特高压直流输电线路合成电场强度对人体影响分析

马爱清，陈吉，徐东捷

(上海电力学院 电气工程学院，上海 200090)



特高压直流输电线路合成电场强度对人体影响分析

马爱清，陈吉，徐东捷

(上海电力学院 电气工程学院，上海 200090)

摘要：针对特高压直流输电线路所引起的电磁环境问题，使用ANSYS软件建立了接近人体形状的人体模型。利用该模型，以四川向家坝到上海奉贤的±800 kV特高压输电线路为例，仿真了考虑人体对地绝缘和人体接地两种情况下人体内部电场强度分布，并在此基础上，利用APDL语言编写程序计算了人体距离输电线路不同距离，以合成电场强度对人体电场的影响。计算结果表明：人体对地绝缘和人体接地时，最大电场强度值均出现在腋下，分别为27.9 mV/m和13.6 mV/m；随着距输电线中心不同距离的变化，人体内部最大电场强度变化呈抛物线形式变化，最大值出现在距输电线中心的18 m处，为650 mV/m，略高于国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-ionizing Radiation Protection，ICNIRP)规定的人体在高压输电线路不同曝露情形下的曝露电场强度限值，而在此距离时头部的电场强度为110 mV/m，则处于ICNIRP规定的限值范围内。

关键词：特高压直流输电线路；合成电场强度；人体；APDL语言

为了解决我国电力负荷需求与能源分布不平衡的问题，特高压直流输电越来越多被应用于长距离、大容量的电力输电工程中[1-2]。特高压直流输电线路由于存在极性效应及电晕放电现象，输电线路会产生由标称电场强度和离子流电场强度叠加而成的合成电场强度。我国发布实施的电力行业标准DL/T1088—2088《±800 kV特高压直流线路电磁环境参数限值》规定[3]，直流架空输电线在靠近居民房时合成电场强度最大值不超过25 kV/m，在线路周围合成电场强度最大值不超过30 kV/m[4]。美国达拉斯试验中心曾经做过人体在高压直流输电下路下的感受试验[5-6]，试验结果表明当直流输电线路下电场强度达到30 kV/m时，人体就会开始出现轻微的刺痛感，其中以毛发和头皮等部位表现最为明显；当直流输电线路下电场强度超过30 kV/m时，人体的躯干以及面部等部位就会出现明显的刺痛感。在工程建设中，输电线路不可避免的会靠近人口密集区域，而地面的合成电场强度最大能够达到地面标称电场强度的2倍左右。由此产生的电磁环境问题越来越受到关注[7-8]，特别是施工人员以及输电线路附近的居民，担心特高压输电线路是否会对人体产生不利影响。因此，研究特高压输电线路合成电场强度对人体的影响就显得格外有意义。

马爱清，等：特高压直流输电线路合成电场强度对人体影响分析文献[6]利用有限元软件对人体周围电场进行分析，但人体模型比较简略，且没有考虑人体内部电场；文献[9]对±800 kV直流输电线路带电作业人员的安全保护措施进行了试验研究；文献[10]对±660 kV直流输电工程中的带电作业人员体表电场强度和电位转移时流过人体的能量进行了仿真计算；文献[11]利用试验分析了±500 kV直流输电线路电场的特性及屏蔽服的屏蔽效果，指出了人体的直流电流控制水平；文献[9-11]均是利用试验的方式对直流输电线路的安全保护措施进行了研究。

本文利用ANSYS软件，建立接近人体形状的人体模型，以四川向家坝到上海奉贤的±800 kV特高压输电线路为计算对象，分析了人体位于输电线路下时人体内电场强度分布，同时考虑了人体对地绝缘及人体接地的情况，并在此基础上计算距输电线路中心不同距离时人体电场变化情况，以期为特高压直流输电线路下电磁环境研究提供一定的数据支持。

1特高压直流输电线路下人体电场分析

1.1地面合成电场强度计算

本文选取的仿真模型为上海-向家坝±800 kV特高压直流输电工程，线路选用对地高度(指平均对地高度)为23 m，极间距为22 m，输电导线型号为6×720 mm2导线，子导线半径为1.81 cm，分裂半径为45 cm[12]。

高压线路的合成电场强度由两部分组成，一部分是仅考虑输电线路运行电压以及输电线路结构分布时所产生的电场强度，称为标称电场强度；另一部分为输电线路周围空气在被电离以后所产生的离子流，由于特高压直流输电线路电压极性固定，会在其电场力的作用下向反极性的方向和地面运动形成离子流场。由于特高压输电线路的实际情况较为复杂，因此在计算合成电场强度时要对其进行简化[13-16]，具体假设主要如下：

a)忽略导线的下垂度，将输电线路看作无限长的平直导线；

b)使用Deutsch 假设，即认为空间电荷只影响电场强度幅值而不会影响其方向；

c)忽略风速的影响和电荷的扩散；

d)将起晕后导线表面的电场强度视为起晕电场强度；

e)将正负离子迁移率K+和K-视为恒定。

在此基础上，根据电磁场理论得到描述合成电场强度的基本方程为[17]：

Es=ρ/ε0;

(1)

J=ρKEs;

(2)

·J=0.

