750 kV交流输电线下人体的工频电场效应分析

2016-02-16麻焕成林晓焕曹雯申巍汪通王洋

电力建设 2016年1期

麻焕成，林晓焕,曹雯，申巍，汪通，王洋

(1.西安工程大学电子信息学院，西安市710048; 2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安市710054; 3.电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)，西安市710049)

麻焕成1，林晓焕1,曹雯1，申巍2，汪通1，王洋3

随着输电线路电压等级的不断提高，工频电磁场问题越来越受到人们的关注。分析了750 kV输电线路下简化人体模型的电场效应，构建了双手下垂、双手上举、撑伞以及行走的人体模型，比较了不同姿势下人体感应电场的分布情况。以双手下垂模型为例，研究了架空输电线离地高度对人体电场效应的影响。仿真计算结果表明，人体的存在会使其所在空间的电场分布发生畸变，人体姿势的改变会影响感应电场的分布情况，局部场强最大值总是出现在人体轮廓的尖端部位，导线离地高度越大，其下方人体的感应电场值越小。不同姿势下人体模型的局部场强最大值在允许的数值范围之内，750 kV超高压输电线路的工频电场不会对人体健康造成危害。

750 kV；工频电场；仿真计算；有限元法(FEM)；人体模型

0 引言

随着我国社会经济的发展，人们对电力的需求越来越大。高压、特高压交流输电网络在我国相继出现，目前已形成以1 000 kV交流特高压和750、500 kV超高压线路为主骨架，结合 220、110 kV高压交流输电线路的电力网络系统[1-3]。交流电网的大规模建设，导致有些高压、超高压输电走廊不可避免地经过居民区。在人们追求健康的背景下，公众的环境质量意识不断增强，电磁场作为一种抽象的物质开始逐渐被人们所认识[4-6]。输电线路的高场强会导致感应电荷，一些人会感觉到毛发直立或皮肤有刺激感、不适感，甚至在有些情况下人体会与其他物体间产生放电，引起明显的刺痛感[7-9]。这些现象在不同程度上引起了许多普通居民的不安与恐慌，出于自身健康的考虑，公众会阻止电力建设部门从自己的居住处架设输电线，使电网建设无法顺利进行。

可见，应对高压输电线路下人体的电场效应问题进行深入研究，以解答公众心中的疑虑和推进电网的顺利发展。文献[6]分析了人体直立和行走2种模型的电场效应，给出了±800 kV直流输电线离地的平均高度，但作者所建的二维模型太粗糙，对人体姿势的建模过于单一。文献[10]构建了人体的二维模型，分析了2种不同姿势下的人体感应电压和感应电荷量，但其忽略了对人体感应电场的分析，所建模型又过于简单，与真实情况相比误差较大。文献[11]分析了人体接地与否2种情况下的感应电场以及感应电流分布情况，但没有研究导线离地高度对人体电场的影响。

本文以实际运行的750 kV架空输电线路为对象，在前人研究的基础上，建立多个不同姿势的三维人体模型，细化人体各个部位的参数，弥补前人二维模型的不足。详细分析人体双手上举、行走、撑伞等不同姿势下的电场效应问题。在此基础上，进一步分析导线离地高度不同时，人体的局部场强分布情况。希望为我国高压输电线路的电磁暴露问题提供数据，也希望为推进我国电网建设提供帮助。

1 仿真计算理论

人站立在特高压和超高压输电线路下，身体各部位会有感应电荷、感应电流和感应电场产生，其大小不仅与人体各器官的电导率和相对介电常数有关，而且与人体的姿势有关。仿真计算出的电势经过处理，可以得到感应电荷密度、感应电流密度、感应电场强度等一系列物理参数。本文重点分析人体感应电场，所采用的有限元算法(finite element method， FEM)是基于麦克斯韦方程而得[6]，其经典推导公式如下。

在相同介质中：

D=εE

(1)

微分形式的基本方程为

J=γE

(2)

E=-▽φ

(3)

▽E=0

(4)

(5)

