工頻電場、磁場及高壓輸電線路的電場效應

毛文利，楊新村，李海平

（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.上海電力科學研究院，上海 200000；3.國網浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321017）

工頻電場、磁場及高壓輸電線路的電場效應

毛文利1，楊新村2，李海平3

（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.上海電力科學研究院，上海 200000；3.國網浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321017）

介紹了輸變電設施的電磁環境的特點，指出低頻電場與磁場對健康并無影響，重點分析了高壓輸電線路周圍的電場效應，如體內生物效應、體外電場刺激效應等，指出觸電與感應電的接觸刺激有本質的區別，應普及科普知識，消除不必要的焦慮和恐慌。

輸變電設施；電場；磁場；電場效應

長期以來，由于國內電磁場環境健康公共信息嚴重失衡，國際權威的科學評估結論在國內未能得到很好傳播，致使人們在享受電帶來美好生活的同時，對輸變電設施產生的工頻電磁場是否可能帶來健康影響也深感擔憂。

考慮到世界衛生組織對低頻電磁場的長期健康影響問題已有全面、科學的評估結論與意見，而國內當前環保糾紛多是由“電場效應”引起擔憂所引發，因此針對電場效應對人體的影響和高壓輸電線路周圍的電場效應及其緩解措施進行討論。

1 輸變電設施周圍存在的電場與磁場

根據世界衛生組織從環境影響及生物效應的劃分，100 kHz以上的頻率才會以電磁波的形式實際向外傳遞能量。輸變電設施產生的工頻電場、工頻磁場頻率僅為50 Hz，比日常生活中的電磁波頻率低得多，屬于極低頻場。鄰近輸電線路和用電設備周圍實際存在低頻電場與磁場：金屬導體上的電荷在周圍產生電場，導體內流過的電流在周圍產生磁場，而上述電場和磁場是相互獨立的，彼此沒有關聯。由于輸電線路的尺寸遠小于這一頻率的波長，無法構成有效的天線系統進行能量發射，因此，電能只能在輸電線路的導線中傳輸，而不會在周圍形成電磁波輻射。

工頻電場是由帶電導體在其周圍感應產生的空間場，在距地面約2 m以內的區域，電力線基本上垂直于地面，電場強度基本均勻；由于三相輸電線路的時間相位不同，周圍空間任何一點的電場都是一個大小與方向隨時間成橢圓狀旋轉變化的場，需要用特殊的儀器進行測量。因為輸電線路的電壓相對穩定，不論輸送容量如何變化，即使是線路空載狀況下，周圍工頻電場強度也相對穩定。工頻電場有一個重要的特性是：很容易被樹木、房屋等導電物質所屏蔽或消弱，受到屏蔽后，電場強度明顯降低。例如在公路上由于兩旁行道樹的屏蔽作用會使得公路中間的工頻電場明顯降低（見圖1）；由于房頂與墻壁的屏蔽作用，房屋內的工頻電場通常也會比屋外低1～2個數量級。

圖1 受到屏蔽的電場強度變化曲線

工頻磁場則是由于電流流過導線在周圍空間產生的場。與工頻電場一樣，三相輸電線路周圍的空間工頻磁場也是一個橢圓場。輸電線路電流隨用電負荷的變化而變化，從而工頻磁場強度也隨著不同時間的負荷大小不同而變化；隨著離輸電線路距離的增加，工頻磁場強度快速降低，并且與工頻電場強度相比，工頻磁場強度隨距離變遠下降得更快。只有磁性材料的物體引入，才能改變磁場的分布，所以輸電線路周圍的工頻磁場遠不如工頻電場那樣容易畸變或屏蔽，樹木、房屋對工頻磁場也幾乎沒有屏蔽作用。

2 低頻電場與磁場對健康的影響

國際上的研究一致表明，ELF（極低頻）的電場和磁場對人體的生物系統的效應是在體內感應出電場和電流。WHO（世界衛生組織）于2007年就已經完成針對低頻電場與磁場健康風險的全面評估，并指出國際標準和國內標準足以保護人體免受上述效應的危害[1]。

