1 000 kV/500 kV 同塔混压四回交流输电线路电磁暴露安全评估

杜庆中 逯 迈

1（兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室 兰州730070）

2（兰州交通大学自动化与电气工程学院 兰州730070）

目前，我国各领域对电力的需求不断增加，特高压输电成为跨区域输电的主要途径［1-3］。据相关研究表明，长期暴露于电磁脉冲中，生物机能会出现损伤［4-5］；而长期处于极低频电磁场中，中枢神经系统的机能也会产生障碍，出现头晕头痛、失眠多梦、记忆力减退等症状［6-8］。特高压输电线下的电磁环境安全性得到人们广泛关注。近年来，许多学者对此开展大量研究，计算分析了特高压单回线路的工频电磁场、可听噪音、无线电干扰等影响环境问题［9-13］，对特高压交流输电线路下的电磁环境也进行了大量实测分析［14-15］。

对于处在输电线电磁环境中特高压线路电磁场对生物体的影响，文献基本以单回线路研究为主［16-20］。目前，国内外针对特高压同塔混压四回输电线路的相关研究较少，主要研究输电线下电磁场的空间分布规律［21-22］；对于电磁场和人体间相互作用的研究也较少，例如，文献［23］计算了作业人员体表电场，未对输电线下人体中的感应电场进行计算，计算时未考虑更为重要的中枢神经系统等。

我国东中部地区土地资源稀缺，且仍将长期成为我国电力消费的主要地区，预计到2050 年，东中部用电量仍占全国用电量的60%以上，而多回输电线路同塔架设则可节约线路走廊与工程投资，有效解决线路通道问题。此外相比单回路输电，同塔混压四回输电线路下的电磁场分布将变得更加复杂多样。目前，人体暴露于同塔混压四回输电线路下，对人体中的感应电场的计算研究基本处于空白。因此，有必要评估1 000 kV/500 kV同塔混压四回输电线路下人员的安全性，对处于此环境时人体内的感应电场分布进行计算分析，其结果可为我国1 000 kV/500 kV 同塔混压四回输电线电磁暴露的防护标准制定提供参考依据。

本文使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件，首先计算了人体在1 000 kV/500 kV 同塔混压四回线路下三种特殊运行状态（1 000 kV与500 kV共同运行、1 000 kV 单独运行、500 kV 单独运行）时，工频磁场与人体感应电场的分布情况，然后计算了9种典型相序排列时人脑组织最大感应电场强度，最后将这些计算结果同国际非电离辐射防护委员会（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP）导 则［24-25］比较，对我国1 000 kV/500 kV 同塔混压四回输电线路的电磁暴露进行安全评估。

1 原理与模型

1.1 原理

由于无法对人体内部进行感应电场的直接测量，所以目前通常使用低频电磁计量学的方法来计算分析低频电磁场对人体的健康影响。

因输电线的频率为50 Hz，其波长尺寸（6 000 km）远大于研究模型的尺寸，所以认为50 Hz输电线其周围产生的磁场为磁准静态场，而处于工频磁场的人员在其内部各种组织会产生感应电场。对于磁准静态场的数值求解，须满足计算公式：磁位的三维涡流场控制方程（1）、（2），磁准静态场中感应电场强度E与A和ϕ的关系式（3）。

式中：μ 为磁导率（H/m）；σ 为电导率（S/m）；ϕ为电位（V）；A为矢量磁位（Wb/m）；J为电流密度矢量（A/m2）；t为时间（s）；E为感应电场强度矢量（V/m）。

对式（1）、（2）进行数值分析，使用有限元法求得A 和ϕ 的分布［26］，根据式（3）得出人体内的感应电场强度。

1.2 输电线塔杆模型

我国淮南-南京-上海特高压工程于，江苏省界-华新站地区使用1 000 kV/500 kV 同塔混压四回架设，1 000 kV 与500 kV 共塔长度为18.3 km。典型1 000 kV/500 kV 同塔四回架设的杆塔结构见图1 所示［27-29］。