式(1)～(3)中：D为电位移矢量；ε为介电常数；E为电场强度；J为电流密度；γ为电导率；φ为电位。

将式(1)、(2)、(3)代入(5)，得电场控制方程为

(6)

在两不同导电媒质分界面上，由电位函数φ表示的衔接条件为：

φ1=φ2

(7)

(8)

式中ρs为分界面分布的自由电荷面密度。

根据以上基本方程和边界条件即可解出各点的电势值，进而可以算出电场强度等一系列物理参数的值。

2 仿真计算模型

2.1 导线等效计算模型

工程应用中750 kV输电线路的杆塔高达60 m，采用的是六分裂导线，这些数据在进行仿真计算时占用了很大的计算机内存。为了节省计算机资源，搭建模型时省略了杆塔、绝缘子串、金具等，用与等效半径相等的单根导线代替六分裂导线。本文以6×LGJ-500/65型的输电线为研究对象，其中子导线直径为30.96mm，分裂导线间距为0.35m，A、B、C相两两相距12m。文献[10]中已证明了当导线长度大于16m时，电场的计算结果已接近实际测量值。本文所建模型导线长度均取24m，且忽略导线弧垂的影响，导线上赋以各相电压的峰值，相位差为120°、频率为50Hz，取地面为零电位。图1所示为六分裂导线的等效模型。

图1 六分裂导线等效半径示意图

分裂导线等效半径计算公式[9]：

(9)

式中：n为导线的分裂数；r为子导线的半径；R为输电线分裂半径。

根据式(9)可得出该六分裂导线的等效半径为0.8 m。

2.2 人体模型和计算参数设定

本文根据人体的实际尺寸建立模型，各部分肢体都是由常见的多面体构成。其中，头部由半径分别为0.086，0.093和0.110 m的3个球体组成，分别代表人体的大脑、颅骨以及头皮；脖颈由半径为0.052 m，高为0.052 m的圆柱体组成；双肩由长为0.17 m，宽为0.17 m，高为0.12 m的2个长方体组成；上身由长为0.15 m，宽为0.17 m，高为0.65 m的长方体和2个半径为0.085 m的半圆柱体拼接而成；胳膊由顶面半径为0.06 m，底面半径为0.025 m的2个平顶圆锥体组成；腿由顶面半径为0.12 m，底面半径为0.04 m的2个平顶圆锥体组成；脚由长为0.240 m，宽为0.086 m，高为0.040 m的长方体和半径为0.043 m，高为0.040 m的半圆柱拼接而成；人体总身高为1.8 m。图2为不同姿势的人体三维模型和人体行走的网格剖分模型，为了保证计算的精确度，剖分时采取特别细化。

图2 人体模型

在工频电场下，人体的相对介电常数不均匀，在105～5×107之间变化。这里假设模型中各个肢体模块是各向同性的均匀电介质，人体各组织的电导率和相对介电常数如表1所示[10]。

表1 人体模型中各组织参数

Table 1 Various tissue parameters of human body model

3 仿真结果分析

3.1 人体周围电位、电场分布

图3、4分别为站立在输电线正下方，人体周围的电势、电场分布云图。计算时取导线离地面的高度为25 m，由图3的计算结果可知，与周围空气中的电位变化相比，人体电位基本没发生变化，整个人体模型的电位与大地电位相等；因此，可将人体与大地看成是等电位的。人体与空气的电导率、相对介电常数不同，二者的这2个参数相差较大，在相对介电常数差值较大的2个物体接触面附近，电场分布会发生畸变。由图4可知，人体内部场强与部分皮肤表面的场强相差了近3个数量级；人体的存在使周围的电场分布发生了畸变，从头顶沿身体向下到手指，人体周围空气中的电场变化较明显，离人体较远的空间电场变化较小。其中，人体的整个头部、双肩及两手臂的外侧电场明显增大，局部尖端最大值达到了20 kV/m，但这一数值与人体皮肤感知的交流电场值240 kV/m相比非常小，对人体健康没有任何影响[12]。人体脖颈处及双臂的下部电场强度较小，几乎没有发生变化。这是因为人体的头部和双肩相对于其他部位较为凸出，其余部位相对凹陷，凸出的头部和肩部对其余部位起到了屏蔽作用。由计算结果可知，离地面高1.5 m处的场强值均在2 kV/m以下，明显小于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)规定的4 kV/m，人体完全处在一个安全的环境内。

