黃匯益 逯邁

（蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730070）

我國是一個清潔能源較為豐富的大國，但是國內(nèi)能源豐富的地區(qū)遠(yuǎn)離經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，隨著我國的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的飛速發(fā)展以及各個城市電力需求的直線上升，電力能源的超遠(yuǎn)距離輸送成為我國面臨的主要問題。我國在2009 年1 月將國內(nèi)首條擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的1 000 kV晉東南-南陽-荊門特高壓交流示范工程正式投入商業(yè)運(yùn)行，這項(xiàng)工程是我國特高壓電網(wǎng)的新起點(diǎn)，并且它也是目前全球技術(shù)水平最先進(jìn)、運(yùn)行電壓等級最高的特高壓交流輸電工程［1］。

輸電線路在工作時會在周圍環(huán)境中產(chǎn)生工頻交變的電磁場［2］，并且隨著輸送的電壓等級與功率容量變大，所產(chǎn)生的工頻交變電磁場對周圍環(huán)境的影響也就越大。根據(jù)有關(guān)資料顯示，人體軀干以及各人體器官具有較高的電導(dǎo)率［3］，長期暴露于電磁脈沖和極低頻的電磁場中會對人體的機(jī)能造成不同程度上的損傷［4-6］，例如被電擊而產(chǎn)生的疼痛和抽搐［7］，更甚至?xí)χ袠猩窠?jīng)系統(tǒng)造成損傷［8］，因此1 000 kV 特高壓輸電線路下的電磁暴露安全性研究成了廣大學(xué)者研究的目標(biāo)。在這種情況下，特高壓輸電線路附近的沿線居民對居住環(huán)境的質(zhì)量以及電磁輻射的危害程度變得愈加關(guān)心，國際非電離輻射防護(hù)委員會也針對這一現(xiàn)象制定了暴露限制的相關(guān)規(guī)定［9-12］。

雖然國內(nèi)外有學(xué)者對這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究，但大部分的研究對象都為低于1 000 kV 環(huán)境下的人體或建筑物，且都集中于對輸電線路的架構(gòu)方式和電壓強(qiáng)度等級進(jìn)行分析，對輸電線路下植物這一特定條件考慮的較少。例如文獻(xiàn)[13]、[14]只是單純的對空曠環(huán)境下特高壓交流輸電線路的電磁環(huán)境進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[15]在人體模型的構(gòu)建上相對簡單，無法達(dá)到人體多區(qū)域、多角度的研究效果。在考慮了植被的特高壓交流輸電線路電磁暴露研究領(lǐng)域中，文獻(xiàn)[16]針對有樹木存在的超高壓輸電線路的電磁環(huán)境進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[17]、[18]分別對存在植被的環(huán)境下的275 kV 和500 kV高壓輸電線路的電磁環(huán)境進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[19]、[20]分別分析了在63 kV和110 kV輸電線路走廊種植高大喬木對電場強(qiáng)度的屏蔽效果。從上述文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)，有樹木存在的環(huán)境下可以對特高壓交流輸電線路產(chǎn)生的空間電場起到一定的消減作用。

本文研究在有樹木存在的情況下的1 000 kV特高壓交流輸電線路時，考慮了周圍的電磁環(huán)境和人體電磁暴露水平，這一研究內(nèi)容目前相對較少。本文選用的植被類型為松樹林，選擇貓頭塔為參照模型，評估巡線工的職業(yè)暴露與附近居民的公眾暴露安全，對人體進(jìn)行細(xì)致化的模型建立，選取400 m的接近實(shí)際線路長度的檔距，對比研究了有樹木存在的情況下1 000 kV 特高壓交流輸電線路產(chǎn)生的工頻電磁場空間分布特性，從而來分析有植被存在的條件下是否會對人體受到的電磁輻射程度有削弱作用，對我國有關(guān)特高壓輸電線路的設(shè)計(jì)建造以及安全限值［21］的制定提供了參考。