(3)

式中：Es为合成电场强度；ρ为空间电荷密度；为梯度计算符号；ε0为真空的介电常数；J为离子流密度，K为离子迁移率。

在计算合成电场强度时，首先用表面电荷法求出输电线路下的标称电场强度E[18]，根据假设条件b)可知Es=AE，A为沿着电力线变化的标量函数。地面合成电场强度的计算结果如图1所示。

图1　特高压直流输电线路地面合成电场强度分布曲线

1.2人体电场分析

1.2.1人体模型建立

在ANSYS软件中建立的人体模型如图2所示。该模型采用标准人体模型数据，取人体身高为1.80 m，其余部分皆按比例搭建，相比传统的简易人体模型能够更接近于人体实际形状。

图2　人体模型

针对本文的计算，属于工频(极低频)范围，极低频电场中人体的电阻远远大于人体的电容，因此人体的介电常数可以不用在计算中考虑，只考虑人体的电导率。为计算方便，将人体看为均质体，此时工频时人体的电导率为0.1 S/m[19-20]。由于在人体模型的建立中细化了人体的各个部位，有助于提高人体各点处电场强度分布仿真计算的精确性。

1.2.2特高压直流输电线路下人体电场分布计算

建立人体计算模型后，模型位于输电线路中心处，利用ANSYS软件对人体进行数值计算，分别考虑人体对地绝缘及人体接地两种情况。人体内部的电场分布如图3和图4所示。

图3　对地绝缘时人体内部电场分布

图4　接地时人体内部电场分布

由图3和图4可以得到人体内部不同位置的电场强度，见表1。

表1考虑人体对地绝缘和人体接地时不同位置的电场强度分布

部位电场强度/(mV·m-1)人体接地对地绝缘部位电场强度/(mV·m-1)人体接地对地绝缘头部5.045.04手部6.779.10颈部1.931.30裆部1.262.97胸腔6.837.58腿部0.6862.12腋下13.6027.90脚0.4160.782

由表1可以看出，无论是对地绝缘还是人体接地，人体内部最大电场强度均出现在腋下，分别为27.90 mV/m和13.60 mV/m。人体对地绝缘时人体电场强度大于人体接地时的电场强度，这是由于人体接地时与大地为一连通导体，人体内的正电荷流向大地，少量的大地负电荷流向人体头部，且脚部正电荷形成的电场也会抵消一部分负电荷所引起的电场增强，在两方面的共同作用下使不接地时的电场较弱。

2距输电线路中心不同距离时人体电场计算

如图1所示，由于特高压直流输电线路在地面附近的合成电场强度大小并不是一个定值，且合成电场强度最大值出现在距输电线路中心位置20 m处。因此，有必要仿真计算距输电线路中心不同位置时人体电场强度的分布情况。由于仿真过程中需要改变人体与输电线路中心处的距离，在采用有限元软件ANSYS的用户图形界面 (graphic user interface，GUI)进行操作时，实际计算过程中的每一次相应参数改变，都需要重新进行模型建立、网格剖分、设置参数、边界加载、求解计算及后处理等，当改变两者间的距离时，都要进行大量重复性的工作，大大增加了工作量。而APDL是ANSYS软件的二次开发语言[21]，它利用参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问ANSYS有限元数据库等进行语言编程，可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解，以及参数处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。本文可利用APDL参数化编程来实现人体距输电线路中心不同距离时的人体电场分布情况，从而实现人体电场的多次计算；同时，还不会增加计算量，也不影响计算精度，从而提高了计算效率。

2.1基于APDL的程序流程

利用APDL语言编写程序，先建立图2的人体模型，并将该模型模块化，利用ANSYS在GUI下仿真人体位于直流输电线路中心线下，以电场计算记录文件File.log为基础，整理并编写相应的程序，设置距输电线中心的距离为计算场域的横坐标x，中心点处和原点重合，此时x为0，在此初值基础上，设置变化步长为3 m，随着x的变化，计算场域也在偏离人体，偏移的距离就是人体远离输电线中心的距离，偏移距离最大为42 m。采用APDL程序仿真每隔3 m从场域中心(输电线路中心处)到42 m处人体内外部电场强度的分布，具体流程如图5所示。

图5　基于APDL程序流程

2.2距输电线路中心距离不同时人体电场计算

图6　距输电线路中心点距离不同时人体内部电场强度最大值变化曲线

对于人体内部的电场分布情况，电场强度最大值是需要关注的部分，而人体对地绝缘时其电场强度值大于人体接地时的数值。因此，考虑最严重的情况，此处仅考虑人体对地绝缘时人体电场强度最大值与距输电线路中心点距离变化时的情况。利用ANSYS软件中的“Read Input From”读入基于图5的流程编写程序，将x初始值设为0，即可以得到偏离中心点距离每3 m时人体内部的最大电场强度值以及人体头部的电场强度变化曲线，如图6和图7所示。