图3 人体周围电势分布云图

图4 人体周围电场分布云图

3.2 人体不同姿势对电场效应的影响

人从输电线路下经过时，身体会有不同的姿势，本文仿照人体实际动作，建立了双手上举、撑伞、行走3种不同的计算模型，计算结果如图5所示。

图5 人体不同姿势时的电场分布云图

由图5可知，人体处于不同的姿势时会对身体附近的电场畸变产生一定的影响。人体双手上举时，身体表面的场强最大值出现在手掌附近。这是因为手臂上举等于拉近了身体对导线的距离，手掌处在整个人体尖端的最高处，其会感应出大量的正电荷，因此整个手掌附近的场强值最大。与图4双手下垂相比，场强最大值从头部转移到了手掌，头部场强由原来的18 kV/m减小为8 kV/m，由于上举的双手使得双肩不再是身体的尖端部位，故双肩处的场强值由原来的16 kV/m减小到6 kV/m，因少了双臂的蔽护，人体上身外侧的场强值为5 kV/m，较原来有所增加。人的一只手臂上举撑伞时，向上凸出的伞杆和手臂一起组成了模型的尖端部位，再加上伞杆是由金属材料构成，这些因素致使撑伞手臂附近的场强值最大，达到280 kV/m，是图4中最大值的14倍。由于伞的蔽护，其正下方和另一只手臂内侧的电场强度与图4中相比没有发生变化。由图5(c)的计算结果可以看出，当人体行走时头部和双肩的电场畸变情况与图4中的计算结果比较相似，场强值几乎没有发生大的变化。这是因为人体走动时身体凸出部位对导线的高度几乎不变，人的手臂虽然有摆动但其仍能对双肩以下的身体部位形成蔽护。因此，人体走动与人体双臂下垂2种情况下的电场分布基本一样。

图6为人体各种姿势下头颅附近的横切面电场分布云图。从图中可以看出，各种姿势下人体头颅内部的场强值基本都为0，头皮表面附近的场强值差别较大。其中，人体双手下垂和行走模型的头部电场分布较为相似，基本均匀对称分布，最大值约为15 kV/m。双手上举模型的头部电场值相对较小，最大值出现在人体的前额和后脑附近，为8 kV/m左右。两耳附近空气中的电场值几乎没有发生变化，因为上举的双手蔽护了这些部位，使得头部与手臂之间成了凹区，头部才会出现前后场强大，左右场强小的情况。同样，人体撑伞时，上举手臂与头部之间的凹区场强值较小，而其他部位的场强值因伞杆金属材料的介入而变得很大，最大值达到了150 kV/m，是图中6(a)、6(d)模型最大值的10倍。不过，这一场强值仍小于人体皮肤感知的交流电场值240 kV/m，人体仍然处在一个健康、安全的环境之中。

图6 头部感应电场分布云图

3.3 导线离地高度对人体电场效应的影响

《110～750 kV架空输电线路设计技术规定》中明确指出，750 kV交流架空输电线经过公路时，其对地的垂直距离不得小于19.5 m。输电导线距地面的垂直距离不同，地面上方1.5 m处的空间电场值就会有所不同。在架空输电线路设计技术规范内，本文以站立在输电导线正下方双手下垂的人体模型为例，研究导线对地垂直距离变化时人体感应电场的变化情况。图7为导线距地面高度分别为20，22，24，26 m时，人体各个部位的场强分布情况，图8中标出了模型中各个测量点的具体位置。

