特高壓直流輸電線(xiàn)路下人體電場(chǎng)效應(yīng)研究

摘 要：利用Comsol有限元軟件建立特高壓直流輸電線(xiàn)路和人體的三維模型，主要分析了人體接地時(shí)在不同的風(fēng)速情況下人體頂部的合成電場(chǎng)以及離子流密度分布情況，并計(jì)算流過(guò)人體的離子電流大小。結(jié)果表明：在不同的風(fēng)速情況下人體頂部的合成電場(chǎng)和離子流密度分布是不同的，風(fēng)速越大而合成電場(chǎng)和離子流密度越小，人體截獲的離子電流大小也同樣和風(fēng)速成反比，并且通過(guò)和國(guó)際IEEE規(guī)定的流過(guò)人體的離子電流的公共值對(duì)比，其本文的流過(guò)人體的電流值要小的很多，說(shuō)明在特高壓直流輸電線(xiàn)路下被人體截獲的電流對(duì)人體是安全的。

關(guān)鍵詞：特高壓直流輸電；離子流密度；人體

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.247

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，我國(guó)逐漸成為能源需求量最大國(guó)之一，所以電力能源的發(fā)展也越來(lái)越受到國(guó)家的重視。因此，近幾年我國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展特高壓輸電來(lái)滿(mǎn)足我國(guó)的能源需求。同時(shí)，隨著特高壓輸電線(xiàn)路電壓等級(jí)的提高，其輸電線(xiàn)路對(duì)附近人體和環(huán)境造成的影響也逐漸受到關(guān)注[1]。

本文通過(guò)Comsol研究特高壓輸電線(xiàn)路對(duì)三維人體模型影響，并且分析了人體的外部的電場(chǎng)分布，以及計(jì)算出流過(guò)人體內(nèi)部的電流大小并與國(guó)際IEEE規(guī)定的流過(guò)人體的離子電流的公共值對(duì)比，對(duì)我國(guó)特高壓直流輸電線(xiàn)路附近的電磁環(huán)境暴露進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

1 理論分析

特高壓直流的基本數(shù)學(xué)方程，描述離子流場(chǎng)方程為[2]：

式中：j 為標(biāo)量電位，V；ρ+、ρ-分別為正負(fù)空間電荷密度C?m-3； 為合成電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；、J+和J_分別為正負(fù)離子流密度，A?m-2；K+、K_分別為正負(fù)離子遷移率，m2?V-1?s-1；R為離子復(fù)合系數(shù)，m3?s-1；e 0空氣介電常數(shù)，8.854×10-12F?m-1；為電子電量，1.602×10-19C，為風(fēng)速矢量。

2 Comsol中設(shè)置簡(jiǎn)介

本文仿真利用了Comsol中的靜電和稀物質(zhì)傳遞模塊，在靜電模塊中，設(shè)置了導(dǎo)線(xiàn)電壓和接地等邊界條件[3]。在稀物質(zhì)傳遞中設(shè)置離子流反應(yīng)方程，導(dǎo)線(xiàn)邊界設(shè)置空間電荷初始值和空氣域邊界設(shè)置為流出。對(duì)導(dǎo)線(xiàn)和空氣域進(jìn)行網(wǎng)格剖分。由靜電和稀物質(zhì)傳遞兩物理場(chǎng)進(jìn)行耦合，求解出空間合成電場(chǎng)和離子流密度。

3 計(jì)算參數(shù)和人體模型

3.1 線(xiàn)路參數(shù)

本文使用的導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)[4]如表1所示本文設(shè)置的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度為50m，導(dǎo)線(xiàn)離地高度為27m。

3.2 人體模型

本文通過(guò)建模軟件建立人體模型，人總體身高1.65m，面向線(xiàn)路傳輸方向并設(shè)置正極導(dǎo)線(xiàn)下方，人體模型如圖1所示。

4 計(jì)算仿真與分析

4.1 不同風(fēng)速時(shí)人體附近的電場(chǎng)和離子流密度分析

當(dāng)我們?cè)谟?jì)算人體附近的電場(chǎng)和離子流場(chǎng)時(shí)，把人體接地并等效為等電位模型，之所以這樣是因?yàn)殡x子流流過(guò)人體的電流值會(huì)最大，直流輸電線(xiàn)路對(duì)人體的安全評(píng)估會(huì)更可能的保守。本文仿真考慮了在不同風(fēng)速下直流輸電線(xiàn)路對(duì)人體的影響。

