接觸網電場對人體安全影響分析

邢臺學院 李永江

接觸網電場對人體安全影響分析

邢臺學院 李永江

接觸網電場強度可采用鏡像法計算。鏡像法的基本思想是在所研究場域以外的某些適當位置上，用一些虛設的電荷（稱為鏡像電荷）等效替代導體表面的感應電荷或介質分界面上的極化電荷。這種方法有利于對接觸網電場強度的分析，對于防止接觸網電場對人體造成危害具有指導作用。

一、接觸網電場強度計算

利用鏡像法，可以把原來的邊值問題的求解轉換為均勻無界空間中的問題來求解。本文，筆者以無限長直導線也大地平面鏡像為例，對接觸網電場強度進行分析。無限長直導線也大地平面鏡像如圖1所示。

沿y軸方向的無限長直導線l位于大地平面上方，相距為h，單位長度帶電量為ρ 。在z＞0的上半空間，總電場是由原直導線 上的電荷和大地表面上的感應電荷共同產生的。除了直導線所在區域z=h外，電位φ滿足拉普拉斯方程，大地上的電位φ =0，因此，在z=0處，電位函數φ=0。根據唯一性定理可知，大地表面的感應電荷可用位于直導線 的對稱點z= – h處的無限長鏡像線電荷代替。

鏡像電荷的位置和單位長度的帶電量分別為ρl′ = – ρ，z′ = – h。此時，z＞0的空間任一點A（x，y，z）的電位函數就等于原直導線和鏡像導線所產生的電位之和。即

式（1）中，D′為p點到鏡像導線的距離；D為p點到原直導線的距離。

同理可得，位于導線表面的電位為：

式（2）中，r為直導線的半徑。

如在無限長直導線l周圍電場內有一無限長直導線2，即兩根無限長的直導線平行放置在空中，應用疊加原理可知，每根導線上的電位等于各根導線上電荷產生電位的和。設有直導線1和2，分別具有電壓U1和U2，其單位長度電荷分別為ρ1和 ρ2，則

式（3）、（4）中，D1′1為導線1和鏡像導線間的距離，D2′1為導線1和鏡像導線間的距離，D1′2為導線2和鏡像導線間的距離，D2′2為導線2和鏡像導線間的距離。

式（5）、（6）中，λ11為導線1的自有電位系數，λ12為導線1與導線2的互有電位系數，λ21為導線2與導線1的互有電位系數，λ22為導線2的自有電位系數。

寫成矩陣形式為

如有多根導線1，2，…，n，具有電壓 和單位長度電荷 。則有方程組

寫成矩陣形式為

因為互電位系數具有互易性，故 λij＝λji，則有

所以空間任意一點A的電位為：

其模值為 ：

二、接觸網電場強度的仿真結果與分析

利用Matlab分別對3種不同供電方式下接觸網電場強度進行仿真。如圖2、圖3、圖4所示。x在（–30，30），y在（1，7）區域內進行仿真得出3種不同供電方式下接觸網電場強度與坐標關系的結果。

從圖2、圖3、圖4可以看出，接觸網空間電場強度的最大處位于與導線相當的高度，并隨離開導線距離的增大而減小，當計算點的坐標接近導線坐標時，電場強度急劇增大。當x較大時，其變化趨勢較為平緩。

三、工頻電場的限制

1998年4月，ICNIRP正式提出了《限制時變電場、磁場和電磁場（300GHz以下）暴露的導則》（以下簡稱《導則》），正式代替了IRPA/INIRC分別在1988年和1990年出版的適用于高頻和50/60Hz的導則。《導則》指出，制定該《導則》的目的是對已知的、對人體健康有不良影響的電場、磁場和電磁場的暴露加以限制，以保護健康。因為只有被確定的影響才用來作為制定暴露限制的基礎，而長期的電場、磁場和電磁場暴露會致癌并不認為是已經確定的，因而，該《導則》是基于短期的、立即對健康造成影響的，如神經和肌肉表面的刺激、因接觸導電物體而受到的電擊或燒傷以及因暴露在電場、磁場和電磁場下吸收能量而引起組織的溫度升高等。該《導則》把工頻電場、磁場和高頻電磁場對人的影響分為直接影響和非直接影響。直接影響限值又分為基本限值和參照水平（導出限制）。對工頻電場和磁場，基本限值是指電流密度，參照水平是指電場強度和磁通密度。非直接影響限值是指接觸電流。《導則》指出，基本限值是基于對人體健康造成影響而確定的照射限值。為了保護健康，不允許超過這些基本限制量。參照水平是根據基本限值用數學模型和在特定頻率下實驗室的研究結果推算出來的，是在與暴露個體之間處于最大耦合位置的情況下給出的，能為人體提供最大保護。但是，當超過參照水平時，并不一定意味著超過基本限值。ICNIRP《導則》關于工頻電場的基本限值和參照水平見表1。

表1 ICNIRP導則關于工頻電場的基本限值和參照水平

從安全角度考慮，頻率從4～1 000 Hz，對職業人員的照射限值為由場引起的感應電流密度小于10 ，即所有的安全因子為10。對一般公眾，則應考慮5倍的安全因子，即規定基本限值為2 。

在許多情況下，公眾是不會覺察到他們是暴露在電場和磁場下的，更不可能采取措施去減少或避免參照。因此，對一般公眾應比對職業人員采取更嚴格的暴露限值。場強方向與人體軸線平行，對一般公眾，在5 的電場照射時，最壞的條件下感應在頸部和軀體的電流密度為2 。限制接觸電流是為了避免電擊和燒傷危害。導出生物響應接觸電流的閾值，兒童是成年男子的1/2，成年婦女是成年男子的2/3。因此，取一般公眾的接觸電流的參照水平是職業人員的1/2。

四、接觸網電場對人體安全的討論

結合圖2、圖3、圖4的電場分布規律，考慮到人的身高，及在接觸網下作業時可能到達的高度等因素，對三種供電方式的接觸網下空間場強進行計算。由于電場強度在鐵路沿線上較大，所以取定點x坐標為0，人在接觸網下可能達到的高度為2 m，計算結果見表2。

表2 3種供電方式的接觸網電場強度

五、結論

接觸網空間電場強度的最大處位于與導線相當的高度，其隨離開導線的距離的增大而減小，當計算點的坐標接近導線坐標時，電場強度急劇增大。當x較大時，其變化趨勢較為平緩。而當x＞10 m時，場強基本為定值。3種供電方式的接觸網電場強度都遠小于規定的工頻電場的限制，所以接觸網空間電場不會對人產生不利的影響。