接觸網(wǎng)電場對人體安全影響分析

邢臺學(xué)院 李永江

接觸網(wǎng)電場對人體安全影響分析

邢臺學(xué)院 李永江

接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度可采用鏡像法計(jì)算。鏡像法的基本思想是在所研究場域以外的某些適當(dāng)位置上，用一些虛設(shè)的電荷（稱為鏡像電荷）等效替代導(dǎo)體表面的感應(yīng)電荷或介質(zhì)分界面上的極化電荷。這種方法有利于對接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度的分析，對于防止接觸網(wǎng)電場對人體造成危害具有指導(dǎo)作用。

一、接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度計(jì)算

利用鏡像法，可以把原來的邊值問題的求解轉(zhuǎn)換為均勻無界空間中的問題來求解。本文，筆者以無限長直導(dǎo)線也大地平面鏡像為例，對接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度進(jìn)行分析。無限長直導(dǎo)線也大地平面鏡像如圖1所示。

沿y軸方向的無限長直導(dǎo)線l位于大地平面上方，相距為h，單位長度帶電量為ρ 。在z＞0的上半空間，總電場是由原直導(dǎo)線 上的電荷和大地表面上的感應(yīng)電荷共同產(chǎn)生的。除了直導(dǎo)線所在區(qū)域z=h外，電位φ滿足拉普拉斯方程，大地上的電位φ =0，因此，在z=0處，電位函數(shù)φ=0。根據(jù)唯一性定理可知，大地表面的感應(yīng)電荷可用位于直導(dǎo)線 的對稱點(diǎn)z= – h處的無限長鏡像線電荷代替。

鏡像電荷的位置和單位長度的帶電量分別為ρl′ = – ρ，z′ = – h。此時(shí)，z＞0的空間任一點(diǎn)A（x，y，z）的電位函數(shù)就等于原直導(dǎo)線和鏡像導(dǎo)線所產(chǎn)生的電位之和。即

式（1）中，D′為p點(diǎn)到鏡像導(dǎo)線的距離；D為p點(diǎn)到原直導(dǎo)線的距離。

同理可得，位于導(dǎo)線表面的電位為：

式（2）中，r為直導(dǎo)線的半徑。

如在無限長直導(dǎo)線l周圍電場內(nèi)有一無限長直導(dǎo)線2，即兩根無限長的直導(dǎo)線平行放置在空中，應(yīng)用疊加原理可知，每根導(dǎo)線上的電位等于各根導(dǎo)線上電荷產(chǎn)生電位的和。設(shè)有直導(dǎo)線1和2，分別具有電壓U1和U2，其單位長度電荷分別為ρ1和 ρ2，則

式（3）、（4）中，D1′1為導(dǎo)線1和鏡像導(dǎo)線間的距離，D2′1為導(dǎo)線1和鏡像導(dǎo)線間的距離，D1′2為導(dǎo)線2和鏡像導(dǎo)線間的距離，D2′2為導(dǎo)線2和鏡像導(dǎo)線間的距離。

式（5）、（6）中，λ11為導(dǎo)線1的自有電位系數(shù)，λ12為導(dǎo)線1與導(dǎo)線2的互有電位系數(shù)，λ21為導(dǎo)線2與導(dǎo)線1的互有電位系數(shù)，λ22為導(dǎo)線2的自有電位系數(shù)。

寫成矩陣形式為

如有多根導(dǎo)線1，2，…，n，具有電壓 和單位長度電荷 。則有方程組

寫成矩陣形式為

因?yàn)榛ル娢幌禂?shù)具有互易性，故 λij＝λji，則有

所以空間任意一點(diǎn)A的電位為：

其模值為 ：

二、接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度的仿真結(jié)果與分析

利用Matlab分別對3種不同供電方式下接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度進(jìn)行仿真。如圖2、圖3、圖4所示。x在（–30，30），y在（1，7）區(qū)域內(nèi)進(jìn)行仿真得出3種不同供電方式下接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度與坐標(biāo)關(guān)系的結(jié)果。

從圖2、圖3、圖4可以看出，接觸網(wǎng)空間電場強(qiáng)度的最大處位于與導(dǎo)線相當(dāng)?shù)母叨?，并隨離開導(dǎo)線距離的增大而減小，當(dāng)計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)接近導(dǎo)線坐標(biāo)時(shí)，電場強(qiáng)度急劇增大。當(dāng)x較大時(shí)，其變化趨勢較為平緩。