對低頻磁場的長期健康風險，WHO指出：雖經幾十年來多學科、不間斷的長期研究和科學評估，低水平磁場的長期曝露與兒童期白血病之間的關聯性仍未能得到證實，至于其它各種長期影響的證據則更弱。

雖然世界衛生組織已確認公眾實際生活環境中可遇到的電場對人體健康無影響，但是輸電線路的電場確實可能被體表電場效應所察覺，或在一定條件下使鄰近居民產生不良感受。

3 輸電線路下方的電場效應

高壓輸電線路下方電場效應，大致有人體難以察覺或可以察覺的體內、體外生物效應以及對一些物理現象的感受效應。

3.1 體內生物效應

高壓輸電線路下方產生體內電場效應的根本原因—體表感應電荷。人體直立在高壓線下方，人體表面可視為導電體，外部電場不能直接穿透人體，而在體表感應有電荷Q。人體表面局部感應電荷量越多，表面電位就越高；直立的人體，頭部電場集中，感應電荷多。因此，從頭到腳存在表面電位差，進而在體內形成感應電場（與電流），如圖2所示。

圖2 人體在外部電場中感應的體內電場

人體通常不能感知體內電場，只有當體內電場超過一定閾值時，才會形成對體內神經與肌肉組織的刺激。通常在高壓輸電線路下方局部最大電場為10 kV/m的地點，人體進入時不會產生有害的體內刺激。世界衛生組織“國際電磁場計劃”的評估結論也確認電場不存在實際的（體內）健康問題。

3.2 體外電場刺激效應

產生體外電場效應的原因是人體在電場中，同時接觸其它導電物體時，由于人體與該物體上感應的電荷量不同，兩者間存在電位差，致使接觸時有電荷流動，形成接觸電流流過人體。接觸電流超過一定閾值時，會對人體神經與肌肉產生刺激，接觸電流更大時甚至會在接觸瞬間感受到火花放電痛感。

在現實生活中人體感受感應電荷刺激的現象普遍存在并且不可避免。如：冬季脫毛衣的火花放電、在商場手摸門或碰到手推車金屬把手時的放電刺激等，都比輸電線路下方觸及金屬物體時可能產生的電刺激厲害得多。由摩擦地毯產生的靜電電荷的電壓可達10 kV，局部電場高達500 kV/m；脫衣服時靜電電荷的電壓可高達幾十千伏；雷云電荷在地面可產生3～10 kV/m的電場；雷暴時產生40～50 kV/m的電場；而高壓輸電線路下方局部最大電場則不超過10 kV/m。

3.3 電場中易被誤解的物理效應

除了以上2種人體生物效應外，高壓輸電線路周圍的感應電場還有一些不為人熟知的物理現象，常常會引起人們對其是否是電磁輻射所致的誤解，甚至會聯想到危害健康或導致觸電。例如，人手舉熒光燈管，在500 kV輸電線下會發出熒光；手持低壓感應式電筆，在高壓輸電線下碰觸房屋外墻、地面甚至湖水表面，這種電筆都會顯示“有電”；還有人細心地測得高壓輸電線下方懸浮的竹竿、樹葉表面對地會有數百伏電壓等。

事實上，上述現象都是與電磁輻射毫無關系的普通物理現象。既然高壓輸電線路下方存在可能達到數千伏每米的電場強度，也就意味著在離地面高度差1 m的空間就可能存在上千伏的電壓差。它足以使日光燈管內的汞蒸汽發出淡的熒光（日光燈管在汽車引擎旁也會亮）；由于空間電場的存在，在竹竿、樹葉等表面對地測出數百伏電壓也是正常現象。只是由于竹竿、樹葉等表面積累的感應電荷量極其少，因此用手指輕輕一碰，這些微量的感應電荷就都被釋放入地，不會引起任何不良感覺，更不會影響健康或產生觸電問題。至于手持低壓感應式電筆，在高壓輸電線下碰觸房屋外墻、地面甚至湖水表面時顯示有電的現象，則只是持電筆人在高壓輸電線下身上感應有電荷、人體電壓超過低壓感應式電筆起輝電壓（僅幾十伏）所致。