图7　距输电线路中心点距离不同时头部电场强度变化曲线

从图6可以看出，人体内部电场强度在线路中心处很小，仅28 mV/m；随着距离线路中心点距离的增加，在18 m附近达到最大，为650 mV/m；最后随着距离的继续增加，慢慢减小。但整个分布曲线不够平滑，这是由于人体内部出现最大值的点不一定位于人体同一部位，人体的不规则形状在电磁场域中形成了较大的畸变电场，且与地面附近合成电场强度的分布趋势相同。

从图7可以看出，人体头部外部电场强度在线路中心点几乎为零；在18 m附近，人体头部电场强度达到最大，为110 mV/m，然后随着距离的增大，电场强度值慢慢减小。国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-ionizing Radiation Protection，ICNIRP)以及电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers， IEEE)规定了人体在高压输电线路不同曝露情形下的曝露电场强度限值[22]，交流输电线路下人体内部电场限值为400 mV/m。人体头部电场强度最大值与该限值相比是处于该限值范围之内的。对于人体内部电场强度最大值为650 mV/m，虽然略高于ICNIRP规定的人体内部电场强度限值，但对于直流输电线路和交流输电线路相比较，参考文献[20]中显示在高度为23 m的情况下交流1 000 kV输电线路下方的合成电场强度的最大值为13 kV/m；本文仿真(如图1所示)计算得到的特高压直流输电线路合成电场强度最大值为18.63 kV/m。由此可以看出，在运行电压相当的情况下，特高压直流输电线路的合成电场强度远大于特高压交流输电线路。这是由于高压直流输电线路下的空间电荷存在，使得地面附近的合成电场强度增强，而高压交流输电线路由于运行时的电压是随时间作周期性变化的，这使原本电离出去的离子在导线附近被反复吸引，不能在输电线路下方形成电场强度，故而高压直流输电线路下方的电场强度会大于高压交流输电线路下方的电场强度。上述分析表明，特高压直流输电线路下方合成电场强度对人体的影响相比于特高压交流输电线路来说，要严重的多。因此，在制定输电线路下方最大电场强度限值时，直流输电线路的限值应比交流输电线路的阈值大；而对于人体内部电场强度的最大值，略高于交流输电线路的限值400 mV/m，则不会对人体造成威胁。

3结论

本文通过ANSYS软件建立接近于人体形状的人体模型，分析了人体接地和绝缘时的电场分布，以及人体距离输电线路不同距离时人体内外部电场强度分布情况，结论如下：

a)特高压直流输电线路下，人体对地绝缘时的人体内外部电场强度比人体接地时要大，且腋下、头部电场强度值较大。

b)随着距输电线路中心点距离的变化，人体的电场变化趋势与合成电场强度变化一致；而且在距离线路中心点距离18 m时人体内部电场强度值达到最大，为650 mV/m, 随后随着远离输电线路中心点，电场强度值有逐渐减小。

c)引入二次开发语言APDL，计算在同一个人体模型，距离输电线路中心线不同距离时人体的电场分布情况，采用这种参数化设计程序，可以避免每次计算一个偏离距离时还要重复进行前处理、求解计算、后处理一系列的有限元计算，可以提高计算的速度和效率。

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马爱清(1975)，女，山西朔州人。副教授，工学博士，主要研究方向为电磁场数值计算分析、高压电器的优化设计、高压输电线路下电磁环境数值评估等。

陈吉(1990)，男，江苏无锡人。在读硕士研究生，主要研究方向为高压输电线路电磁场分析及电磁环境数值评估。

徐东捷(1988)，男，浙江宁波人。在读硕士研究生，主要研究方向为高压输电线路下电磁环境数值评估。

(编辑钟美玲)

Analysis on Influence on Human Body by Compound Electric Field Strength of

Ultra-high Voltage DC Power Transmission Lines

MA Aiqing, CHEN Ji, XU Dongjie

(School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Abstract：In allusion to the problem of electric magnetic environment caused by ultra-high voltage DC power transmission lines, ANSYS software is used to established a human body model close to human body shape. Taking ±800 kV ultra-high voltage power transmission line from Sichuan Xiangjiaba to Shanghai Fengxian as an example, this model is used to simulate distribution of electric field strength inside human body under two conditions including human body ground insulation and human body grounding, in addition, APDL language is used for programming and calculating different distances between human body and power transmission line so as to analyze influence on human body electric field by compound electric field strength. Calculation results indicate that at the time of human body ground insulation and human body grounding, maximum electric field strength values both occur under the armpit, which are respectively 27.9 mV/m and 13.6 mV/m. With changes of different distances being apart from the center of power transmission line, change of the maximum electric field strength inside human body may show a parabola curve , and the maximum value occurs at the point of 18 m being apart from the center of power transmission line which is 650 mV/m and somewhat higher than the limit value of exposed electric field strength for human body under different exposed situations of high voltage power transmission lines regulated by International Commission on Non-ionizing Radiation Protection (ICNIRP). At this time the electric field strength being apart from the head is 110 mV/, which is within the specified limit value range.

Key words：ultra-high voltage DC power transmission line; compound electric field strength; human body; APDL language

作者简介：

中图分类号：TM726.1

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)01-0097-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.019

基金项目：国家自然科学基金项目(51007055)

收稿日期：2015-07-23修回日期：2015-10-16