當(dāng)風(fēng)速為0m/s時(shí)，計(jì)算出人體附近的合成電場(chǎng)和離子流場(chǎng)的分布圖，如圖2和圖3所示，有結(jié)果圖可知人體頂部的合成電場(chǎng)和離子流成發(fā)生了很大的畸變，而且通過(guò)計(jì)算得知合成電場(chǎng)在有人體模型時(shí)是無(wú)人體模型的12.5倍，離子流密度的變化倍數(shù)是13.6，這是由于在人體附近產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)。

當(dāng)風(fēng)速別是0m/s 、2m/s和4m/s，合成電場(chǎng)和離子流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果圖以及局部放大圖如圖4，圖5，圖6，圖7所示。

由仿真結(jié)果圖得知：當(dāng)風(fēng)速為0m/s時(shí)，合成電場(chǎng)和離子流密度為最大，風(fēng)速逐漸增加，合成電場(chǎng)和離子流密度也逐漸減小。

4.2 不同風(fēng)速時(shí)流過(guò)人體的離子電流大小分析

本文計(jì)算出不同的風(fēng)速情況下流過(guò)人體的離子電流大小如表2所示。根據(jù)上表可以看出在風(fēng)速為0m/s時(shí)，人體在直流輸電線(xiàn)路下截獲的離子電流最大，風(fēng)速依次增加，截獲離子電流也逐漸變小。本文仿真的人體截獲最大的離子電流和國(guó)際IEEE規(guī)定的流過(guò)人體的離子電流的公共值2.7mA對(duì)比要小的多[5]，說(shuō)明人體在特高壓直流輸電線(xiàn)路下截獲的最大離子電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，人體幾乎沒(méi)有什么感覺(jué)。

5 結(jié)果討論與分析

本文通過(guò)Comsol有限元軟件仿真了在±1100kV特高壓直流輸電線(xiàn)路下人體附近電場(chǎng)和離子流密度的分布，結(jié)論如下：

（1）在特高壓直流輸電線(xiàn)路下方，把人體近似為等位體并接地，人體頂部的合成電場(chǎng)和離子流密度發(fā)生了很大的畸變，比沒(méi)有人體模型時(shí)的值大了12至13倍，說(shuō)明人體在直流輸電線(xiàn)路下發(fā)生了屏蔽效應(yīng)。（2）本文考慮風(fēng)速的因素，分析了風(fēng)速為0m/s、2m/s、4m/s時(shí)的情況。由仿真的結(jié)果得知不同的風(fēng)速情況下，人體頂部的合成電場(chǎng)和離子流場(chǎng)也是變化的，風(fēng)速越大，而仿真值越小，成反比的。 （3） 本文計(jì)算了流過(guò)人體的離子電流大小，在不同的風(fēng)速下流過(guò)人體的離子電流是變化的，風(fēng)速越大流過(guò)人體的離子電流越小。本文計(jì)算的流過(guò)人體的最大離子電流和國(guó)際IEEE規(guī)定的流過(guò)人體的離子電流的公共值2.7mA對(duì)比要小的多，說(shuō)明在特高壓直流輸電線(xiàn)路下人體截獲的離子電流很小，不會(huì)產(chǎn)生不舒服感。

參考文獻(xiàn)：

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[2]趙畹軍.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004：279-283.

[3]馮晗.高壓直流輸電線(xiàn)路離子流場(chǎng)計(jì)算及其工程應(yīng)用[D].保定：華北電力大學(xué)，2006：18-20.

[4]李先志，梁明，李澄宇等.±1100kV特高壓直流輸電線(xiàn)路按電磁環(huán)境條件的導(dǎo)線(xiàn)設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2012，38（12）：3284-3291.

[5]IEEE Standard for Safety Levels With Respect to Human Exposure to Electromagnetic Fields，0–3 kHz， IEEE Standard C95.6-2002，Oct.23，2002.

作者簡(jiǎn)介：侯立偉，男，碩士研究生，主要從事特高壓輸電電磁暴露安全評(píng)估。