特高压交流输电线路下人体遭受辐射的评估

田 瑞

(兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

特高压交流输电线路下人体遭受辐射的评估

田 瑞

(兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

应用有限元分析方法计算了1 000 kV特高压交流水平输电线路下方人体模型内的感应电场效应，对比了输电线路下方人体双脚接触地面和人体双脚与地面绝缘2种情况下，人体模型内部感应电场强度和感应电流密度的分布;并计算了人体双脚与地面绝缘情况下，导线距地不同高度时人体模型内感应电场强度和感应电流密度的最大值。该研究结果以期能较真实地反映特高压交流输电线路下方人体遭受辐射的情况。

工频电场；有限元法；电磁暴露；感应电场；辐射

0 引言

随着我国对电力的需求越来越大，特高压输电线路建设规模不断扩大，特高压输电已成为我国电力传输不可或缺的方式。2014年“两交一直”特高压输电线路开建，是我国大气污染防治行动计划12条重点输电通道中首批获得开工建设的项目，标志着特高压电网全面进入大规模建设阶段。特高压输电网具有送电距离长、损耗小、节省土地资源、节约能源等优点。

特高压交流输电线路输送1 000 kV，50 Hz交流电，在输电线路周围会产生工频电场、工频磁场以及电晕放电等电磁现象，50 Hz的工频电磁场属于极低频电磁场。在低频电磁场中，人体作为一种良导体会扰乱外部电场的分布，感应电荷会汇集在人体表面，同是会在人体内产生感应电场、感应电流，所以暴露在低频电场中的人体由于表面感应电荷效应会产生生物响应。

以1 000 kV单回路特高压交流输电线路为研究对象，仿真计算输电线路下方人体双脚与地面良好接触和人体与地面绝缘时人体内的感应电场和感应电流密度，以及计算在人体与地面绝缘情况下，导线距离地面多远时，人体内的感应电场强度会超过ICNIRP(国际非电离辐射防护委员会)给定的公众和职业暴露参考值。

1 原理与模型构建

1.1 原理

在实际情况中，研究者无法在技术上采用非侵入式(非伤害式)的测量方法直接得到人体内不同组织受到电磁暴露后的感应电磁场分布，所以基于有限元数值仿真法是获得人体内感应电场、感应电流密度分布的有效方法。

以下仅研究工频电场对人体的辐射情况，工频电场是频率为50 Hz的电场，也称电准静态场。在电准静态场下，忽略二次源的效应，即 B/t=0，因此麦克斯韦方程组微分形式为：

在上式中：H为磁场强度，A/m；J为电流密度，A/m2；D为电通量密度，C/m2；E为电场强度，V/m；ρ为电荷体密度，C/m3；B为磁通量密度，T。

1.2 输电线路和人体模型建立

在COMSOL5.1软件中ACDC模块内建立二维单塔单回路水平方式特高压输电线路模型，导线距地面高度为48.3 m，2相距离为9 m，人体头顶距地面高度为1.75 m。在模型外设置1层空气隙，空气隙宽100 m，高65 m；再在空气隙外层取1层厚度为5 m的无限元，作为无限大空间条件。

人体模型采用国际上通用的身高为1.75 m的二维站立的人体模型，人体的头部模型采用3层人头模型，其中头皮半径为0.092 m、颅骨半径为0.087 m、大脑半径为0.082 m，人体位于特高压输电线路正下方。

模型构建完成后，ec接口内分别给3根导线加载电压激励。电压为有效值1 000 kV，相位差120°，频率50 Hz的三相电压。选取土壤(大地)为零电势。根据意大利国家研究委员会应用物理研究所提供的50 Hz下人体各组织的介电参数(介电常数和电导率)对人体材料进行选取。50 Hz下人体组织的介电参数如表1所示，其中大脑的介电参数取脑脊液、脑白质和脑灰质这3种组织的平均值，躯干的介电参数取肌肉、骨骼和脂肪这3种组织的平均值。

表1 50 Hz下人体组织的介电参数

2 结果及分析

2.1 人体双脚与地面良好接触

人体双脚与地面良好接触(赤脚)时，人体内感应电场强度、感应电流密度如图1，2所示。由图1可以看出，人体处在低频电场时，人体表面出现感应电荷，这些感应电荷在人体内感应产生电场。在人体头顶处的感应电场最大，为2.51 kV/m；最小值出现在手指处，为2.65×10-3kV/m。人体的肩部感应电场也很大，肩部感应电场的最大值为1.15 kV/m。

