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      1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回交流輸電線路電磁暴露安全評(píng)估

      2020-04-28 09:59:38杜慶中
      關(guān)鍵詞:同塔輸電線磁感應(yīng)

      杜慶中 逯 邁

      1(蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州730070)

      2(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州730070)

      目前,我國(guó)各領(lǐng)域?qū)﹄娏Φ男枨蟛粩嘣黾?,特高壓輸電成為跨區(qū)域輸電的主要途徑[1-3]。據(jù)相關(guān)研究表明,長(zhǎng)期暴露于電磁脈沖中,生物機(jī)能會(huì)出現(xiàn)損傷[4-5];而長(zhǎng)期處于極低頻電磁場(chǎng)中,中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)能也會(huì)產(chǎn)生障礙,出現(xiàn)頭暈頭痛、失眠多夢(mèng)、記憶力減退等癥狀[6-8]。特高壓輸電線下的電磁環(huán)境安全性得到人們廣泛關(guān)注。近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展大量研究,計(jì)算分析了特高壓?jiǎn)位鼐€路的工頻電磁場(chǎng)、可聽(tīng)噪音、無(wú)線電干擾等影響環(huán)境問(wèn)題[9-13],對(duì)特高壓交流輸電線路下的電磁環(huán)境也進(jìn)行了大量實(shí)測(cè)分析[14-15]。

      對(duì)于處在輸電線電磁環(huán)境中特高壓線路電磁場(chǎng)對(duì)生物體的影響,文獻(xiàn)基本以單回線路研究為主[16-20]。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)特高壓同塔混壓四回輸電線路的相關(guān)研究較少,主要研究輸電線下電磁場(chǎng)的空間分布規(guī)律[21-22];對(duì)于電磁場(chǎng)和人體間相互作用的研究也較少,例如,文獻(xiàn)[23]計(jì)算了作業(yè)人員體表電場(chǎng),未對(duì)輸電線下人體中的感應(yīng)電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí)未考慮更為重要的中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。

      我國(guó)東中部地區(qū)土地資源稀缺,且仍將長(zhǎng)期成為我國(guó)電力消費(fèi)的主要地區(qū),預(yù)計(jì)到2050 年,東中部用電量仍占全國(guó)用電量的60%以上,而多回輸電線路同塔架設(shè)則可節(jié)約線路走廊與工程投資,有效解決線路通道問(wèn)題。此外相比單回路輸電,同塔混壓四回輸電線路下的電磁場(chǎng)分布將變得更加復(fù)雜多樣。目前,人體暴露于同塔混壓四回輸電線路下,對(duì)人體中的感應(yīng)電場(chǎng)的計(jì)算研究基本處于空白。因此,有必要評(píng)估1 000 kV/500 kV同塔混壓四回輸電線路下人員的安全性,對(duì)處于此環(huán)境時(shí)人體內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算分析,其結(jié)果可為我國(guó)1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回輸電線電磁暴露的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考依據(jù)。

      本文使用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件,首先計(jì)算了人體在1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回線路下三種特殊運(yùn)行狀態(tài)(1 000 kV與500 kV共同運(yùn)行、1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行、500 kV 單獨(dú)運(yùn)行)時(shí),工頻磁場(chǎng)與人體感應(yīng)電場(chǎng)的分布情況,然后計(jì)算了9種典型相序排列時(shí)人腦組織最大感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度,最后將這些計(jì)算結(jié)果同國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection,ICNIRP)導(dǎo) 則[24-25]比較,對(duì)我國(guó)1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回輸電線路的電磁暴露進(jìn)行安全評(píng)估。

      1 原理與模型

      1.1 原理

      由于無(wú)法對(duì)人體內(nèi)部進(jìn)行感應(yīng)電場(chǎng)的直接測(cè)量,所以目前通常使用低頻電磁計(jì)量學(xué)的方法來(lái)計(jì)算分析低頻電磁場(chǎng)對(duì)人體的健康影響。

      因輸電線的頻率為50 Hz,其波長(zhǎng)尺寸(6 000 km)遠(yuǎn)大于研究模型的尺寸,所以認(rèn)為50 Hz輸電線其周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)為磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng),而處于工頻磁場(chǎng)的人員在其內(nèi)部各種組織會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)。對(duì)于磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的數(shù)值求解,須滿(mǎn)足計(jì)算公式:磁位的三維渦流場(chǎng)控制方程(1)、(2),磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)中感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度E與A和?的關(guān)系式(3)。

      式中:μ 為磁導(dǎo)率(H/m);σ 為電導(dǎo)率(S/m);?為電位(V);A為矢量磁位(Wb/m);J為電流密度矢量(A/m2);t為時(shí)間(s);E為感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度矢量(V/m)。

