杜慶中 逯 邁

1（蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室 蘭州730070）

2（蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 蘭州730070）

目前，我國各領(lǐng)域?qū)﹄娏Φ男枨蟛粩嘣黾?，特高壓輸電成為跨區(qū)域輸電的主要途徑［1-3］。據(jù)相關(guān)研究表明，長期暴露于電磁脈沖中，生物機能會出現(xiàn)損傷［4-5］；而長期處于極低頻電磁場中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機能也會產(chǎn)生障礙，出現(xiàn)頭暈頭痛、失眠多夢、記憶力減退等癥狀［6-8］。特高壓輸電線下的電磁環(huán)境安全性得到人們廣泛關(guān)注。近年來，許多學(xué)者對此開展大量研究，計算分析了特高壓單回線路的工頻電磁場、可聽噪音、無線電干擾等影響環(huán)境問題［9-13］，對特高壓交流輸電線路下的電磁環(huán)境也進行了大量實測分析［14-15］。

對于處在輸電線電磁環(huán)境中特高壓線路電磁場對生物體的影響，文獻基本以單回線路研究為主［16-20］。目前，國內(nèi)外針對特高壓同塔混壓四回輸電線路的相關(guān)研究較少，主要研究輸電線下電磁場的空間分布規(guī)律［21-22］；對于電磁場和人體間相互作用的研究也較少，例如，文獻［23］計算了作業(yè)人員體表電場，未對輸電線下人體中的感應(yīng)電場進行計算，計算時未考慮更為重要的中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。

我國東中部地區(qū)土地資源稀缺，且仍將長期成為我國電力消費的主要地區(qū)，預(yù)計到2050 年，東中部用電量仍占全國用電量的60%以上，而多回輸電線路同塔架設(shè)則可節(jié)約線路走廊與工程投資，有效解決線路通道問題。此外相比單回路輸電，同塔混壓四回輸電線路下的電磁場分布將變得更加復(fù)雜多樣。目前，人體暴露于同塔混壓四回輸電線路下，對人體中的感應(yīng)電場的計算研究基本處于空白。因此，有必要評估1 000 kV/500 kV同塔混壓四回輸電線路下人員的安全性，對處于此環(huán)境時人體內(nèi)的感應(yīng)電場分布進行計算分析，其結(jié)果可為我國1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回輸電線電磁暴露的防護標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考依據(jù)。

本文使用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件，首先計算了人體在1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回線路下三種特殊運行狀態(tài)（1 000 kV與500 kV共同運行、1 000 kV 單獨運行、500 kV 單獨運行）時，工頻磁場與人體感應(yīng)電場的分布情況，然后計算了9種典型相序排列時人腦組織最大感應(yīng)電場強度，最后將這些計算結(jié)果同國際非電離輻射防護委員會（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP）導(dǎo) 則［24-25］比較，對我國1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回輸電線路的電磁暴露進行安全評估。

1 原理與模型

1.1 原理

由于無法對人體內(nèi)部進行感應(yīng)電場的直接測量，所以目前通常使用低頻電磁計量學(xué)的方法來計算分析低頻電磁場對人體的健康影響。

因輸電線的頻率為50 Hz，其波長尺寸（6 000 km）遠大于研究模型的尺寸，所以認為50 Hz輸電線其周圍產(chǎn)生的磁場為磁準(zhǔn)靜態(tài)場，而處于工頻磁場的人員在其內(nèi)部各種組織會產(chǎn)生感應(yīng)電場。對于磁準(zhǔn)靜態(tài)場的數(shù)值求解，須滿足計算公式：磁位的三維渦流場控制方程（1）、（2），磁準(zhǔn)靜態(tài)場中感應(yīng)電場強度E與A和?的關(guān)系式（3）。

式中：μ 為磁導(dǎo)率（H/m）；σ 為電導(dǎo)率（S/m）；?為電位（V）；A為矢量磁位（Wb/m）；J為電流密度矢量（A/m2）；t為時間（s）；E為感應(yīng)電場強度矢量（V/m）。

對式（1）、（2）進行數(shù)值分析，使用有限元法求得A 和? 的分布［26］，根據(jù)式（3）得出人體內(nèi)的感應(yīng)電場強度。

1.2 輸電線塔桿模型

我國淮南-南京-上海特高壓工程于，江蘇省界-華新站地區(qū)使用1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回架設(shè)，1 000 kV 與500 kV 共塔長度為18.3 km。典型1 000 kV/500 kV 同塔四回架設(shè)的桿塔結(jié)構(gòu)見圖1 所示［27-29］。

