特高压交流输电线路工频磁场在人体内的感应电流密度计算分析.pdf

第 31 卷 第 13 期 电 网 技 术 Vol.31 No.13 2007 年 7 月 Power System Technology Jul.2007 文章编号：1000-3673（2007）13-0007-04 中图分类号：TM153 文献标识码：A 学科代码：4704034 特高压交流输电线路工频磁场在人体内的 感应电流密度计算分析 王建华，文 武，阮江军（武汉大学 电气工程学院，湖北省 武汉市 430072）Calculation and Analysis on Power Frequency Magnetic Field Induced Current Density within Human Body under UHVAC Transmission Line WANG Jian-hua，WEN Wu，RUAN Jiang-jun（School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei Province，China）ABSTRACT:At present,influence of AC magnetic field on human body and zoological environment becomes a focus problem concerned by human beings gradually.The alternating electromagnetic field of UHV transmission line will induce current within human body while human body is under Ultra-High Voltage(UHV)transmission line;when the density of induced current exceeds a certain limitation,it will affect human health caused by the stimulation or damage of nerve cell tissue because the energy of electro-magnetic field absorbed by human body turns into heat energy and leads to fever of human body.By means of finite element analysis in three-dimension vortex field,the inductive current within human body induced by power frequency alternating magnetic field under 1000kV transmission line is calculated;the distribution feature of induced current distributed within human body as well as the principal factors impacting the value of induced current within human body are analyzed.Research results show that under the power frequency magnetic field of 1000kV transmission line,the density of induced current within human body is far less than the safety limit of body current density 10mA/m2.Thus,the conclusion obtained from this research is that the controlled condition of least height to earth for 1000kV transmission line does not depend on the induced value of magnetic field.KEY WORDS:ultra-high voltage；transmission line；power frequency magnetic field；induced current 摘要：人体处于特高压输电线路附近时，输电线路的交变电磁场将在人体中产生感应电流，当感应电流密度超过一定限值后，人体由于吸收电磁场能量而发热并对神经细胞组织造成刺激或损伤，影响人体健康。采用三维涡流场的有限元分析方法计算了 1000 kV 输电线路下方工频交变磁场在人体中的感应电流，分析了人体感应电流密度的分布特点，以及影响人体磁场感应电流大小的主要因素。研究表明，在 1000 kV 特高压输电线路工频磁场作用下，人体内感应电流密度远小于人体电流密度安全限值 10 mA/m2。得出了磁场感应值不是 1000 kV 特高压输电线路最小对地高度的控制条件的结论。关键词：特高压；输电线路；工频磁场；感应电流 0 引言 电力系统及其联网的发展与掌握更高电压等级的输电工程密切相关，特高压输电工程由于具有输送距离远、输送能力大等优点而将成为我国电网发展的强劲动力1-10。然而特高压输电系统在其周围所产生的交变电磁场可能引起的无线电、电视干扰和可听噪声以及对处于其周围的人体生理和心理影响，愈来愈被人们所关注。人体处于输电线路附近时，工频交变电磁场会在人体内产生感应电流，当感应电流密度超过一定限值时，人体将产生不适感，甚至对人体神经细胞和组织造成刺激和其他影响，其中处于输电线路下方的电磁场强度最大。因此，研究特高压输电线路对附近人体的感应电流及最小对地距离的影响因素十分必要11-16。电磁场对人体的影响主要表现为身体因吸收电磁能量而发热以及交变电磁场产生的感应电流对细胞和组织的刺激。感应电流密度等于或超过10mA/m2时细胞组织可能受到刺激，部分低频似稳场对神经组织的刺激极为明显；但人体内的许多补偿性机能调节使得受刺激的频率从初值升高到约100 倍时并不损害人体器官17-20。