      對(duì)式(1)、(2)進(jìn)行數(shù)值分析,使用有限元法求得A 和? 的分布[26],根據(jù)式(3)得出人體內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度。

      1.2 輸電線塔桿模型

      我國(guó)淮南-南京-上海特高壓工程于,江蘇省界-華新站地區(qū)使用1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回架設(shè),1 000 kV 與500 kV 共塔長(zhǎng)度為18.3 km。典型1 000 kV/500 kV 同塔四回架設(shè)的桿塔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 所示[27-29]。

      模型中1 000 kV 雙回輸電線使用垂直排列,500 kV 雙回輸電線為三角排列,導(dǎo)線型號(hào) 分 別 為8×JL1/LHA1-465/210 和 為4×JL/G1A-630/45,1 000 kV 特高壓與500 kV 超高壓都使用V 型絕緣子串。計(jì)算中考慮1 000 kV 雙回線路所輸送的功率為2×5 000 MW,500 kV雙回線路為2×1 500 MW,功率因數(shù)取0.95,考慮線路損耗等因素的影響,模型中500 kV 交流輸電線的電流有效值為1 700 A,1 000 kV交流輸電線的電流有效值為3 000 A。模型計(jì)算只考慮輸電線路的主體部分,忽略絕緣子和金具等對(duì)輸電線下電磁場(chǎng)的影響,相序排列如圖1 所示, 其中1 000 kV 雙回相序排列為ABC-CBA,500 kV雙回相序排列為BAC-CBA。

      1.3 人體模型

      模型中人體身高參照我國(guó)成年人的身材比例建立,取1.75 m。本文重點(diǎn)研究1 000 kV/500 kV同塔混壓四回輸電線下電磁場(chǎng)對(duì)人體中樞神經(jīng)造成的影響,所以頭部構(gòu)建略微精細(xì)。頭部是由半軸分別為0.092 m、0.092 m、0.120 m 半橢球與半球的結(jié)合體,以及半徑是0.085 m、0.080 m 的球體來(lái)組成三層球模型模擬成年人頭部的皮膚、顱骨和腦組織,人體其余的軀干等結(jié)構(gòu)為一整體,如圖2 所示。人體模型處于線路對(duì)地投影正中心處。

      1 000 kV/500 kV 同塔四回交流輸電線下人體磁感應(yīng)強(qiáng)度與感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響因素不僅與激勵(lì)源及桿塔周?chē)h(huán)境有關(guān),還與人體各部位組織的結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率以及相對(duì)介電常數(shù)有著密切關(guān)系。計(jì)算人體的各部位組織的介電參數(shù),通常國(guó)際上使 用Gabriel 所 提 出 的 四 階Cole-Cole 模 型[30],見(jiàn)式(4)。

      式中:ε?r 為復(fù)相對(duì)介電常數(shù);ε′r為相對(duì)介電常數(shù)(即的實(shí)部);ε″r為損耗因子(即的虛部);εr∞為光頻處的相對(duì)介電常數(shù)值;εrn為相對(duì)介電常數(shù)增量;τn為中心弛豫時(shí)間;α 為弛豫分布的時(shí)間,取α 值為0~1;σi為離子電導(dǎo)率;ω 為角頻率;ε0為真空的介電常數(shù)。

      假定人體中各部位組織介質(zhì)為均勻分布,在工頻環(huán)境下,得到人體各組織的相對(duì)介電常數(shù)及電導(dǎo)率如表1所示。

      表1 50 Hz時(shí)人體各組織或部位介電常數(shù)和電導(dǎo)率Table 1 Permittivity and conductivity of human tissues or parts at 50 Hz

      1.4 計(jì)算模型

      COMSOL Multiphysics 是 瑞 典COMSOL 集 團(tuán)推出的一款高級(jí)仿真軟件,是基于有限元法,進(jìn)行求解偏微分方程組來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真。本文采用COMSOL Multiphysics 的AC/DC 模塊的磁場(chǎng)接口進(jìn)行仿真計(jì)算。建立人體與輸電線塔桿三維模型,人體腳底與地面接觸。場(chǎng)域邊界取較遠(yuǎn)處,進(jìn)行磁絕緣截?cái)?,?dāng)截?cái)噙吔缛『艽髸r(shí),加上剖分控制,可使截?cái)嗾`差控制在工程要求范圍內(nèi)[31]。求解域采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分,求解的自由度數(shù)為4 674 374,需使用32 G 內(nèi)存計(jì)算機(jī)計(jì)算。