从图2可以看出，感应电流密度最大出现在大脑与颈部的连接处，为53.2 μA/m2；最小处出现在躯干部位，为3.03×10-7μA/m2。

2.2 人体双脚与地面绝缘

人体双脚与地面绝缘(穿鞋)情况下，人体内感应电场、感应电流密度分布的情况如图3，4所示。由图3可以看出，人体头顶处感应电场最大，为2.41 kV/m；手指处最小，为2.91×10-3kV/m。对比穿鞋与赤脚的情况下，头顶部位感应电场在数量级上没有变化，仅仅只是在鞋底部分感应电场强度有明显差异，穿鞋时人体鞋底感应电场值为1.53 kV/m，为赤足时脚底感应电场强度的1.1倍。

图1 双脚与地面接触时感应电场

图2 双脚与地面接触时感应电流密度

由图4可以看出，当人体穿鞋时感应电流密度的最大值出现在大脑与颈部的连接处，为50.9 μA/m2；感应电流最小值出现在躯干处，为2.96×10-7μA/m2。对比图2和图4可以看出，无论是穿鞋还是赤足站在大地上，人体内感应电流密度最大值均出现在大脑和颈部连接处，并且2种情况下感应电流密度的数量级相同。

通过仿真计算人体双脚与地面接触和人体双脚与地面绝缘情况下的感应电场强度和感应电流密度，得到的结果是：在这2种情况下，|E|max和|J|max均小于ICNIRP导则提供的50 Hz频率电场公众暴露的参考值5 kV/m，2×10-3μA/m2。

图3 双脚与地面绝缘时感应电场

图4 双脚与地面绝缘时感应电流密度

2.3 导线距地面不同高度时人体内感应电场分布

根据国家电网公司企业标准Q/GDW/153— 2006《1 000 kV架空送电线路施工及验收规范》中，对最大弧垂情况下导线距地面最小距离的要求(见表2)，计算了导线下方人体与地绝缘时人体内感应电场强度和感应电流密度分布情况。得到了导线距地面19—27 m时人体内感应电场强度和感应电流密度的最大值，结果如表3所示。

表2 标准中规定的导线距地面最小距离

表3 不同对地高度下人体内感应电场强度和感应电流密度最大值

由表3可看出，导线距地高度越大，即导线离人体越远，人体感应电场强度最大值越小，感应电流密度最大值也越小。值得注意的是，当导线距地面26 m时，人体内感应电场强度最大值超过ICNIRP推荐的公众暴露的参照水平5 kV/m；当导线距地高度为22 m时，人体内感应电场强度最大值超过ICNIRP推荐的职业暴露的参照水平10 kV/m。

3 结论

仿真计算了导线距地高度为48.3 m时，1 000 kV特高压单塔单回路水平输电线路下方的人体模型内感应电场和感应电流分布，和满足标准情况下导线距地高度为19—27 m时人体内|E|max和|J|max，得出以下几点结论。

(1) 人体表面及周围产生畸变电场，人体头顶部位感应电场强度最大，其次是肩部。

(2) 人体内感应电流密度最大值出现在人头与颈部连接处，肩部、腋窝、足部和小腿处感应电流密度也都大于其他部位。

(3) 对比人体双脚与地面接触和人体双脚与地面绝缘2种情况下，|E|和|J|的最大值出现的位置没有发生改变。当双脚与地绝缘时，足部的|E|和|J|值大于双脚与地面良好接触的情况。

(4) 随着导线距地高度减小，人体内|E|和|J|逐渐增大。当导线距地26 m时，人体内感应电场强度最大值超过ICNIRP推荐的公众暴露的参照水平；当导线距地22 m时，人体内感应电场强度最大值超过ICNIRP推荐的职业暴露的参照水平。

以上研究结果期望能对公众和电力行业职工的辐射研究起到一定的推动作用。

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2016-12-02。

田 瑞(1977—)，女，讲师，主要从事电磁兼容方向的研究工作，email：tianrui_2014@126.com。