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 8 王建华等：特高压交流输电线路工频磁场在人体内的感应电流密度计算分析 Vol.31 No.13 国内外的科研工作者已对输电线路周围的电磁场在人体内的感应电流进行了大量研究，但所使用的计算模型简化较多。本文采用交变涡流场的三维有限元计算方法21-24，根据实际空间位置建立了 1000 kV特高压输电线路及线路下人体的计算模型，计算特高压输电线路磁场在人体内感应电流的大小及分布特点。并根据文献17提出的人体安全电流密度限值 10 mA/m2，分析了影响人体内交变磁场感应电流的因素和大小，判断磁场值是否为输电线路对地最小高度的控制因素。1 计算原理 计算特高压输电线路交变磁场在人体内的感应电流是一个三维涡流场的计算问题。将人体视为导电体，当交变磁场穿过人体时，根据法拉第电磁感应定律，在人体内将会产生感应电流。由于在工频范围内，导体区中的位移电流可忽略不计。根据Maxwell 方程组，控制方程为 se=+HJJ (1)t=BE (2)0=B (3)本构方程为=BH (4)e=JE (5)式中：H 为磁场强度，A/m；B 为磁通密度，Wb/m2；E 为电场强度，V/m；Js为源电流密度，A/m2；Je为涡流密度，A/m2；为磁导率，H/m；为电导率，S/m。引入矢量磁位 A，满足=BA (6)将其代入式(2)可得 0t+=AE (7)由于旋度为 0 的矢量可表示为某一标量的梯度，可将式(7)改写为 t=AE (8)其中为标量电位，与矢量磁位 A 一起构成时变电磁场的一组电磁位。采用电磁位表述的三维涡流场控制方程为 11st+=AAAJ (9)0t +=A (10)其中(1/A)是为了保证库仑规范而加的罚项。应用 A,A-法对涡流场进行分析具有明显的优点：A,的唯一性得到保证，因而对于任何似稳场均能得到稳定的数值解；内部边界条件均为自然边界条件，在有限元离散时可自动满足，无须作特殊处理；可应用于多连通导体区域的情况。但由于 A,A-法中，涡流区每个节点有 4 个未知数，非涡流区每个节点上有 3 个未知数，因而总的未知数数量较多，计算量较大。2 有限元计算模型 2.1 线路参数 假设某 1000 kV 特高压架空输电线路的铁塔如图 1 所示(图中数字单位为 mm)，导线采用六分裂LGJ-630/45 型，子导线直径为 33.6 mm，分裂间距为0.4 m，导线对地高度25 m，相导线电流为3600 A。31000 73334 23334 50000 16000 24000 图 1 猫头形“M”串单回塔 Fig.1 Single circuit tower of“M”string 2.2 人体计算模型的建立 计算分析特高压输电线路电磁场在人体内的感应电流时，人体模型的电气参数主要是电导率、介电常数和磁导率，人体的相对磁导率近似为 1。人体不同器官的电导率不同，人体不同器官在工频下的电导率如表 1 所示25。表 1 人体不同器官的电导率 Tab.1 Electrical conductivity of different organs in human body 器官 肺 肝 内脏 头 脑 心脏 脊骨 胳膊 腿 电导率/(S/m)0.1 0.1 0.03 0.05 0.07 0.07 0.01 0.1 0.1 根据文献26的研究，人体内活组织的相对介电常数与频率的关系较大，50 Hz 电场环境下人体内活组织的相对介电常数约 1052106(大脑和肺约 106，脂肪约 105，而血液约为 2106)。本文在PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 31 卷 第 13 期 电 网 技 术 9 计算特高压输电线路下人体的感应电流时，不考虑人体不同器官间电导率的差异，假定人体由均匀介质构成，其电导率为 0.1 S/m，相对介电常数为 106。人体计算模型中各部分的参数为：头部由 2 部分构成，头的下部为半径 10 cm、高 10 cm 的圆柱，头的上部为半径为 10 cm的球寇；颈部为半径 6 cm、高 6 cm 的圆柱；腰部为半径 20 cm、高 60 cm 的圆柱；腿部为半径 15 cm、高 90 cm 的圆柱。人体的总高度为 176 cm，取人体的电导率为 1 S/m，相对介电常数为 106，如图 2 所示。假定人体位于输电线路下方正对中线的位置(如图 3 所示)。图 2 人体计算模型及剖分 Fig.2 The calculation model and mesh of human body 图 3 线路及人体的相对位置 Fig.3 Schematic diagram of configuration of transmission line and human body 3 计算结果分析 3.1 线路距地高度 25m 时工频磁场在人体内的感应电流计算 设线路距地高度为 25 m，由工频磁场的三维有限元方法计算，人体磁场感应电流分布如图 4(图中数据单位 A/m2)所示。可以看出，高压输电线路磁场在人体内的感应电流密度分布特点是：沿线路纵向的人体表面电流密度较大，与导线垂直方向人体感应电流密度较小；人体表面的感应电流密度大于体内感应电流密度。感应电流密度最大值约为 1.02 mA/m2。0.278104 0.138103 0.248103 0.358103 0.468103 0.578103 0.688103 0.798103 0.908103 0.001018 min=0.278104 max=0.001018 0.278104 0.138103 0.248103 0.358103 0.468103 0.578103 0.688103 0.798103 0.908103 0.001018 min=0.278104 max=0.001018 图 4 线路距地高度 25m 时人体磁场感应电流分布 Fig.4 Distribution of induced current in human body from magnetic field by transmission line being 25m above ground 图 5 为人体纵向剖面某时刻感应电流方向分布(图中数据单位 A/m2)，可以看出，高压输电线路工频磁场在人体内的感应电流为涡流。