      2 計(jì)算結(jié)果

      2.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度與分布

      計(jì)算得到不同運(yùn)行方式時(shí)在人體及其周邊磁感應(yīng)分布。圖3(a)為1 000 kV 與500 kV 共同運(yùn)行時(shí)仿真結(jié)果;圖3(b)為1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)仿真結(jié)果;圖3(c)為500 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)仿真結(jié)果。從圖3可以看出,人體雖然處于磁場(chǎng)中,但人體內(nèi)與周?chē)h(huán)境中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布基本一致,磁導(dǎo)率近似為1,人體不會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯干擾,磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)從上而下遞減趨勢(shì)。

      人體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布見(jiàn)圖4,在1 000 kV與500 kV 共同運(yùn)行狀態(tài)下,人體內(nèi)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為8.02 μT;1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)則為0.28 μT,與共同運(yùn)行時(shí)相比降低許多,占共同運(yùn)行時(shí)3.5%;500 kV 單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)為6.86 μT,是共同運(yùn)行時(shí)的85.5%。由此可見(jiàn),500 kV單獨(dú)運(yùn)行時(shí)人體的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)。將不同運(yùn)行狀態(tài)下所計(jì)算的最大值與ICNIRP 2010導(dǎo)則中的公眾電磁暴露基本限值200 μT 進(jìn)行比較,人體中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別占限值的4.0%、0.14%、3.4%,均小于安全限值。

      2.2 感應(yīng)電場(chǎng)

      2.2.1 人體感應(yīng)電場(chǎng)

      當(dāng)人體位于交變磁場(chǎng)中時(shí),依照法拉第電磁感應(yīng)定律,會(huì)在人體各組織部位生成感應(yīng)電場(chǎng)。人體的感應(yīng)電場(chǎng)受到生物組織特性與所處位置等因素的影響。圖5(a)為1 000 kV 與500 kV 共同運(yùn)行下的人體感應(yīng)電場(chǎng)分布,人體中感應(yīng)電場(chǎng)較強(qiáng)的部位主要分布在肩、臂等處,最大值為13.4 mV/m;圖5(b)為1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的人體內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)分布,此時(shí)人體中感應(yīng)電場(chǎng)較強(qiáng)區(qū)域發(fā)生變化,分布于人體下側(cè)部位,主要出現(xiàn)在腳踝、小腿以及頸部等較細(xì)部位,感應(yīng)電場(chǎng)最大值為84.5 mV/m,相比共同運(yùn)行時(shí)有所增強(qiáng);圖5(c)為500 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的人體感應(yīng)電場(chǎng)分布。

      人體感應(yīng)電場(chǎng)較強(qiáng)的部位與1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)相似,但相比1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)最大感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度有所減小,為61.90 mV/m。所計(jì)算出的最大值分別與ICNIRP導(dǎo)則中的公眾暴露限值400 mV/m相比較,分別占限值的3.4%、21.1%、15.5%。

      2.2.2 頭部感應(yīng)電場(chǎng)

      不同運(yùn)行狀態(tài)下頭部中心處縱切面(yOz 切面)如圖6 所示,感應(yīng)電場(chǎng)呈左右近似對(duì)稱(chēng)分布。在1 000 kV 與500 kV 共同運(yùn)行時(shí),人體頭部感應(yīng)電場(chǎng)最強(qiáng)部位出現(xiàn)在顱骨中,最大值為0.858 mV/m;切面圖中腦組織最大值為0.420 mV/m。1 000 kV或500 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí),感應(yīng)電場(chǎng)最大部位也出現(xiàn)在顱骨中,最大值分別為7.54 mV/m、5.47 mV/m;腦組織中的最大值分別為3.43 mV/m、2.49 mV/m。ICNIRP 導(dǎo)則中對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)公眾暴露限值為20 mV/m。不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)人體腦組織感應(yīng)電場(chǎng)最大值分別占限值的2.1%、17.2%、12.5%。

      不同運(yùn)行狀態(tài)下人體頭部中部處橫切面感應(yīng)電場(chǎng)分布見(jiàn)圖7。1 000 kV 與500 kV 共同運(yùn)行時(shí),感應(yīng)電場(chǎng)呈前后近似對(duì)稱(chēng)分布,場(chǎng)強(qiáng)最大部位出現(xiàn)在前后顱骨處,感應(yīng)電場(chǎng)最大值為0.719 mV/m;切面圖上腦組織感應(yīng)電場(chǎng)最大值為0.376 mV/m。1 000 kV單獨(dú)運(yùn)行情況下,感應(yīng)電場(chǎng)最大部位也出現(xiàn)在顱骨中,最大為2.22 mV/m;腦組織中最大值為1.97 mV/m。500 kV單獨(dú)運(yùn)行時(shí),感應(yīng)電場(chǎng)最大部位出現(xiàn)在前側(cè)顱骨中,最大值為1.67 mV/m;腦組織中最大值為1.51 mV/m。腦組織中感應(yīng)電場(chǎng)最大值分別占限值的1.9%、9.9%、7.6%。