三、工頻電場的限制

1998年4月，ICNIRP正式提出了《限制時(shí)變電場、磁場和電磁場（300GHz以下）暴露的導(dǎo)則》（以下簡稱《導(dǎo)則》），正式代替了IRPA/INIRC分別在1988年和1990年出版的適用于高頻和50/60Hz的導(dǎo)則。《導(dǎo)則》指出，制定該《導(dǎo)則》的目的是對已知的、對人體健康有不良影響的電場、磁場和電磁場的暴露加以限制，以保護(hù)健康。因?yàn)橹挥斜淮_定的影響才用來作為制定暴露限制的基礎(chǔ)，而長期的電場、磁場和電磁場暴露會致癌并不認(rèn)為是已經(jīng)確定的，因而，該《導(dǎo)則》是基于短期的、立即對健康造成影響的，如神經(jīng)和肌肉表面的刺激、因接觸導(dǎo)電物體而受到的電擊或燒傷以及因暴露在電場、磁場和電磁場下吸收能量而引起組織的溫度升高等。該《導(dǎo)則》把工頻電場、磁場和高頻電磁場對人的影響分為直接影響和非直接影響。直接影響限值又分為基本限值和參照水平（導(dǎo)出限制）。對工頻電場和磁場，基本限值是指電流密度，參照水平是指電場強(qiáng)度和磁通密度。非直接影響限值是指接觸電流?！秾?dǎo)則》指出，基本限值是基于對人體健康造成影響而確定的照射限值。為了保護(hù)健康，不允許超過這些基本限制量。參照水平是根據(jù)基本限值用數(shù)學(xué)模型和在特定頻率下實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果推算出來的，是在與暴露個(gè)體之間處于最大耦合位置的情況下給出的，能為人體提供最大保護(hù)。但是，當(dāng)超過參照水平時(shí)，并不一定意味著超過基本限值。ICNIRP《導(dǎo)則》關(guān)于工頻電場的基本限值和參照水平見表1。

表1 ICNIRP導(dǎo)則關(guān)于工頻電場的基本限值和參照水平

從安全角度考慮，頻率從4～1 000 Hz，對職業(yè)人員的照射限值為由場引起的感應(yīng)電流密度小于10 ，即所有的安全因子為10。對一般公眾，則應(yīng)考慮5倍的安全因子，即規(guī)定基本限值為2 。

在許多情況下，公眾是不會覺察到他們是暴露在電場和磁場下的，更不可能采取措施去減少或避免參照。因此，對一般公眾應(yīng)比對職業(yè)人員采取更嚴(yán)格的暴露限值。場強(qiáng)方向與人體軸線平行，對一般公眾，在5 的電場照射時(shí)，最壞的條件下感應(yīng)在頸部和軀體的電流密度為2 。限制接觸電流是為了避免電擊和燒傷危害。導(dǎo)出生物響應(yīng)接觸電流的閾值，兒童是成年男子的1/2，成年婦女是成年男子的2/3。因此，取一般公眾的接觸電流的參照水平是職業(yè)人員的1/2。

四、接觸網(wǎng)電場對人體安全的討論

結(jié)合圖2、圖3、圖4的電場分布規(guī)律，考慮到人的身高，及在接觸網(wǎng)下作業(yè)時(shí)可能到達(dá)的高度等因素，對三種供電方式的接觸網(wǎng)下空間場強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算。由于電場強(qiáng)度在鐵路沿線上較大，所以取定點(diǎn)x坐標(biāo)為0，人在接觸網(wǎng)下可能達(dá)到的高度為2 m，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 3種供電方式的接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度

五、結(jié)論

接觸網(wǎng)空間電場強(qiáng)度的最大處位于與導(dǎo)線相當(dāng)?shù)母叨?，其隨離開導(dǎo)線的距離的增大而減小，當(dāng)計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)接近導(dǎo)線坐標(biāo)時(shí)，電場強(qiáng)度急劇增大。當(dāng)x較大時(shí)，其變化趨勢較為平緩。而當(dāng)x＞10 m時(shí)，場強(qiáng)基本為定值。3種供電方式的接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度都遠(yuǎn)小于規(guī)定的工頻電場的限制，所以接觸網(wǎng)空間電場不會對人產(chǎn)生不利的影響。