特高壓直流輸電線路下人體電場效應研究

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

關鍵詞：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

隨著我國經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，我國逐漸成為能源需求量最大國之一，所以電力能源的發(fā)展也越來越受到國家的重視。因此，近幾年我國開始大力發(fā)展特高壓輸電來滿足我國的能源需求。同時，隨著特高壓輸電線路電壓等級的提高，其輸電線路對附近人體和環(huán)境造成的影響也逐漸受到關注[1]。

本文通過Comsol研究特高壓輸電線路對三維人體模型影響，并且分析了人體的外部的電場分布，以及計算出流過人體內部的電流大小并與國際IEEE規(guī)定的流過人體的離子電流的公共值對比，對我國特高壓直流輸電線路附近的電磁環(huán)境暴露進行科學評估。

1 理論分析

特高壓直流的基本數(shù)學方程，描述離子流場方程為[2]：

式中：j 為標量電位，V；ρ+、ρ-分別為正負空間電荷密度C?m-3； 為合成電場的電場強度，V/m；、J+和J_分別為正負離子流密度，A?m-2；K+、K_分別為正負離子遷移率，m2?V-1?s-1；R為離子復合系數(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，為風速矢量。

2 Comsol中設置簡介

本文仿真利用了Comsol中的靜電和稀物質傳遞模塊，在靜電模塊中，設置了導線電壓和接地等邊界條件[3]。在稀物質傳遞中設置離子流反應方程，導線邊界設置空間電荷初始值和空氣域邊界設置為流出。對導線和空氣域進行網(wǎng)格剖分。由靜電和稀物質傳遞兩物理場進行耦合，求解出空間合成電場和離子流密度。

3 計算參數(shù)和人體模型

3.1 線路參數(shù)

本文使用的導線結構參數(shù)[4]如表1所示本文設置的導線長度為50m，導線離地高度為27m。

3.2 人體模型

本文通過建模軟件建立人體模型，人總體身高1.65m，面向線路傳輸方向并設置正極導線下方，人體模型如圖1所示。

4 計算仿真與分析

4.1 不同風速時人體附近的電場和離子流密度分析

當我們在計算人體附近的電場和離子流場時，把人體接地并等效為等電位模型，之所以這樣是因為離子流流過人體的電流值會最大，直流輸電線路對人體的安全評估會更可能的保守。本文仿真考慮了在不同風速下直流輸電線路對人體的影響。

當風速為0m/s時，計算出人體附近的合成電場和離子流場的分布圖，如圖2和圖3所示，有結果圖可知人體頂部的合成電場和離子流成發(fā)生了很大的畸變，而且通過計算得知合成電場在有人體模型時是無人體模型的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。

當風速別是0m/s 、2m/s和4m/s，合成電場和離子流場計算結果圖以及局部放大圖如圖4，圖5，圖6，圖7所示。

由仿真結果圖得知：當風速為0m/s時，合成電場和離子流密度為最大，風速逐漸增加，合成電場和離子流密度也逐漸減小。

4.2 不同風速時流過人體的離子電流大小分析

本文計算出不同的風速情況下流過人體的離子電流大小如表2所示。根據(jù)上表可以看出在風速為0m/s時，人體在直流輸電線路下截獲的離子電流最大，風速依次增加，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際IEEE規(guī)定的流過人體的離子電流的公共值2.7mA對比要小的多[5]，說明人體在特高壓直流輸電線路下截獲的最大離子電流遠遠低于規(guī)定的標準值，人體幾乎沒有什么感覺。

5 結果討論與分析

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

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

參考文獻：

[1]劉振亞.特高壓直流輸電工程電磁環(huán)境[M].中國電力出版社，2009：1-10.

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

[3]馮晗.高壓直流輸電線路離子流場計算及其工程應用[D].保定：華北電力大學，2006：18-20.

[4]李先志，梁明，李澄宇等.±1100kV特高壓直流輸電線路按電磁環(huán)境條件的導線設計[J].高電壓技術，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估。