3.4 體外電場刺激效應的3種不同情況

人體在高壓輸電線路下最不利的狀態是直立姿勢（此時頭頂感應電場最大）。此外，按體外電場刺激條件，人體又可能有3種不同的狀態：人體簡單直立在高壓線下；人體直立在高壓線下同時碰觸接地的導電物體；以及人體直立在高壓線下，同時碰觸不接地的大型導電物體。

（1）人體簡單直立在高壓線下。人體簡單直立在高壓線下5 kV/m的電場中，90%以上的人無直接感覺；5%的人在15～20 kV/m時可感覺煩惱。

（2）人體直立在高壓線下，同時碰觸接地物體。人體直立在高壓線下同時碰觸接地的導電物體時，93%的人在5 kV/m電場中同時又碰觸接地物時不會感到接觸電流的痛感；而50%人在10 kV/m的電場中同時碰觸接地導電物時可能感到輕微痛感，這種感覺是暫時、輕微的，不屬于可積累的健康危害，無不良健康影響。

國際標準規定公眾電場曝露限值為5 kV/m，正是考慮絕大多數人在電場中同時碰觸接地物時不會有不愉快的感受；國際標準允許高壓輸電線路下方最大電場強度為10 kV/m，就是根據“人體直立在高壓線下，同時碰觸接地物體”這種狀況來制定的。

（3）人體直立在高壓線下，同時碰觸不接地的導電物體。人體站立在高壓線下同時碰觸不接地的導電物體（如欄桿、汽車）時，電場效應從可能有感覺到產生火花放電刺痛感不等，需逐個評估，并通過工程與管理措施予以緩解（想通過降低標準限值來消除是不可能的）。

3.5 架空輸電線路走廊內的最大電場

國際標準允許高壓輸電線路下方最大電場強度為10 kV/m，并不意味著高壓輸電線路下方到處都有10 kV/m的電場。實際上，只有500 kV及以上超高壓輸電線路下方才會出現接近10 kV/m的電場。導線與地面之間有5～10 m的自然弧垂高差，最大電場強度僅存在于檔距中央導線弧垂最低的局部點塊。加上設計與施工時導線對地高度通常留有裕度，因此即使是500 kV及以上超高壓電力線路下方，絕大多數地域的實際電場強度都遠低于10 kV/m。

4 觸電與感應電的接觸刺激

4.1 直接觸電

觸電是電氣安全領域的研究對象。當人體直接或間接接觸帶電體時，電流就要流過人體。觸電是指電流流過人體時對人體產生的生理和病理傷害。決定觸電及其傷害的直接物理因素是流過人體的接觸電流。流過人體的電流很小時，人體無任何不良感受或影響，只有當流過人體的電流達到一定數值后，才會對人體造成不同程度的有害電生理效應甚至傷害。

IEC TS60479-1《電流對人體和家畜的效應第1部分》確認：在人體電流小于0.5 mA時，接觸電流只有感知的可能，不會引起肌肉不自覺收縮，通常沒有受驚反應。人體電流若在5 mA或以下，不管電流持續時間有多長，有害的電生理效應通常不會發生。

在電氣安全防護領域，為確保工人作業安全，避免發生觸電事故，對特定環境狀況下使用移動式用電器具的安全電壓做出規定，通常把人體持續接觸而不會使人直接致死或致殘的電壓稱為安全電壓。安全電壓值是依據通過人體的允許電流而制定的，各國在實際制定安全電壓時所選擇的人體電流可能為5～50 mA（我國規定的安全電壓等級有42，36，12，6 V等）。安全電壓限值只適用于低內阻抗供電電源，也就是電源的內阻抗遠低于人體阻抗的供電電源。

日常工作與生活中使用的220 V市電是低內阻抗的電源，其基本特征是，不管這種電源送出的電流有多大，其電源電壓基本上維持不變（直至電流大到使熔絲燒斷或開關跳閘）。人體誤碰到220 V電源時，流過人體的接觸電流基本上就只受到人體阻抗的限制。研究表明，在220 V電壓下，不論皮膚干濕情況如何，人體雙手間總阻抗約在780～1 900 Ω，觸電時流過人體的接觸電流達到上百毫安。

