特高壓交流輸電線路下人體遭受輻射的評估

田 瑞

(蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

特高壓交流輸電線路下人體遭受輻射的評估

田 瑞

(蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

應用有限元分析方法計算了1 000 kV特高壓交流水平輸電線路下方人體模型內的感應電場效應，對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，人體模型內部感應電場強度和感應電流密度的分布;并計算了人體雙腳與地面絕緣情況下，導線距地不同高度時人體模型內感應電場強度和感應電流密度的最大值。該研究結果以期能較真實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；有限元法；電磁暴露；感應電場；輻射

0 引言

隨著我國對電力的需求越來越大，特高壓輸電線路建設規(guī)模不斷擴大，特高壓輸電已成為我國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，是我國大氣污染防治行動計劃12條重點輸電通道中首批獲得開工建設的項目，標志著特高壓電網全面進入大規(guī)模建設階段。特高壓輸電網具有送電距離長、損耗小、節(jié)省土地資源、節(jié)約能源等優(yōu)點。

特高壓交流輸電線路輸送1 000 kV，50 Hz交流電，在輸電線路周圍會產生工頻電場、工頻磁場以及電暈放電等電磁現象，50 Hz的工頻電磁場屬于極低頻電磁場。在低頻電磁場中，人體作為一種良導體會擾亂外部電場的分布，感應電荷會匯集在人體表面，同是會在人體內產生感應電場、感應電流，所以暴露在低頻電場中的人體由于表面感應電荷效應會產生生物響應。

以1 000 kV單回路特高壓交流輸電線路為研究對象，仿真計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人體內的感應電場和感應電流密度，以及計算在人體與地面絕緣情況下，導線距離地面多遠時，人體內的感應電場強度會超過ICNIRP(國際非電離輻射防護委員會)給定的公眾和職業(yè)暴露參考值。

1 原理與模型構建

1.1 原理

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

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

在上式中：H為磁場強度，A/m；J為電流密度，A/m2；D為電通量密度，C/m2；E為電場強度，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模塊內建立二維單塔單回路水平方式特高壓輸電線路模型，導線距地面高度為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。

模型構建完成后，ec接口內分別給3根導線加載電壓激勵。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。根據意大利國家研究委員會應用物理研究所提供的50 Hz下人體各組織的介電參數(介電常數和電導率)對人體材料進行選取。50 Hz下人體組織的介電參數如表1所示，其中大腦的介電參數取腦脊液、腦白質和腦灰質這3種組織的平均值，軀干的介電參數取肌肉、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

2 結果及分析

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，人體內感應電場強度、感應電流密度如圖1，2所示。由圖1可以看出，人體處在低頻電場時，人體表面出現感應電荷，這些感應電荷在人體內感應產生電場。在人體頭頂處的感應電場最大，為2.51 kV/m；最小值出現在手指處，為2.65×10-3kV/m。人體的肩部感應電場也很大，肩部感應電場的最大值為1.15 kV/m。

從圖2可以看出，感應電流密度最大出現在大腦與頸部的連接處，為53.2 μA/m2；最小處出現在軀干部位，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，人體內感應電場、感應電流密度分布的情況如圖3，4所示。由圖3可以看出，人體頭頂處感應電場最大，為2.41 kV/m；手指處最小，為2.91×10-3kV/m。對比穿鞋與赤腳的情況下，頭頂部位感應電場在數量級上沒有變化，僅僅只是在鞋底部分感應電場強度有明顯差異，穿鞋時人體鞋底感應電場值為1.53 kV/m，為赤足時腳底感應電場強度的1.1倍。

圖1 雙腳與地面接觸時感應電場

圖2 雙腳與地面接觸時感應電流密度

由圖4可以看出，當人體穿鞋時感應電流密度的最大值出現在大腦與頸部的連接處，為50.9 μA/m2；感應電流最小值出現在軀干處，為2.96×10-7μA/m2。對比圖2和圖4可以看出，無論是穿鞋還是赤足站在大地上，人體內感應電流密度最大值均出現在大腦和頸部連接處，并且2種情況下感應電流密度的數量級相同。

通過仿真計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電場強度和感應電流密度，得到的結果是：在這2種情況下，|E|max和|J|max均小于ICNIRP導則提供的50 Hz頻率電場公眾暴露的參考值5 kV/m，2×10-3μA/m2。

圖3 雙腳與地面絕緣時感應電場

圖4 雙腳與地面絕緣時感應電流密度

2.3 導線距地面不同高度時人體內感應電場分布

根據國家電網公司企業(yè)標準Q/GDW/153— 2006《1 000 kV架空送電線路施工及驗收規(guī)范》中，對最大弧垂情況下導線距地面最小距離的要求(見表2)，計算了導線下方人體與地絕緣時人體內感應電場強度和感應電流密度分布情況。得到了導線距地面19—27 m時人體內感應電場強度和感應電流密度的最大值，結果如表3所示。

表2 標準中規(guī)定的導線距地面最小距離

表3 不同對地高度下人體內感應電場強度和感應電流密度最大值

由表3可看出，導線距地高度越大，即導線離人體越遠，人體感應電場強度最大值越小，感應電流密度最大值也越小。值得注意的是，當導線距地面26 m時，人體內感應電場強度最大值超過ICNIRP推薦的公眾暴露的參照水平5 kV/m；當導線距地高度為22 m時，人體內感應電場強度最大值超過ICNIRP推薦的職業(yè)暴露的參照水平10 kV/m。

3 結論

仿真計算了導線距地高度為48.3 m時，1 000 kV特高壓單塔單回路水平輸電線路下方的人體模型內感應電場和感應電流分布，和滿足標準情況下導線距地高度為19—27 m時人體內|E|max和|J|max，得出以下幾點結論。

(1) 人體表面及周圍產生畸變電場，人體頭頂部位感應電場強度最大，其次是肩部。

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

(3) 對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|的最大值出現的位置沒有發(fā)生改變。當雙腳與地絕緣時，足部的|E|和|J|值大于雙腳與地面良好接觸的情況。

(4) 隨著導線距地高度減小，人體內|E|和|J|逐漸增大。當導線距地26 m時，人體內感應電場強度最大值超過ICNIRP推薦的公眾暴露的參照水平；當導線距地22 m時，人體內感應電場強度最大值超過ICNIRP推薦的職業(yè)暴露的參照水平。

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

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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。