模型中1 000 kV 双回输电线使用垂直排列，500 kV 双回输电线为三角排列，导线型号 分 别 为8×JL1/LHA1-465/210 和 为4×JL/G1A-630/45，1 000 kV 特高压与500 kV 超高压都使用V 型绝缘子串。计算中考虑1 000 kV 双回线路所输送的功率为2×5 000 MW，500 kV双回线路为2×1 500 MW，功率因数取0.95，考虑线路损耗等因素的影响，模型中500 kV 交流输电线的电流有效值为1 700 A，1 000 kV交流输电线的电流有效值为3 000 A。模型计算只考虑输电线路的主体部分，忽略绝缘子和金具等对输电线下电磁场的影响，相序排列如图1 所示， 其中1 000 kV 双回相序排列为ABC-CBA，500 kV双回相序排列为BAC-CBA。

1.3 人体模型

模型中人体身高参照我国成年人的身材比例建立，取1.75 m。本文重点研究1 000 kV/500 kV同塔混压四回输电线下电磁场对人体中枢神经造成的影响，所以头部构建略微精细。头部是由半轴分别为0.092 m、0.092 m、0.120 m 半椭球与半球的结合体，以及半径是0.085 m、0.080 m 的球体来组成三层球模型模拟成年人头部的皮肤、颅骨和脑组织，人体其余的躯干等结构为一整体，如图2 所示。人体模型处于线路对地投影正中心处。

1 000 kV/500 kV 同塔四回交流输电线下人体磁感应强度与感应电场强度的影响因素不仅与激励源及杆塔周围环境有关，还与人体各部位组织的结构、电导率以及相对介电常数有着密切关系。计算人体的各部位组织的介电参数，通常国际上使 用Gabriel 所 提 出 的 四 阶Cole-Cole 模 型［30］，见式（4）。

式中：ε∗r 为复相对介电常数；ε′r为相对介电常数（即的实部）；ε″r为损耗因子（即的虚部）；εr∞为光频处的相对介电常数值；εrn为相对介电常数增量；τn为中心弛豫时间；α 为弛豫分布的时间，取α 值为0～1；σi为离子电导率；ω 为角频率；ε0为真空的介电常数。

假定人体中各部位组织介质为均匀分布，在工频环境下，得到人体各组织的相对介电常数及电导率如表1所示。

表1 50 Hz时人体各组织或部位介电常数和电导率Table 1 Permittivity and conductivity of human tissues or parts at 50 Hz

1.4 计算模型

COMSOL Multiphysics 是 瑞 典COMSOL 集 团推出的一款高级仿真软件，是基于有限元法，进行求解偏微分方程组来实现对真实物理现象的仿真。本文采用COMSOL Multiphysics 的AC/DC 模块的磁场接口进行仿真计算。建立人体与输电线塔杆三维模型，人体脚底与地面接触。场域边界取较远处，进行磁绝缘截断，当截断边界取很大时，加上剖分控制，可使截断误差控制在工程要求范围内［31］。求解域采用自由网络划分，求解的自由度数为4 674 374，需使用32 G 内存计算机计算。

2 计算结果

2.1 磁感应强度与分布

计算得到不同运行方式时在人体及其周边磁感应分布。图3（a）为1 000 kV 与500 kV 共同运行时仿真结果；图3（b）为1 000 kV 单独运行时仿真结果；图3（c）为500 kV 单独运行时仿真结果。从图3可以看出，人体虽然处于磁场中，但人体内与周围环境中的磁感应强度分布基本一致，磁导率近似为1，人体不会对磁场产生明显干扰，磁感应强度呈现从上而下递减趋势。

人体内的磁感应强度分布见图4，在1 000 kV与500 kV 共同运行状态下，人体内最大磁感应强度为8.02 μT；1 000 kV 单独运行时则为0.28 μT，与共同运行时相比降低许多，占共同运行时3.5%；500 kV 单独运行状态时为6.86 μT，是共同运行时的85.5%。由此可见，500 kV单独运行时人体的最大磁感应强度大于1 000 kV 单独运行时。将不同运行状态下所计算的最大值与ICNIRP 2010导则中的公众电磁暴露基本限值200 μT 进行比较，人体中最大磁感应强度分别占限值的4.0%、0.14%、3.4%，均小于安全限值。