4.2 感應電的接觸刺激

從高壓輸電線路面世以來，與觸電有極大差異的電場感應效應逐漸突現。由于科普工作滯后，缺乏針對性，大多數人仍難以識別觸及電場中感應有不同電位的導體時的效應與直接觸電對人體作用的差別。

觸及電場中感應有不同電位的導體（如車輛、未良好接地的金屬長桿等）時，人體通常不會遭受直接傷害的根本原因是：處在感應電場中的物體所感應、積累的電荷是通過空氣的電容耦合作用從高壓輸電線路上獲得，而不是由低內阻的電源源源不斷地供給的。相對于電場中感應有電荷的導體而言，懸掛在高空遠處的高壓輸電線路事實上形成一個高內阻抗的電源。它通過電場中的物體，能向人體輸送的接觸電流（電流回路中包括有絕緣良好的空氣）相對于觸電電流而言是極其微小的。

研究與實驗一致表明，在10 kV/m的電場強度下，人腳部直接接地（赤腳或用金屬絲扎在腳踝直接接地）時，人體感應電流最大值出現在腳部電流引出處，腳部感應電流最大值僅約140 mA，整個體內各處電流均遠比0.5 mA小得多，對人體不可能構成傷害，通常不能為大部分人所感知。

4.3 輸電線路下方電場效應的緩解措施

盡管全球絕大多數國家超高壓輸電線路走廊內工頻電場強度的控制標準基本都在10 kV/m左右，接近10 kV/m的場強只出現在500 kV及以上的超高壓輸電線路弧垂最低的局部地塊，但通過該地塊或在該處停留的人（特別是高個子直立的人）在碰觸與輸電線路平行的不接地的長金屬桿狀物，如欄桿、兩端開斷的低壓配電線路，或大型不接地物體（如輪胎絕緣良好的大型車輛）時，會感受到不愉快的火花放電痛感。由于個體對電場的敏感性存在極大差異，要想通過降低標準限值，一律用抬高線路對地高度來完全消除線下的電場效應是不現實的。

但通過采取工程與管理的措施，如將金屬物體接地以泄放金屬物體上的感應電荷，或盡量消除長距離平行走向低壓配電線，可以降低電場效應及人體接觸電流可能帶給人們的影響。

此外，認真對待線路周圍公眾對高壓輸電線路周圍一些電物理現象的質疑，主動調查、了解居民反映的事實真相，積極傳播輸變電設施的電場、磁場及其環境影響的科普知識，將有利于消除公眾不必要的焦慮和恐慌。

5 結論

（1）無明顯跡象表明低頻磁場會帶來長期健康風險，嚴格執行國際曝露標準可有效保護公眾健康。

（2）低頻電場不會帶來健康問題，但體外電場效應是客觀存在的，輸電線下大型金屬物體的感應電可能使人感受到接觸電流或火花放電的現象。電力企業在堅持執行標準、依法建設的同時，應主動采取工程與管理的措施緩解引起煩惱的電場效應。

（3）應針對公眾疑慮，加強對電的科學知識普及，消除對高壓輸電線路電場不必要的誤解與炒作。

[1]楊新村，李毅，譯.WHO“國際電磁場計劃”的評估結論與建議[M].北京：中國電力出版社.

（本文編輯：徐 晗）

Power-frequency Electric Field and Magnetic Field and the Electric Field Effect of HV Transmission Lines

MAO Wenli1，YANG Xincun2，LI Haiping3
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Shanghai Electric Power Research Institute，Shanghai 200000，China；3.State Grid Jinhua Power Supply Company，Jinhua Zhejiang 321017，China）

This article introduces and analyzes characteristics of the electromagnetic environment of power transmission&transformation infrastructures and indicates that low-frequency electric field and magnetic field have no impact on human health.The paper mainly expounds the electric field effect around HV transmission lines such as in vivo biological effect，in vitro electric field stimulation effect and so on；besides，it indicates that electric shock and response of contact stimulus are fundamentally different，and scientific knowledge should be popularized to eliminate unnecessary worry and panic.

power transmission&transformation infrastructure；electric field；magnetic field；electric field effect

X591

B

1007-1881（2016）06-0026-04

2016-01-06

毛文利（1968），女，高級工程師，從事電力環保技術研究和電網環保技術監督工作。