，人體內(nèi)的電流密度呈增大趨勢(shì)，身體較細(xì)的部位，如頸部、小腿處的電流密度相對(duì)較大，手臂感應(yīng)電流最小。人體頭部（中樞神經(jīng)）位置的感應(yīng)電流與感應(yīng)電場(chǎng)分布并不一致，最大感應(yīng)電流位于頭皮處，而最大感應(yīng)電場(chǎng)位于顱骨處；普通塔型線路下中央神經(jīng)系統(tǒng)組織的感應(yīng)電流及感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度均略高于緊湊型線路，從公眾安全角度考慮，建議采用緊湊型塔桿線路，但人體中央神經(jīng)系統(tǒng)組織的最大感應(yīng)電流遠(yuǎn)小于 2 mA·m-2的安全限值，感應(yīng)電場(chǎng)均小于20 mA·m-2的光幻視閾值。

人體簡(jiǎn)化模型能夠很好地反映出人體內(nèi)部感應(yīng)場(chǎng)的變化，該結(jié)果將會(huì)推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)研究理論和應(yīng)用研究的進(jìn)一步深化，為我國(guó)特高壓電磁暴露評(píng)估提供參考，但還存在不足之處，需進(jìn)一步對(duì)真實(shí)人體模型的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行研究。

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Comparative analysis of electric field effects on the human body induced by ultra high voltage AC transmission line

CHEN Bodong1LU Mai2CHEN Xiaoqiang1HU Yanwen11(College of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)
2(Key Laboratory of Opto-Electronic Technology and Intelligent Control, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

To study the influence of ultra high voltage (UHV) AC transmission line frequency electric field on the human body, finite element analysis method was used to calculate electric field effect of the simplified human body model under 1000 kV transmission line. Then, comparative analysis of different towers was carried out to show the differences in the induced electric field and its distribution in the human body. The results indicated that electric field around the body is not evenly distributed, and distortion was produced; current density in the small parts of human body (e.g. the neck and legs) is high; compared with compact transmission lines, normal transmission lines induce smaller current density in the human body; the maximum induced current in the central nervous system is much smaller than safety limits of 2 mA·m-2; electric filed strength in the central nervous system under normal transmission lines is high, but the maximum induced electric field is still less than 20 mV·m-1, which is the phosphene threshold value. Studies demonstrate that induced current and electric field in the human body under UHV AC transmission line are both less than the reference levels from the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) guidelines. The results can not only provide the basis for calculation of electromagnetic exposure of the real human body, but also provide reference for electromagnetic exposure assessment standard of UHV power transmission engineering in China.

Ultra high Voltage (UHV) AC transmission, Frequency electric field, Finite element method, Induced current density

TM81，TL72DOI: 10.11889/j.1000-3436.2014.rrj.32.060501

國(guó)家自然科學(xué)基金(51267010)和甘肅省杰出青年基金(1308RJDA013)資助

陳博棟，男，1988年2月出生，2010年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，現(xiàn)為該校在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化

逯邁，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail: mai.lu@126.com

初稿2014-07-23；修回2014-08-28

CLCTM81, TL72