模型中1 000 kV 雙回輸電線使用垂直排列，500 kV 雙回輸電線為三角排列，導(dǎo)線型號 分 別 為8×JL1/LHA1-465/210 和 為4×JL/G1A-630/45，1 000 kV 特高壓與500 kV 超高壓都使用V 型絕緣子串。計算中考慮1 000 kV 雙回線路所輸送的功率為2×5 000 MW，500 kV雙回線路為2×1 500 MW，功率因數(shù)取0.95，考慮線路損耗等因素的影響，模型中500 kV 交流輸電線的電流有效值為1 700 A，1 000 kV交流輸電線的電流有效值為3 000 A。模型計算只考慮輸電線路的主體部分，忽略絕緣子和金具等對輸電線下電磁場的影響，相序排列如圖1 所示， 其中1 000 kV 雙回相序排列為ABC-CBA，500 kV雙回相序排列為BAC-CBA。

1.3 人體模型

模型中人體身高參照我國成年人的身材比例建立，取1.75 m。本文重點研究1 000 kV/500 kV同塔混壓四回輸電線下電磁場對人體中樞神經(jīng)造成的影響，所以頭部構(gòu)建略微精細。頭部是由半軸分別為0.092 m、0.092 m、0.120 m 半橢球與半球的結(jié)合體，以及半徑是0.085 m、0.080 m 的球體來組成三層球模型模擬成年人頭部的皮膚、顱骨和腦組織，人體其余的軀干等結(jié)構(gòu)為一整體，如圖2 所示。人體模型處于線路對地投影正中心處。

1 000 kV/500 kV 同塔四回交流輸電線下人體磁感應(yīng)強度與感應(yīng)電場強度的影響因素不僅與激勵源及桿塔周圍環(huán)境有關(guān)，還與人體各部位組織的結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率以及相對介電常數(shù)有著密切關(guān)系。計算人體的各部位組織的介電參數(shù)，通常國際上使 用Gabriel 所 提 出 的 四 階Cole-Cole 模 型［30］，見式（4）。

式中：ε?r 為復(fù)相對介電常數(shù)；ε′r為相對介電常數(shù)（即的實部）；ε″r為損耗因子（即的虛部）；εr∞為光頻處的相對介電常數(shù)值；εrn為相對介電常數(shù)增量；τn為中心弛豫時間；α 為弛豫分布的時間，取α 值為0～1；σi為離子電導(dǎo)率；ω 為角頻率；ε0為真空的介電常數(shù)。

假定人體中各部位組織介質(zhì)為均勻分布，在工頻環(huán)境下，得到人體各組織的相對介電常數(shù)及電導(dǎo)率如表1所示。

表1 50 Hz時人體各組織或部位介電常數(shù)和電導(dǎo)率Table 1 Permittivity and conductivity of human tissues or parts at 50 Hz

1.4 計算模型

COMSOL Multiphysics 是 瑞 典COMSOL 集 團推出的一款高級仿真軟件，是基于有限元法，進行求解偏微分方程組來實現(xiàn)對真實物理現(xiàn)象的仿真。本文采用COMSOL Multiphysics 的AC/DC 模塊的磁場接口進行仿真計算。建立人體與輸電線塔桿三維模型，人體腳底與地面接觸。場域邊界取較遠處，進行磁絕緣截斷，當(dāng)截斷邊界取很大時，加上剖分控制，可使截斷誤差控制在工程要求范圍內(nèi)［31］。求解域采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分，求解的自由度數(shù)為4 674 374，需使用32 G 內(nèi)存計算機計算。

2 計算結(jié)果

2.1 磁感應(yīng)強度與分布

計算得到不同運行方式時在人體及其周邊磁感應(yīng)分布。圖3（a）為1 000 kV 與500 kV 共同運行時仿真結(jié)果；圖3（b）為1 000 kV 單獨運行時仿真結(jié)果；圖3（c）為500 kV 單獨運行時仿真結(jié)果。從圖3可以看出，人體雖然處于磁場中，但人體內(nèi)與周圍環(huán)境中的磁感應(yīng)強度分布基本一致，磁導(dǎo)率近似為1，人體不會對磁場產(chǎn)生明顯干擾，磁感應(yīng)強度呈現(xiàn)從上而下遞減趨勢。

人體內(nèi)的磁感應(yīng)強度分布見圖4，在1 000 kV與500 kV 共同運行狀態(tài)下，人體內(nèi)最大磁感應(yīng)強度為8.02 μT；1 000 kV 單獨運行時則為0.28 μT，與共同運行時相比降低許多，占共同運行時3.5%；500 kV 單獨運行狀態(tài)時為6.86 μT，是共同運行時的85.5%。由此可見，500 kV單獨運行時人體的最大磁感應(yīng)強度大于1 000 kV 單獨運行時。將不同運行狀態(tài)下所計算的最大值與ICNIRP 2010導(dǎo)則中的公眾電磁暴露基本限值200 μT 進行比較，人體中最大磁感應(yīng)強度分別占限值的4.0%、0.14%、3.4%，均小于安全限值。

