植被对特高压交流输电线路电磁暴露的影响

黄汇益 逯迈

（兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室 兰州 730070）

我国是一个清洁能源较为丰富的大国，但是国内能源丰富的地区远离经济发达的地区，随着我国的经济和工业的飞速发展以及各个城市电力需求的直线上升，电力能源的超远距离输送成为我国面临的主要问题。我国在2009 年1 月将国内首条拥有完全自主知识产权的1 000 kV晋东南-南阳-荆门特高压交流示范工程正式投入商业运行，这项工程是我国特高压电网的新起点，并且它也是目前全球技术水平最先进、运行电压等级最高的特高压交流输电工程［1］。

输电线路在工作时会在周围环境中产生工频交变的电磁场［2］，并且随着输送的电压等级与功率容量变大，所产生的工频交变电磁场对周围环境的影响也就越大。根据有关资料显示，人体躯干以及各人体器官具有较高的电导率［3］，长期暴露于电磁脉冲和极低频的电磁场中会对人体的机能造成不同程度上的损伤［4-6］，例如被电击而产生的疼痛和抽搐［7］，更甚至会对中枢神经系统造成损伤［8］，因此1 000 kV 特高压输电线路下的电磁暴露安全性研究成了广大学者研究的目标。在这种情况下，特高压输电线路附近的沿线居民对居住环境的质量以及电磁辐射的危害程度变得愈加关心，国际非电离辐射防护委员会也针对这一现象制定了暴露限制的相关规定［9-12］。

虽然国内外有学者对这一领域进行了研究，但大部分的研究对象都为低于1 000 kV 环境下的人体或建筑物，且都集中于对输电线路的架构方式和电压强度等级进行分析，对输电线路下植物这一特定条件考虑的较少。例如文献[13]、[14]只是单纯的对空旷环境下特高压交流输电线路的电磁环境进行了分析；文献[15]在人体模型的构建上相对简单，无法达到人体多区域、多角度的研究效果。在考虑了植被的特高压交流输电线路电磁暴露研究领域中，文献[16]针对有树木存在的超高压输电线路的电磁环境进行了分析；文献[17]、[18]分别对存在植被的环境下的275 kV 和500 kV高压输电线路的电磁环境进行了分析；文献[19]、[20]分别分析了在63 kV和110 kV输电线路走廊种植高大乔木对电场强度的屏蔽效果。从上述文献中可以发现，有树木存在的环境下可以对特高压交流输电线路产生的空间电场起到一定的消减作用。

本文研究在有树木存在的情况下的1 000 kV特高压交流输电线路时，考虑了周围的电磁环境和人体电磁暴露水平，这一研究内容目前相对较少。本文选用的植被类型为松树林，选择猫头塔为参照模型，评估巡线工的职业暴露与附近居民的公众暴露安全，对人体进行细致化的模型建立，选取400 m的接近实际线路长度的档距，对比研究了有树木存在的情况下1 000 kV 特高压交流输电线路产生的工频电磁场空间分布特性，从而来分析有植被存在的条件下是否会对人体受到的电磁辐射程度有削弱作用，对我国有关特高压输电线路的设计建造以及安全限值［21］的制定提供了参考。

1 原理和模型

1.1 原理

在实际生活中，人体在特高压输电线路所产生的电磁场中所受到的感应电场和感应磁场的强度是无法直接进行测量的，需要利用有限元数值仿真的方法来进行模拟计算。

计算所用到的有关电磁场理论内容为麦克斯韦方程组，其微分的表达形式见式（1）～（6）。

式中：H表示磁场强度，A/m；J表示电流密度，A/m2；D表示电通量密度，C/m2；E表示电场强度，V/m；B表示磁感应强度，T；ρ表示电荷体密度，C/m3。

随后由（1）～（4）式进行一系列的推导后，即可得到电磁场的偏微分方程，见式（5）、（6）。

式中：ε表示电介质的介电常数，F/m；μ表示磁导率，H/m；A表示矢量磁势，Wb/m；φ表示标量电势，V。

根据上述公式（5）、（6），可以利用COMSOL有限元分析软件，选用AC/DC 模块组中的磁场（mf）接口，空气域边界设置为磁绝缘，导线仿真电流的有效值大小设置为4 000 A，结合初始条件以及边界条件，利用有限元法对研究对象进行网格剖分。存在树木的计算模型中网格剖分自由度数约为503万，没有树木的计算模型中网格剖分自由度数约为219 万。在32 G 内存的计算机上完成上述两种模型的计算分别需要16 min和9 min。

1.2 模型

1.2.1 人体模型

为了有效地实现预期的目标并达到模拟环境的效果，需要参照现实生活中人类的平均身高来建立站姿人体模型，其高度为1.75 m。其次要对人体的各个部分进行细化，从而使人体电磁暴露水平的研究结果更加精确，人体头部模型需要更进一步的优化，将球头模型分为三层，分别代表脑组织、颅骨和头皮，其半径分别为0.080 m、0.085 m和0.092 m。因为除头皮以外的皮肤也属于人体中重要的一部分且占比面积最大，所以根据相关文献［22］，将人体皮肤厚度定为0.002 9 m。将人体置于特高压输电线路对地投影的正下方的中间位置，面部与导线的传输方向相同。图1为人体模型各部分的具体尺寸。单纯的模型无法进行计算，需要人体的相对介电常数和电导率［23］，假设各类介质均匀分布于人体每处［24］，在1 000 kV 交流输电环境下的频率为50 Hz，在这个频率下人体的相对介电常数以及电导率如表1所示。