由图7可以看出导线离地面高度变化时，人体各部位电场的分布规律大致相同。头顶、耳朵、脖颈、肩膀4处的场强测量值在脖颈处骤然下降，这是脖颈相对凹陷的缘故。其中，头、耳、肩3处的场强值较大，腿部的场强值较小，脚部的场强值基本接近于0。随导线离地面高度的增加，身体各部位的感应电场值却有所减小。其中，头、耳、肩3处的变化最为明显。当导线离地高度从20 m增加到22 m时，头部场强值从65 kV/m减少到47 kV/m，减小了28%；增加到24 m时，场强值减少到27 kV/m，减少了62%；继续增加到26 m时，场强值变为15 kV/m，减少了77%。耳朵和肩膀处的感应电场变化幅度与头顶处的变化幅度相当。肩膀以下各部位的电场值也相应有所减小，但减小的幅度没有头、耳等部位处的大。导线离地面高度的增加，使距地面相同高度处的空间电场值减小，当有人体伫立在空间场强区时，人体表面的感应电场值也会相应减小。由上述分析结果可以看出，在导线对地垂直高度大于20 m时，人体的感应电场都在安全范围之内，人体所处的空间环境是十分安全的。通过对以上数据的比较分析，建议电力建设部门在架设导线时要保证离地面1.5 m处的未畸变电场值不得超过4 kV/m，在进行线路设计时控制好此数值，以减小人体感应电场，消除公众疑虑。

图7 导线距地面不同高度时人体各部位电场值

图8 人体感应电场测量点

4 结论

(1) 人站立于750 kV超高压交流输电线下，身体会使周围空气中的电场发生畸变，局部场强最大值主要集中在头、耳及双肩3处。仿真结果表明，感应场强最大值远小于人体皮肤的感应值。

(2) 人体处于不同姿势时，体表的感应电场分布会发生变化。其中，双手上举和撑伞时，场强最大值分别出现在高举的手掌和金属伞骨附近。特别是人体撑伞时，因为有金属的存在，伞骨附近的场强最大值是原来的14倍之多。因此，建议不要在输电线路下撑伞。

(3) 随导线距离地面高度的增加，人体感应电场值相应有所减小。电力建设部门在设计输电线路时，要保证离地面1.5 m处的未畸变电场值不得超过4 kV/m。

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(编辑张小飞)

Power Frequency Electric Field Effect on Human Body in 750 kV AC Transmission Lines

MA Huancheng1, LIN Xiaohuan1, CAO Wen1, SHEN Wei2, WANG Tong1, WANG Yang3

(1. School of Electronic Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Shaanxi Electric Power Company, Xi’an 710054, China; 3. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

With the continuous improvement of the voltage level of transmission line, people pay more and more attention to the power frequency electromagnetic field problems. This paper analyzes the power frequency electric field effects of simplified human body model in 750kV AC transmission lines. In order to compare the distribution of induced electric field of human body with different postures, prolapsing and lifting of hands, taking an umbrella and walking human body model is built. Taking both hands prolapse model as an example, we study the influence of the height from the ground to the overhead transmission line on human electric field effect. The simulation calculation results show that the existence of human body will change the distribution of the electric field near the ground. There will be the maximum local field strength near the head, ear and shoulder of human body. The change of body posture will affect the distribution of induced electric field and the maximum local field strength always appears in the contour parts of human body. The higher the wire above the ground is, the smaller the electric field value on human body is. It can be concluded that the maximum local field strength of human body model in different postures is still within the numerical range of health and the power frequency electric field of 750 kV UHV transmission line won’t cause harm to human body health.

750 kV; power frequency electric field; simulation calculation; finite element method (FEM); human body model

西安工程大学博士科研启动基金资助项目(BS1338)

TM 81; TM 75

1000-7229(2016)01-0050-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.008

2015-07-22

麻焕成(1989)，男，硕士研究生，主要研究方向为高电压与绝缘技术;

林晓焕(1964)，女，教授，硕士生导师，主要研究方向为电力系统远动及调度自动化;

曹雯(1983)，女，讲师，硕士生导师，主要研究方向为高电压与绝缘技术;

申巍(1983)，男，高级工程师，主要研究方向为绝缘劣化与绝缘检测;

汪通(1989)，男，硕士研究生，主要研究方向为电子负载网络拓扑。

The Project is supported by the Doctoral Scientific Research Foundation of Xi’an Polytechnic University (BS1338)