2.2 感應(yīng)電場

2.2.1 人體感應(yīng)電場

當(dāng)人體位于交變磁場中時，依照法拉第電磁感應(yīng)定律，會在人體各組織部位生成感應(yīng)電場。人體的感應(yīng)電場受到生物組織特性與所處位置等因素的影響。圖5（a）為1 000 kV 與500 kV 共同運行下的人體感應(yīng)電場分布，人體中感應(yīng)電場較強的部位主要分布在肩、臂等處，最大值為13.4 mV/m；圖5（b）為1 000 kV 單獨運行時的人體內(nèi)的感應(yīng)電場分布，此時人體中感應(yīng)電場較強區(qū)域發(fā)生變化，分布于人體下側(cè)部位，主要出現(xiàn)在腳踝、小腿以及頸部等較細部位，感應(yīng)電場最大值為84.5 mV/m，相比共同運行時有所增強；圖5（c）為500 kV 單獨運行時的人體感應(yīng)電場分布。

人體感應(yīng)電場較強的部位與1 000 kV 單獨運行時相似，但相比1 000 kV 單獨運行時最大感應(yīng)電場強度有所減小，為61.90 mV/m。所計算出的最大值分別與ICNIRP導(dǎo)則中的公眾暴露限值400 mV/m相比較，分別占限值的3.4%、21.1%、15.5%。

2.2.2 頭部感應(yīng)電場

不同運行狀態(tài)下頭部中心處縱切面（yOz 切面）如圖6 所示，感應(yīng)電場呈左右近似對稱分布。在1 000 kV 與500 kV 共同運行時，人體頭部感應(yīng)電場最強部位出現(xiàn)在顱骨中，最大值為0.858 mV/m；切面圖中腦組織最大值為0.420 mV/m。1 000 kV或500 kV 單獨運行時，感應(yīng)電場最大部位也出現(xiàn)在顱骨中，最大值分別為7.54 mV/m、5.47 mV/m；腦組織中的最大值分別為3.43 mV/m、2.49 mV/m。ICNIRP 導(dǎo)則中對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)公眾暴露限值為20 mV/m。不同運行狀態(tài)時人體腦組織感應(yīng)電場最大值分別占限值的2.1%、17.2%、12.5%。

不同運行狀態(tài)下人體頭部中部處橫切面感應(yīng)電場分布見圖7。1 000 kV 與500 kV 共同運行時，感應(yīng)電場呈前后近似對稱分布，場強最大部位出現(xiàn)在前后顱骨處，感應(yīng)電場最大值為0.719 mV/m；切面圖上腦組織感應(yīng)電場最大值為0.376 mV/m。1 000 kV單獨運行情況下，感應(yīng)電場最大部位也出現(xiàn)在顱骨中，最大為2.22 mV/m；腦組織中最大值為1.97 mV/m。500 kV單獨運行時，感應(yīng)電場最大部位出現(xiàn)在前側(cè)顱骨中，最大值為1.67 mV/m；腦組織中最大值為1.51 mV/m。腦組織中感應(yīng)電場最大值分別占限值的1.9%、9.9%、7.6%。

2.3 不同相序時人腦組織感應(yīng)電場

相序的不同排列會對輸電線下電磁場產(chǎn)生較大影響，而長期暴露于極低頻電磁場中的人員，中樞神經(jīng)系統(tǒng)機能會產(chǎn)生障礙。為了解在不同相序下1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回輸電線下電磁場對人腦組織的影響，進一步計算了9種典型相序排列時的人腦組織中最大感應(yīng)電場強度。相序分布如表2所示。

表2 1 000 kV/500 kV同塔混壓四回交流輸電線路典型相序排列Table 2 Phase sequence arrangements for quadruple-circuit AC transmission line with 1 000 kV/500 kV dual voltage on the same tower

在不同相序情況下計算人腦組織最大感應(yīng)電場并將結(jié)果繪制成圖8所示的柱狀圖。對比不同相序，可以看出第5 相序排列，即1 000 kV 為同相序、500 kV 為對稱排列時腦組織中的最大感應(yīng)電場最高，值為0.708 mV/m；而第7 相序排列，即1 000 kV 與500 kV 都為異相序排列時腦組織中最大感應(yīng)電場最低，值為0.332 mV/m。在這9種典型相序中，腦組織中最大感應(yīng)電場最高時為最低時的2.13倍。