表1 人体各组织在50 Hz时的介电常数和电导率Table 1 The permittivity and conductivity of human tissues at 50 Hz

图1 人体模型Fig.1 Human body model

1.2.2 输电线路及电塔模型

我国晋东南-南阳-荆门特高压交流示范工程的输电线路等级为1 000 kV，各导线电流的有效值为4 000 A，该工程导线采用LGJ-500/35 型号的八分裂导线［25］，在本文中将其等效为理想的长直导线。

针对实际的输电线路情况，采用导线“IVI”三角排列的猫头塔这一直线塔［26］。选取档距为400 m的间距，将输电线路两端的点等高悬挂，并且在计算时不考虑塔杆和绝缘子等物体产生的干扰，输电线路为荷载均匀分布及不考虑重力作用的理想的导线。该输电线路及电塔模型见图2。

图2 输电线路模型：(a)猫头塔模型；(b)导线模型Fig.2 Transmission line model：(a)cat head tower model；(b)conductor model

1.2.3 植被模型

植被选择为生活中常见的松树，为使松树模型更为精细，将其分为树冠、树干和树皮3 个部分，树冠半径为1 m，树干半径为0.146 5 m，树皮厚度为0.043 m［27］，松树的模型如图3所示。

图3 松树模型Fig.3 Pine tree model

根据资料显示，树木的相对介电常数为9［19］，树冠的电阻率为离地2 m处测量值的平均值，并且松树树干的电阻率随着高度的增加而降低，根据松树各部分的平均电阻率［28］可以推导出仿真时所需要的松树的电导率参数。松树树干距地不同高度的平均电阻率如表2所示。

表2 松树树干距地不同高度的平均电阻率Table 2 Average resistivity of pine trunk at different heights

本文在人体周围构建了由30 颗松树组成的松树林，其中松树的横纵间距均为5 m，并将人体模型置于松树林的中心位置，整体效果如图4所示。

图4 植被模型Fig.4 Vegetation model

2 结果与分析

2.1 磁感应强度及其分布

2.1.1 人体的磁感应强度

当1 000 kV 特高压交流输电线路工作时，由于导线内的三相电流共同作用，会在其附近产生交变的工频磁场。图5为在有植被和无植被两种情况下人体附近的磁感应强度分布。人体的组成成分不同于大部分物质，且人体内的磁感应强度的分布规律与其附近的空气几乎相同，因此由图5可以看出，导线所产生的工频磁场不会因为人体的生物特性而产生畸变，但与人体在导线下方的站位有关。

图5 人体周围磁感应强度分布：无植被（a）有植被（b）Fig.5 Magnetic induction intensity distribution around the human body：no vegetation(a)and with vegetation(b)

人体在有无植被环境中的磁感应强度分布对比如图6所示。由图6可以看出，磁感应强度的数值大小从人体胸腔部位以上开始呈现出逐渐增加的趋势，在无植被环境下的最大值达到了12.823 μT，在有植被环境下的最大值达到了12.711 μT，两种情况下的磁感应强度数值相差不大，两者最大值分别为限值的6.4%和6.3%。

图6 人体的磁感应强度分布：无植被（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 头部的磁感应强度

大脑作为人体构成成分中最重要的组织之一，必须在研究中对其进行细致的处理。分别以球心位置为基准，将有无植被两种环境下三层球头模型进行纵切片，其磁感应强度分布结果如图7 所示。由图7可以看出，无论是有植被还是无植被环境下，磁感应强度在头部的纵向分布规律与变化区间基本相同，磁感应强度随着距地高度而增加，并且最大值都位于头顶位置。两种环境下人体头部的磁感应强度均未超过工频磁场的安全阈值200 μT。

图7 头部纵切片磁感应强度分布：无植被（a）有植被（b）Fig.7 Magnetic induction intensity distribution in longitudinal section of the head：no vegetation(a)and with vegetation(b)

为了使头部的观测角度更多，将两种环境下的三层球头模型再进行横切片（图8），其磁感应强度的分布规律以及变化区间也基本相同，无植被环境下为12.645 μT～12.666 μT，有植被环境下为12.642 μT～12.659 μT，磁感应强度的最大值出现在人体头部的两侧，呈马鞍形分布，且两者最大值均为限值的6.3%

图8 头部横切片磁感应强度分布：无植被（a）有植被（b）Fig.8 Magnetic induction intensity distribution in cross section of the head：no vegetation(a)and with vegetation(b)

将有、无植被情况的特高压交流输电线路下方人体各组织最大磁感应强度进行汇总并与安全阈值进行占比分析，结果如表3所示。

表3 人体各部位的最大磁感应强度Table 3 The maximum magnetic induction intensity of each part of the human body

