特高压直流输电线路下人体电场效应研究

摘 要：利用Comsol有限元软件建立特高压直流输电线路和人体的三维模型，主要分析了人体接地时在不同的风速情况下人体顶部的合成电场以及离子流密度分布情况，并计算流过人体的离子电流大小。结果表明：在不同的风速情况下人体顶部的合成电场和离子流密度分布是不同的，风速越大而合成电场和离子流密度越小，人体截获的离子电流大小也同样和风速成反比，并且通过和国际IEEE规定的流过人体的离子电流的公共值对比，其本文的流过人体的电流值要小的很多，说明在特高压直流输电线路下被人体截获的电流对人体是安全的。

关键词：特高压直流输电；离子流密度；人体

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.247

0 引言

随着我国经济和科技的快速发展，我国逐渐成为能源需求量最大国之一，所以电力能源的发展也越来越受到国家的重视。因此，近几年我国开始大力发展特高压输电来满足我国的能源需求。同时，随着特高压输电线路电压等级的提高，其输电线路对附近人体和环境造成的影响也逐渐受到关注[1]。

本文通过Comsol研究特高压输电线路对三维人体模型影响，并且分析了人体的外部的电场分布，以及计算出流过人体内部的电流大小并与国际IEEE规定的流过人体的离子电流的公共值对比，对我国特高压直流输电线路附近的电磁环境暴露进行科学评估。

1 理论分析

特高压直流的基本数学方程，描述离子流场方程为[2]：

式中：j 为标量电位，V；ρ+、ρ-分别为正负空间电荷密度C?m-3； 为合成电场的电场强度，V/m；、J+和J_分别为正负离子流密度，A?m-2；K+、K_分别为正负离子迁移率，m2?V-1?s-1；R为离子复合系数，m3?s-1；e 0空气介电常数，8.854×10-12F?m-1；为电子电量，1.602×10-19C，为风速矢量。

2 Comsol中设置简介

本文仿真利用了Comsol中的静电和稀物质传递模块，在静电模块中，设置了导线电压和接地等边界条件[3]。在稀物质传递中设置离子流反应方程，导线边界设置空间电荷初始值和空气域边界设置为流出。对导线和空气域进行网格剖分。由静电和稀物质传递两物理场进行耦合，求解出空间合成电场和离子流密度。

3 计算参数和人体模型

3.1 线路参数

本文使用的导线结构参数[4]如表1所示本文设置的导线长度为50m，导线离地高度为27m。

3.2 人体模型

本文通过建模软件建立人体模型，人总体身高1.65m，面向线路传输方向并设置正极导线下方，人体模型如图1所示。

4 计算仿真与分析

4.1 不同风速时人体附近的电场和离子流密度分析

当我们在计算人体附近的电场和离子流场时，把人体接地并等效为等电位模型，之所以这样是因为离子流流过人体的电流值会最大，直流输电线路对人体的安全评估会更可能的保守。本文仿真考虑了在不同风速下直流輸电线路对人体的影响。

当风速为0m/s时，计算出人体附近的合成电场和离子流场的分布图，如图2和图3所示，有结果图可知人体顶部的合成电场和离子流成发生了很大的畸变，而且通过计算得知合成电场在有人体模型时是无人体模型的12.5倍，离子流密度的变化倍数是13.6，这是由于在人体附近产生屏蔽效应。

当风速别是0m/s 、2m/s和4m/s，合成电场和离子流场计算结果图以及局部放大图如图4，图5，图6，图7所示。

由仿真结果图得知：当风速为0m/s时，合成电场和离子流密度为最大，风速逐渐增加，合成电场和离子流密度也逐渐减小。

4.2 不同风速时流过人体的离子电流大小分析

本文计算出不同的风速情况下流过人体的离子电流大小如表2所示。根据上表可以看出在风速为0m/s时，人体在直流输电线路下截获的离子电流最大，风速依次增加，截获离子电流也逐渐变小。本文仿真的人体截获最大的离子电流和国际IEEE规定的流过人体的离子电流的公共值2.7mA对比要小的多[5]，说明人体在特高压直流输电线路下截获的最大离子电流远远低于规定的标准值，人体几乎没有什么感觉。

5 结果讨论与分析

本文通过Comsol有限元软件仿真了在±1100kV特高压直流输电线路下人体附近电场和离子流密度的分布，结论如下：

（1）在特高压直流输电线路下方，把人体近似为等位体并接地，人体顶部的合成电场和离子流密度发生了很大的畸变，比没有人体模型时的值大了12至13倍，说明人体在直流输电线路下发生了屏蔽效应。（2）本文考虑风速的因素，分析了风速为0m/s、2m/s、4m/s时的情况。由仿真的结果得知不同的风速情况下，人体顶部的合成电场和离子流场也是变化的，风速越大，而仿真值越小，成反比的。 （3） 本文计算了流过人体的离子电流大小，在不同的风速下流过人体的离子电流是变化的，风速越大流过人体的离子电流越小。本文计算的流过人体的最大离子电流和国际IEEE规定的流过人体的离子电流的公共值2.7mA对比要小的多，说明在特高压直流输电线路下人体截获的离子电流很小，不会产生不舒服感。

参考文献：

[1]刘振亚.特高压直流输电工程电磁环境[M].中国电力出版社，2009：1-10.

[2]赵畹军.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004：279-283.

[3]冯晗.高压直流输电线路离子流场计算及其工程应用[D].保定：华北电力大学，2006：18-20.

[4]李先志，梁明，李澄宇等.±1100kV特高压直流输电线路按电磁环境条件的导线设计[J].高电压技术，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.

作者简介：侯立伟，男，硕士研究生，主要从事特高压输电电磁暴露安全评估。