2.2 感应电场

2.2.1 人体感应电场

当人体位于交变磁场中时，依照法拉第电磁感应定律，会在人体各组织部位生成感应电场。人体的感应电场受到生物组织特性与所处位置等因素的影响。图5（a）为1 000 kV 与500 kV 共同运行下的人体感应电场分布，人体中感应电场较强的部位主要分布在肩、臂等处，最大值为13.4 mV/m；图5（b）为1 000 kV 单独运行时的人体内的感应电场分布，此时人体中感应电场较强区域发生变化，分布于人体下侧部位，主要出现在脚踝、小腿以及颈部等较细部位，感应电场最大值为84.5 mV/m，相比共同运行时有所增强；图5（c）为500 kV 单独运行时的人体感应电场分布。

人体感应电场较强的部位与1 000 kV 单独运行时相似，但相比1 000 kV 单独运行时最大感应电场强度有所减小，为61.90 mV/m。所计算出的最大值分别与ICNIRP导则中的公众暴露限值400 mV/m相比较，分别占限值的3.4%、21.1%、15.5%。

2.2.2 头部感应电场

不同运行状态下头部中心处纵切面（yOz 切面）如图6 所示，感应电场呈左右近似对称分布。在1 000 kV 与500 kV 共同运行时，人体头部感应电场最强部位出现在颅骨中，最大值为0.858 mV/m；切面图中脑组织最大值为0.420 mV/m。1 000 kV或500 kV 单独运行时，感应电场最大部位也出现在颅骨中，最大值分别为7.54 mV/m、5.47 mV/m；脑组织中的最大值分别为3.43 mV/m、2.49 mV/m。ICNIRP 导则中对于中枢神经系统公众暴露限值为20 mV/m。不同运行状态时人体脑组织感应电场最大值分别占限值的2.1%、17.2%、12.5%。

不同运行状态下人体头部中部处横切面感应电场分布见图7。1 000 kV 与500 kV 共同运行时，感应电场呈前后近似对称分布，场强最大部位出现在前后颅骨处，感应电场最大值为0.719 mV/m；切面图上脑组织感应电场最大值为0.376 mV/m。1 000 kV单独运行情况下，感应电场最大部位也出现在颅骨中，最大为2.22 mV/m；脑组织中最大值为1.97 mV/m。500 kV单独运行时，感应电场最大部位出现在前侧颅骨中，最大值为1.67 mV/m；脑组织中最大值为1.51 mV/m。脑组织中感应电场最大值分别占限值的1.9%、9.9%、7.6%。

2.3 不同相序时人脑组织感应电场

相序的不同排列会对输电线下电磁场产生较大影响，而长期暴露于极低频电磁场中的人员，中枢神经系统机能会产生障碍。为了解在不同相序下1 000 kV/500 kV 同塔混压四回输电线下电磁场对人脑组织的影响，进一步计算了9种典型相序排列时的人脑组织中最大感应电场强度。相序分布如表2所示。

表2 1 000 kV/500 kV同塔混压四回交流输电线路典型相序排列Table 2 Phase sequence arrangements for quadruple-circuit AC transmission line with 1 000 kV/500 kV dual voltage on the same tower

在不同相序情况下计算人脑组织最大感应电场并将结果绘制成图8所示的柱状图。对比不同相序，可以看出第5 相序排列，即1 000 kV 为同相序、500 kV 为对称排列时脑组织中的最大感应电场最高，值为0.708 mV/m；而第7 相序排列，即1 000 kV 与500 kV 都为异相序排列时脑组织中最大感应电场最低，值为0.332 mV/m。在这9种典型相序中，脑组织中最大感应电场最高时为最低时的2.13倍。