2.2 感应电场强度及其分布

2.2.1 人体的感应电场强度

感应电场强度虽然不会因为人体的存在而造成分布规律的改变，但由于人体各部位拥有不同的生物组织特性，在法拉第电磁感应定律的影响下交变的磁场可以使人体各组织内产生数值大小不同的感应电场。图9为在有植被和无植被两种情况下人体附近的感应电场强度分布，人体内的感应电场强度分布如图10所示。

图9 人体周围感应电场强度分布：无植被（a）有植被（b）Fig.9 Induced electric field intensity distribution around the human body：no vegetation(a)and with vegetation(b)

由图10 可以看出，感应电场强度最大值出现在颈部与下方身体的连接处，分别达到了0.983 mV/m 和0.475 mV/m，是限值的0.246%和0.118%，且后者为前者的48.3%。

图10 人体的感应电场强度分布：无植被（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 头部的感应电场强度

同理将三层球头模型进行纵切片与横切片，如图11 所示，人体头部的纵向感应电场强度分布基本对称，数值随着距地高度而增加。其电场强度最大值分别为0.208 mV/m 和0.202 mV/m，是限值的1.04%和1.01%。两种情况的差距可以忽略，且都位于头顶位置。

图11 头部纵切片感应电场强度分布：无植被（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)

图12为人体头部的横向感应电场强度分布图，其分布规律也基本对称，与头部磁感应强度横切片的分布情况呈垂直形态的变化趋势。其电场强度最大值分别为0.202 mV/m 和0.201 mV/m，均为限值的1.01%。两种情况的差距可以忽略，且都位于脸部与后脑的中心位置。

图12 头部横切片感应电场强度分布：无植被（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)

将有无植被两种情况的特高压交流输电下路下方人体各组织最大感应电场强度进行汇总并与安全阈值进行占比分析，结果如表4～5所示。

表4 无植被环境下人体各部位的最大感应电场强度Table 4 The maximum induction electric field intensity of each part of the human body in no vegetation environment

表5 有植被环境下人体各部位的最大感应电场强度Table 5 The maximum induction electric field intensity of each part of the human body in with vegetation environment

3 讨论与结论

本文在研究1 000 kV 特高压交流输电线路下的电磁暴露时考虑了植被这一特定条件，对有树木存在和没有树木存在的两种环境下输电线路对人体产生的影响进行了对比，并将这两种情况所产生的结果进行了安全评估。结果证明了无论有无树木存在，人体内部在特高压交流输电线路下的磁感应强度和感应电场强度均小于ICNIRP导则的安全阈值。

由于树木属于不导电的理想电介质，其内部只有极少数的自由移动的电子。所以树木处在工频交变的电场中时，其内部就会出现极化现象并且极化电荷所产生的电场会抵消掉导线产生的场强的部分影响［18］，因此和无植被存在的条件下相比，有植被的条件下会出现电场强度相对较弱的现象。

对人体内部的磁感应强度仿真结果进行分析，由于输电线路所产生的空间磁场不会因为其下方存在物体的生物组织特性而产生变化，所以两种环境下的磁感应强度基本没有差距，并且与外围空气的圆弧形分布方式相同。人体磁感应强度的最大值在头顶位置，并且自顶向下逐渐减小，无植被和有植被条件下的磁感应强度最大值分别为12.823 μT 和12.711 μT，两者无明显变化。出于对实际情况的考虑，对人体所受磁感应强度的均值进行计算。无植被和有植被条件下人体所受磁感应强度的平均值分别为12.578 μT和12.577 μT，两者无明显变化。

对人体内部的感应电场强度仿真结果进行分析，与空间磁场效应不同的是，人体内部的感应电场会因为生物组织的结构以及介电常数和电导率的不同而呈现出不均匀的分布方式。无植被和有植被两种环境下的人体感应电场强度最大值均位于颈部皮肤位置，分别为0.983 mV·m-1和0.475 mV·m-1，后者为前者的48.3%；且人体神经中枢系统的最大值在颅骨位置，为0.304 mV·m-1和0.302 mV·m-1，两者无明显变化。出于对实际情况的考虑，对人体所受感应电场强度的均值进行计算。无植被和有植被条件下人体所受感应电场强度的平均值分别为0.197 mV·m-1和0.122 mV·m-1，后者为前者的61.9%。

从无植被和有植被两种特定条件的特高压交流输电线路下方的人体头部和躯干位置的空间电磁场效应来看，两种环境下的磁感应强度无明显变化，无植被环境下的感应电场强度近似为有植被环境下的2 倍。尽管数值计算的结果均未超过ICNIRP 的安全阈值，但从电磁暴露计量学和改善生态环境的角度考虑，有植被存在下的线路优于无植被存在下的线路。

本研究结果期望能减少输电线路附近居民不必要的恐惧和担忧，同时为我国对电磁暴露标准的制定提供了参考。

作者贡献说明作者贡献说明：黄汇益实施建模与计算、数据处理、文字处理等工作；逯迈教授整体设计论文工作的基本思想、实施步骤、数据处理、论文架构等，审定论文的结果与结论。全体作者均已阅读并同意最终的文本。