1 原理和模型

1.1 原理

在實(shí)際生活中，人體在特高壓輸電線路所產(chǎn)生的電磁場中所受到的感應(yīng)電場和感應(yīng)磁場的強(qiáng)度是無法直接進(jìn)行測量的，需要利用有限元數(shù)值仿真的方法來進(jìn)行模擬計(jì)算。

計(jì)算所用到的有關(guān)電磁場理論內(nèi)容為麥克斯韋方程組，其微分的表達(dá)形式見式（1）～（6）。

式中：H表示磁場強(qiáng)度，A/m；J表示電流密度，A/m2；D表示電通量密度，C/m2；E表示電場強(qiáng)度，V/m；B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；ρ表示電荷體密度，C/m3。

隨后由（1）～（4）式進(jìn)行一系列的推導(dǎo)后，即可得到電磁場的偏微分方程，見式（5）、（6）。

式中：ε表示電介質(zhì)的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；μ表示磁導(dǎo)率，H/m；A表示矢量磁勢，Wb/m；φ表示標(biāo)量電勢，V。

根據(jù)上述公式（5）、（6），可以利用COMSOL有限元分析軟件，選用AC/DC 模塊組中的磁場（mf）接口，空氣域邊界設(shè)置為磁絕緣，導(dǎo)線仿真電流的有效值大小設(shè)置為4 000 A，結(jié)合初始條件以及邊界條件，利用有限元法對研究對象進(jìn)行網(wǎng)格剖分。存在樹木的計(jì)算模型中網(wǎng)格剖分自由度數(shù)約為503萬，沒有樹木的計(jì)算模型中網(wǎng)格剖分自由度數(shù)約為219 萬。在32 G 內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上完成上述兩種模型的計(jì)算分別需要16 min和9 min。

1.2 模型

1.2.1 人體模型

為了有效地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)并達(dá)到模擬環(huán)境的效果，需要參照現(xiàn)實(shí)生活中人類的平均身高來建立站姿人體模型，其高度為1.75 m。其次要對人體的各個部分進(jìn)行細(xì)化，從而使人體電磁暴露水平的研究結(jié)果更加精確，人體頭部模型需要更進(jìn)一步的優(yōu)化，將球頭模型分為三層，分別代表腦組織、顱骨和頭皮，其半徑分別為0.080 m、0.085 m和0.092 m。因?yàn)槌^皮以外的皮膚也屬于人體中重要的一部分且占比面積最大，所以根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［22］，將人體皮膚厚度定為0.002 9 m。將人體置于特高壓輸電線路對地投影的正下方的中間位置，面部與導(dǎo)線的傳輸方向相同。圖1為人體模型各部分的具體尺寸。單純的模型無法進(jìn)行計(jì)算，需要人體的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率［23］，假設(shè)各類介質(zhì)均勻分布于人體每處［24］，在1 000 kV 交流輸電環(huán)境下的頻率為50 Hz，在這個頻率下人體的相對介電常數(shù)以及電導(dǎo)率如表1所示。

表1 人體各組織在50 Hz時的介電常數(shù)和電導(dǎo)率Table 1 The permittivity and conductivity of human tissues at 50 Hz

圖1 人體模型Fig.1 Human body model

1.2.2 輸電線路及電塔模型

我國晉東南-南陽-荊門特高壓交流示范工程的輸電線路等級為1 000 kV，各導(dǎo)線電流的有效值為4 000 A，該工程導(dǎo)線采用LGJ-500/35 型號的八分裂導(dǎo)線［25］，在本文中將其等效為理想的長直導(dǎo)線。

針對實(shí)際的輸電線路情況，采用導(dǎo)線“IVI”三角排列的貓頭塔這一直線塔［26］。選取檔距為400 m的間距，將輸電線路兩端的點(diǎn)等高懸掛，并且在計(jì)算時不考慮塔桿和絕緣子等物體產(chǎn)生的干擾，輸電線路為荷載均勻分布及不考慮重力作用的理想的導(dǎo)線。該輸電線路及電塔模型見圖2。