通过比对1、4、7 或2、5、8 或3、6、9 相序排列，可以看出1 000 kV 同序排列时脑组织中感应电场最强，而1 000 kV 异序排列时最弱。通过比对1、2、3 或4、5、6 或7、8、9 相序排列，可以看出500 kV对称排列时脑组织中感应电场最强，而500 kV 异序排列时最弱。这9 种相序排列时的脑组织中最大感应电场均小于限值。

3 讨论

我国各领域对电力的需求以及土地的成本不断增加，多回输电线路同塔架设成为特高压输电的一个发展趋势，对其线路下方电磁环境及电磁暴露问题的研究有重要的现实意义。许多文献研究的重点在于特高压单回线路的电磁环境问题，如文献［32］、［33］对于特高压交流输电线路电磁环境研究。针对特高压同塔混压四回输电线路的相关研究较少，其中以研究输电线下电磁场的空间分布规律为主，对输电线下电磁场与人体间相互作用的研究基本处于空白。

本文计算了不同运行状态和9种典型相序排列时1 000 kV/500 kV 同塔混压四回交流输电线电磁场对人体所产生的影响，得出4点主要结论。

（1）在1 000 kV 与500 kV 共同运行状态下，人体内最大磁感应强度为8.02 μT；1 000 kV 单独运行时则为0.281 μT，是共同运行时的3.5%；500 kV单独运行时为6.86 μT，是共同运行时的85.5%。虽1 000 kV 电压等级较500 kV 高，但500 kV 输电线较1 000 kV 距人体更近，此因素对人体周围磁场影响更为显著，500 kV 单独运行时的人体最大磁感应强度大于1 000 kV 单独运行时。将不同运行状态下所计算最大磁感应强度与ICNIRP 2010导则限值200 μT 比较，分别为限值的4.0%、0.14%、3.4%，均小于限值。

（2）1 000 kV 与500 kV 共同运行时，人体中的最大感应电场为13.4 mV/m，1 000 kV或500 kV单独运行时，最大感应电场分别为84.5 mV/m 或61.9 mV/m。这3种状态与ICNIRP导则中的公众暴露限值400 mV/m 相比较，分别为限值的3.4%、21.1%、15.5%，均小于限值。1 000 kV 或500 kV单独运行时与共同运行时相比，人体中感应电场分布发生改变，从共同运行时的人体中肩与臂感应电场较强变为单独运行时的颈部与小腿等部位感应电场较强。

（3）在1 000 kV与500 kV共同运行，1 000 kV或500 kV 单独运行时，人体头部中心处纵切面脑组织感应电场最大值分别0.420 mV/m、3.43 mV/m、2.49 mV/m，同ICNIRP 导则中对中枢神经系统公众暴露限值20 mV/m 比较，分别为限值的2.1%、17.2%、12.5%。1 000 kV 与500 kV 共 同 运 行，1 000 kV 或500 kV 单独运行时，人体头部中部处横切面中脑组织感应电场最大值分别为0.376 mV/m、1.97 mV/m、1.51 mV/m，分别为限值的1.9%、9.9%、7.6%，均小于限值。

（4）对比不同相序情况下计算人体脑组织最大感应电场，1 000 kV 与500 kV 都为异相序排列时人体脑组织中最大感应电场最低，为0.332 mV/m。1 000 kV 为同相序，500 kV 为对称排列时人体脑组织中最大感应电场最高，值为0.708 mV/m；低于限值。9种典型相序中，人体脑组织中最大感应电场最高时为最低时的2.13 倍。通过对比1 000 kV/500 kV 同塔混压四回交流输电线下不同相序时人体脑组织感应电场强度，1 000 kV双回同序排列时脑组织中感应电场强于逆相序与异相序排列，500 kV 双回对称相序排列时脑组织中感应电场强于异相序排列。

综上所述，1 000 kV/500 kV 同塔混压四回交流输电线路不同运行状态下，人体中磁感应强度、感应电场强度最大值均小于ICNIRP 导则中的限值，不同相序时人体脑组织感应电场强度最大值也都低于限值。说明1 000 kV/500 kV 同塔混压四回交流输电线所产生的电磁暴露对于人体的健康不会造成威胁。