通過比對1、4、7 或2、5、8 或3、6、9 相序排列，可以看出1 000 kV 同序排列時腦組織中感應(yīng)電場最強，而1 000 kV 異序排列時最弱。通過比對1、2、3 或4、5、6 或7、8、9 相序排列，可以看出500 kV對稱排列時腦組織中感應(yīng)電場最強，而500 kV 異序排列時最弱。這9 種相序排列時的腦組織中最大感應(yīng)電場均小于限值。

3 討論

我國各領(lǐng)域?qū)﹄娏Φ男枨笠约巴恋氐某杀静粩嘣黾?，多回輸電線路同塔架設(shè)成為特高壓輸電的一個發(fā)展趨勢，對其線路下方電磁環(huán)境及電磁暴露問題的研究有重要的現(xiàn)實意義。許多文獻研究的重點在于特高壓單回線路的電磁環(huán)境問題，如文獻［32］、［33］對于特高壓交流輸電線路電磁環(huán)境研究。針對特高壓同塔混壓四回輸電線路的相關(guān)研究較少，其中以研究輸電線下電磁場的空間分布規(guī)律為主，對輸電線下電磁場與人體間相互作用的研究基本處于空白。

本文計算了不同運行狀態(tài)和9種典型相序排列時1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回交流輸電線電磁場對人體所產(chǎn)生的影響，得出4點主要結(jié)論。

（1）在1 000 kV 與500 kV 共同運行狀態(tài)下，人體內(nèi)最大磁感應(yīng)強度為8.02 μT；1 000 kV 單獨運行時則為0.281 μT，是共同運行時的3.5%；500 kV單獨運行時為6.86 μT，是共同運行時的85.5%。雖1 000 kV 電壓等級較500 kV 高，但500 kV 輸電線較1 000 kV 距人體更近，此因素對人體周圍磁場影響更為顯著，500 kV 單獨運行時的人體最大磁感應(yīng)強度大于1 000 kV 單獨運行時。將不同運行狀態(tài)下所計算最大磁感應(yīng)強度與ICNIRP 2010導(dǎo)則限值200 μT 比較，分別為限值的4.0%、0.14%、3.4%，均小于限值。

（2）1 000 kV 與500 kV 共同運行時，人體中的最大感應(yīng)電場為13.4 mV/m，1 000 kV或500 kV單獨運行時，最大感應(yīng)電場分別為84.5 mV/m 或61.9 mV/m。這3種狀態(tài)與ICNIRP導(dǎo)則中的公眾暴露限值400 mV/m 相比較，分別為限值的3.4%、21.1%、15.5%，均小于限值。1 000 kV 或500 kV單獨運行時與共同運行時相比，人體中感應(yīng)電場分布發(fā)生改變，從共同運行時的人體中肩與臂感應(yīng)電場較強變?yōu)閱为氝\行時的頸部與小腿等部位感應(yīng)電場較強。

（3）在1 000 kV與500 kV共同運行，1 000 kV或500 kV 單獨運行時，人體頭部中心處縱切面腦組織感應(yīng)電場最大值分別0.420 mV/m、3.43 mV/m、2.49 mV/m，同ICNIRP 導(dǎo)則中對中樞神經(jīng)系統(tǒng)公眾暴露限值20 mV/m 比較，分別為限值的2.1%、17.2%、12.5%。1 000 kV 與500 kV 共 同 運 行，1 000 kV 或500 kV 單獨運行時，人體頭部中部處橫切面中腦組織感應(yīng)電場最大值分別為0.376 mV/m、1.97 mV/m、1.51 mV/m，分別為限值的1.9%、9.9%、7.6%，均小于限值。

（4）對比不同相序情況下計算人體腦組織最大感應(yīng)電場，1 000 kV 與500 kV 都為異相序排列時人體腦組織中最大感應(yīng)電場最低，為0.332 mV/m。1 000 kV 為同相序，500 kV 為對稱排列時人體腦組織中最大感應(yīng)電場最高，值為0.708 mV/m；低于限值。9種典型相序中，人體腦組織中最大感應(yīng)電場最高時為最低時的2.13 倍。通過對比1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回交流輸電線下不同相序時人體腦組織感應(yīng)電場強度，1 000 kV雙回同序排列時腦組織中感應(yīng)電場強于逆相序與異相序排列，500 kV 雙回對稱相序排列時腦組織中感應(yīng)電場強于異相序排列。

綜上所述，1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回交流輸電線路不同運行狀態(tài)下，人體中磁感應(yīng)強度、感應(yīng)電場強度最大值均小于ICNIRP 導(dǎo)則中的限值，不同相序時人體腦組織感應(yīng)電場強度最大值也都低于限值。說明1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回交流輸電線所產(chǎn)生的電磁暴露對于人體的健康不會造成威脅。