圖2 輸電線路模型：(a)貓頭塔模型；(b)導(dǎo)線模型Fig.2 Transmission line model：(a)cat head tower model；(b)conductor model

1.2.3 植被模型

植被選擇為生活中常見的松樹，為使松樹模型更為精細(xì)，將其分為樹冠、樹干和樹皮3 個部分，樹冠半徑為1 m，樹干半徑為0.146 5 m，樹皮厚度為0.043 m［27］，松樹的模型如圖3所示。

圖3 松樹模型Fig.3 Pine tree model

根據(jù)資料顯示，樹木的相對介電常數(shù)為9［19］，樹冠的電阻率為離地2 m處測量值的平均值，并且松樹樹干的電阻率隨著高度的增加而降低，根據(jù)松樹各部分的平均電阻率［28］可以推導(dǎo)出仿真時所需要的松樹的電導(dǎo)率參數(shù)。松樹樹干距地不同高度的平均電阻率如表2所示。

表2 松樹樹干距地不同高度的平均電阻率Table 2 Average resistivity of pine trunk at different heights

本文在人體周圍構(gòu)建了由30 顆松樹組成的松樹林，其中松樹的橫縱間距均為5 m，并將人體模型置于松樹林的中心位置，整體效果如圖4所示。

圖4 植被模型Fig.4 Vegetation model

2 結(jié)果與分析

2.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度及其分布

2.1.1 人體的磁感應(yīng)強(qiáng)度

當(dāng)1 000 kV 特高壓交流輸電線路工作時，由于導(dǎo)線內(nèi)的三相電流共同作用，會在其附近產(chǎn)生交變的工頻磁場。圖5為在有植被和無植被兩種情況下人體附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。人體的組成成分不同于大部分物質(zhì)，且人體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布規(guī)律與其附近的空氣幾乎相同，因此由圖5可以看出，導(dǎo)線所產(chǎn)生的工頻磁場不會因?yàn)槿梭w的生物特性而產(chǎn)生畸變，但與人體在導(dǎo)線下方的站位有關(guān)。

圖5 人體周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度分布：無植被（a）有植被（b）Fig.5 Magnetic induction intensity distribution around the human body：no vegetation(a)and with vegetation(b)

人體在有無植被環(huán)境中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布對比如圖6所示。由圖6可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值大小從人體胸腔部位以上開始呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，在無植被環(huán)境下的最大值達(dá)到了12.823 μT，在有植被環(huán)境下的最大值達(dá)到了12.711 μT，兩種情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值相差不大，兩者最大值分別為限值的6.4%和6.3%。

圖6 人體的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布：無植被（a）有植被（b）Fig.6 Magnetic induction intensity distribution in the human body：no vegetation(a)and with vegetation(b)

2.1.2 頭部的磁感應(yīng)強(qiáng)度

大腦作為人體構(gòu)成成分中最重要的組織之一，必須在研究中對其進(jìn)行細(xì)致的處理。分別以球心位置為基準(zhǔn)，將有無植被兩種環(huán)境下三層球頭模型進(jìn)行縱切片，其磁感應(yīng)強(qiáng)度分布結(jié)果如圖7 所示。由圖7可以看出，無論是有植被還是無植被環(huán)境下，磁感應(yīng)強(qiáng)度在頭部的縱向分布規(guī)律與變化區(qū)間基本相同，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著距地高度而增加，并且最大值都位于頭頂位置。兩種環(huán)境下人體頭部的磁感應(yīng)強(qiáng)度均未超過工頻磁場的安全閾值200 μT。

圖7 頭部縱切片磁感應(yīng)強(qiáng)度分布：無植被（a）有植被（b）Fig.7 Magnetic induction intensity distribution in longitudinal section of the head：no vegetation(a)and with vegetation(b)

為了使頭部的觀測角度更多，將兩種環(huán)境下的三層球頭模型再進(jìn)行橫切片（圖8），其磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布規(guī)律以及變化區(qū)間也基本相同，無植被環(huán)境下為12.645 μT～12.666 μT，有植被環(huán)境下為12.642 μT～12.659 μT，磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在人體頭部的兩側(cè)，呈馬鞍形分布，且兩者最大值均為限值的6.3%