0.116104 0.149103 0.287103 0.425103 0.563103 0.701103 0.839103 0.977103 0.001115 0.001253 min=0.116104 max=0.001253 图 5 线路距地高度 25m 时人体截面某时刻的电流方向 Fig5 Current direction in human body cross section at a time when transmission line being 25m above ground 图 6 为穿过人体的磁场有效值分布(图中数据单位 Wb/m2)，与图 4 比较可知，人体内磁场的分布特点与感应电流密度分布的特点相同。0.2061010 0.265109 0.509109 0.754109 0.998109 0.124108 0.149108 0.173108 0.198108 0.222108 min=0.2061010 max=0.222108 0.2061010 0.322109 0.509109 0.754109 0.998109 0.124108 0.149108 0.173108 0.198108 0.222108 min=0.2061010 max=0.222108 图 6 线路距地高度 25m时人体内磁场分布 Fig.6 Magnetic field distribution in human body when transmission line being 25m above ground PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 10 王建华等：特高压交流输电线路工频磁场在人体内的感应电流密度计算分析 Vol.31 No.13 3.2 线路距地高度 20m 时感应电流计算 设线路距地高度为 20 m，其它条件不变，计算得知人体内感应电流分布如图 7 所示(图中数据单位 A/m2)。0.288105 0.157104 0.285104 0.413104 0.541104 0.669104 0.797104 0.924104 0.105103 0.118103 min=0.288105 max=0.118103 0.288105 0.157104 0.285104 0.413104 0.514104 0.669104 0.797104 0.924104 0.105103 0.118103 min=0.288105 max=0.118103 图 7 线路距地高度 20m 时人体内磁场感应电流分布 Fig.7 Distribution of induced current in human body from magnetic field by transmission line being 25m above ground 由计算结果可知，人体磁场感应电流密度最大值约为 1.2 mA/m2。线路距地高度越小，人体内的磁场感应电流密度越大。3.3 电导率对人体磁场感应电流的影响 以上计算中人体的电导率圴为 1 S/m，将人体的电导率设为 0.1 S/m，线路的距地高度为 25 m，由计算知磁场感应电流密度最大值约为 0.15 mA/m2。4 结论（1）高压输电线路交变磁场在人体内的感应电流密度分布特点是：人体表面的感应电流密度大于人体内部感应电流密度；人体表面沿线路纵向的感应电流密度大于与导线垂直方向的感应电流密度。（2）影响人体磁场感应电流大小的因素主要是人体的电导率和线路距地高度。人体磁场感应电流密度的大小随人体电导率的增加而增大，随线路距地高度的增加而减小。（3）特高压输电线路工频磁场在人体内的感应电流密度最大值远小于人体电流密度安全限值10 mA/m2。而且，人体对磁场及其感应电流的感觉更为迟钝，只有在磁场强度超过在生活中遇到的场强很多倍时才有所感觉，因而，特高压输电线路最小对地高度不由磁场值来决定，而由输电线路周围的电场强度决定。参考文献 1 刘振亚特高压电网M北京：中国经济出版社，2005 2 黄道春，魏远航，钟连宏，等我国发展特高压直流输电中一些问题的探讨J电网技术，2007，31(7)：6-12 Huang Daochun，Wei Yuanhang，Zhong Lianhong，et al Discussion on several problems of developing UHVDC transmission in China JPower System Technology，2007，31(7)：6-12(in Chinese)3 周小谦我国“西电东送”的发展历史、规划和实施J电网技术，2003，27(5)：1-5,36 Zhou XiaoqianDevelopment，planning and implementation of the project of power transmission from west China to east China JPower System Technology，2003，27(5)：1-5,36(in Chinese)4 郑宝森，郭日彩 中国互联电网的发展J 电网技术，2003，27(2)：1-3 Zheng Baosen，Guo RicaiOn development of interconnection of power networks in ChinaJ Power System Technology，2003，27(2)：1-3(in Chinese)5 詹奕，尹项根 高压直流输电与特高压交流输电的比较研究J 高电压技术，2001，27(4)：44-46 Zhan Yi，Yin XianggenComparative research on HVDC and UHV power transmissionJHigh Voltage Engineering，2001，27(4)：44-46(in Chinese)6 舒印彪中国直流输电的现状及展望J高电压技术，2004，30(11)：1-2,20 Shu YinbiaoPresent 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