圖8 頭部橫切片磁感應(yīng)強(qiáng)度分布：無植被（a）有植被（b）Fig.8 Magnetic induction intensity distribution in cross section of the head：no vegetation(a)and with vegetation(b)

將有、無植被情況的特高壓交流輸電線路下方人體各組織最大磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行匯總并與安全閾值進(jìn)行占比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 人體各部位的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Table 3 The maximum magnetic induction intensity of each part of the human body

2.2 感應(yīng)電場強(qiáng)度及其分布

2.2.1 人體的感應(yīng)電場強(qiáng)度

感應(yīng)電場強(qiáng)度雖然不會因?yàn)槿梭w的存在而造成分布規(guī)律的改變，但由于人體各部位擁有不同的生物組織特性，在法拉第電磁感應(yīng)定律的影響下交變的磁場可以使人體各組織內(nèi)產(chǎn)生數(shù)值大小不同的感應(yīng)電場。圖9為在有植被和無植被兩種情況下人體附近的感應(yīng)電場強(qiáng)度分布，人體內(nèi)的感應(yīng)電場強(qiáng)度分布如圖10所示。

圖9 人體周圍感應(yīng)電場強(qiáng)度分布：無植被（a）有植被（b）Fig.9 Induced electric field intensity distribution around the human body：no vegetation(a)and with vegetation(b)

由圖10 可以看出，感應(yīng)電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在頸部與下方身體的連接處，分別達(dá)到了0.983 mV/m 和0.475 mV/m，是限值的0.246%和0.118%，且后者為前者的48.3%。

圖10 人體的感應(yīng)電場強(qiáng)度分布：無植被（a）有植被（b）Fig.10 Induced electric field intensity distribution in the human body：no vegetation(a)and with vegetation(b)

2.2.2 頭部的感應(yīng)電場強(qiáng)度

同理將三層球頭模型進(jìn)行縱切片與橫切片，如圖11 所示，人體頭部的縱向感應(yīng)電場強(qiáng)度分布基本對稱，數(shù)值隨著距地高度而增加。其電場強(qiáng)度最大值分別為0.208 mV/m 和0.202 mV/m，是限值的1.04%和1.01%。兩種情況的差距可以忽略，且都位于頭頂位置。

圖11 頭部縱切片感應(yīng)電場強(qiáng)度分布：無植被（a）有植被（b）Fig.11 Induced electric field intensity distribution in longitudinal section of the head：no vegetation(a)and with vegetation(b)

圖12為人體頭部的橫向感應(yīng)電場強(qiáng)度分布圖，其分布規(guī)律也基本對稱，與頭部磁感應(yīng)強(qiáng)度橫切片的分布情況呈垂直形態(tài)的變化趨勢。其電場強(qiáng)度最大值分別為0.202 mV/m 和0.201 mV/m，均為限值的1.01%。兩種情況的差距可以忽略，且都位于臉部與后腦的中心位置。

圖12 頭部橫切片感應(yīng)電場強(qiáng)度分布：無植被（a）有植被（b）Fig.12 Induced electric field intensity distribution in cross section of the head：no vegetation(a)and with vegetation(b)

將有無植被兩種情況的特高壓交流輸電下路下方人體各組織最大感應(yīng)電場強(qiáng)度進(jìn)行匯總并與安全閾值進(jìn)行占比分析，結(jié)果如表4～5所示。

表4 無植被環(huán)境下人體各部位的最大感應(yīng)電場強(qiáng)度Table 4 The maximum induction electric field intensity of each part of the human body in no vegetation environment

表5 有植被環(huán)境下人體各部位的最大感應(yīng)電場強(qiáng)度Table 5 The maximum induction electric field intensity of each part of the human body in with vegetation environment

3 討論與結(jié)論

本文在研究1 000 kV 特高壓交流輸電線路下的電磁暴露時考慮了植被這一特定條件，對有樹木存在和沒有樹木存在的兩種環(huán)境下輸電線路對人體產(chǎn)生的影響進(jìn)行了對比，并將這兩種情況所產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行了安全評估。結(jié)果證明了無論有無樹木存在，人體內(nèi)部在特高壓交流輸電線路下的磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)電場強(qiáng)度均小于ICNIRP導(dǎo)則的安全閾值。

由于樹木屬于不導(dǎo)電的理想電介質(zhì)，其內(nèi)部只有極少數(shù)的自由移動的電子。所以樹木處在工頻交變的電場中時，其內(nèi)部就會出現(xiàn)極化現(xiàn)象并且極化電荷所產(chǎn)生的電場會抵消掉導(dǎo)線產(chǎn)生的場強(qiáng)的部分影響［18］，因此和無植被存在的條件下相比，有植被的條件下會出現(xiàn)電場強(qiáng)度相對較弱的現(xiàn)象。

對人體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真結(jié)果進(jìn)行分析，由于輸電線路所產(chǎn)生的空間磁場不會因?yàn)槠湎路酱嬖谖矬w的生物組織特性而產(chǎn)生變化，所以兩種環(huán)境下的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本沒有差距，并且與外圍空氣的圓弧形分布方式相同。人體磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值在頭頂位置，并且自頂向下逐漸減小，無植被和有植被條件下的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值分別為12.823 μT 和12.711 μT，兩者無明顯變化。出于對實(shí)際情況的考慮，對人體所受磁感應(yīng)強(qiáng)度的均值進(jìn)行計(jì)算。無植被和有植被條件下人體所受磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值分別為12.578 μT和12.577 μT，兩者無明顯變化。

對人體內(nèi)部的感應(yīng)電場強(qiáng)度仿真結(jié)果進(jìn)行分析，與空間磁場效應(yīng)不同的是，人體內(nèi)部的感應(yīng)電場會因?yàn)樯锝M織的結(jié)構(gòu)以及介電常數(shù)和電導(dǎo)率的不同而呈現(xiàn)出不均勻的分布方式。無植被和有植被兩種環(huán)境下的人體感應(yīng)電場強(qiáng)度最大值均位于頸部皮膚位置，分別為0.983 mV·m-1和0.475 mV·m-1，后者為前者的48.3%；且人體神經(jīng)中樞系統(tǒng)的最大值在顱骨位置，為0.304 mV·m-1和0.302 mV·m-1，兩者無明顯變化。出于對實(shí)際情況的考慮，對人體所受感應(yīng)電場強(qiáng)度的均值進(jìn)行計(jì)算。無植被和有植被條件下人體所受感應(yīng)電場強(qiáng)度的平均值分別為0.197 mV·m-1和0.122 mV·m-1，后者為前者的61.9%。

從無植被和有植被兩種特定條件的特高壓交流輸電線路下方的人體頭部和軀干位置的空間電磁場效應(yīng)來看，兩種環(huán)境下的磁感應(yīng)強(qiáng)度無明顯變化，無植被環(huán)境下的感應(yīng)電場強(qiáng)度近似為有植被環(huán)境下的2 倍。盡管數(shù)值計(jì)算的結(jié)果均未超過ICNIRP 的安全閾值，但從電磁暴露計(jì)量學(xué)和改善生態(tài)環(huán)境的角度考慮，有植被存在下的線路優(yōu)于無植被存在下的線路。

本研究結(jié)果期望能減少輸電線路附近居民不必要的恐懼和擔(dān)憂，同時為我國對電磁暴露標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了參考。

作者貢獻(xiàn)說明作者貢獻(xiàn)說明：黃匯益實(shí)施建模與計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、文字處理等工作；逯邁教授整體設(shè)計(jì)論文工作的基本思想、實(shí)施步驟、數(shù)據(jù)處理、論文架構(gòu)等，審定論文的結(jié)果與結(jié)論。全體作者均已閱讀并同意最終的文本。