      2.3 不同相序時(shí)人腦組織感應(yīng)電場(chǎng)

      相序的不同排列會(huì)對(duì)輸電線下電磁場(chǎng)產(chǎn)生較大影響,而長(zhǎng)期暴露于極低頻電磁場(chǎng)中的人員,中樞神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能會(huì)產(chǎn)生障礙。為了解在不同相序下1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回輸電線下電磁場(chǎng)對(duì)人腦組織的影響,進(jìn)一步計(jì)算了9種典型相序排列時(shí)的人腦組織中最大感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度。相序分布如表2所示。

      表2 1 000 kV/500 kV同塔混壓四回交流輸電線路典型相序排列Table 2 Phase sequence arrangements for quadruple-circuit AC transmission line with 1 000 kV/500 kV dual voltage on the same tower

      在不同相序情況下計(jì)算人腦組織最大感應(yīng)電場(chǎng)并將結(jié)果繪制成圖8所示的柱狀圖。對(duì)比不同相序,可以看出第5 相序排列,即1 000 kV 為同相序、500 kV 為對(duì)稱(chēng)排列時(shí)腦組織中的最大感應(yīng)電場(chǎng)最高,值為0.708 mV/m;而第7 相序排列,即1 000 kV 與500 kV 都為異相序排列時(shí)腦組織中最大感應(yīng)電場(chǎng)最低,值為0.332 mV/m。在這9種典型相序中,腦組織中最大感應(yīng)電場(chǎng)最高時(shí)為最低時(shí)的2.13倍。

      通過(guò)比對(duì)1、4、7 或2、5、8 或3、6、9 相序排列,可以看出1 000 kV 同序排列時(shí)腦組織中感應(yīng)電場(chǎng)最強(qiáng),而1 000 kV 異序排列時(shí)最弱。通過(guò)比對(duì)1、2、3 或4、5、6 或7、8、9 相序排列,可以看出500 kV對(duì)稱(chēng)排列時(shí)腦組織中感應(yīng)電場(chǎng)最強(qiáng),而500 kV 異序排列時(shí)最弱。這9 種相序排列時(shí)的腦組織中最大感應(yīng)電場(chǎng)均小于限值。

      3 討論

      我國(guó)各領(lǐng)域?qū)﹄娏Φ男枨笠约巴恋氐某杀静粩嘣黾?,多回輸電線路同塔架設(shè)成為特高壓輸電的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì),對(duì)其線路下方電磁環(huán)境及電磁暴露問(wèn)題的研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。許多文獻(xiàn)研究的重點(diǎn)在于特高壓?jiǎn)位鼐€路的電磁環(huán)境問(wèn)題,如文獻(xiàn)[32]、[33]對(duì)于特高壓交流輸電線路電磁環(huán)境研究。針對(duì)特高壓同塔混壓四回輸電線路的相關(guān)研究較少,其中以研究輸電線下電磁場(chǎng)的空間分布規(guī)律為主,對(duì)輸電線下電磁場(chǎng)與人體間相互作用的研究基本處于空白。

      本文計(jì)算了不同運(yùn)行狀態(tài)和9種典型相序排列時(shí)1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回交流輸電線電磁場(chǎng)對(duì)人體所產(chǎn)生的影響,得出4點(diǎn)主要結(jié)論。

      (1)在1 000 kV 與500 kV 共同運(yùn)行狀態(tài)下,人體內(nèi)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為8.02 μT;1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)則為0.281 μT,是共同運(yùn)行時(shí)的3.5%;500 kV單獨(dú)運(yùn)行時(shí)為6.86 μT,是共同運(yùn)行時(shí)的85.5%。雖1 000 kV 電壓等級(jí)較500 kV 高,但500 kV 輸電線較1 000 kV 距人體更近,此因素對(duì)人體周?chē)艌?chǎng)影響更為顯著,500 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的人體最大磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)。將不同運(yùn)行狀態(tài)下所計(jì)算最大磁感應(yīng)強(qiáng)度與ICNIRP 2010導(dǎo)則限值200 μT 比較,分別為限值的4.0%、0.14%、3.4%,均小于限值。

      (2)1 000 kV 與500 kV 共同運(yùn)行時(shí),人體中的最大感應(yīng)電場(chǎng)為13.4 mV/m,1 000 kV或500 kV單獨(dú)運(yùn)行時(shí),最大感應(yīng)電場(chǎng)分別為84.5 mV/m 或61.9 mV/m。這3種狀態(tài)與ICNIRP導(dǎo)則中的公眾暴露限值400 mV/m 相比較,分別為限值的3.4%、21.1%、15.5%,均小于限值。1 000 kV 或500 kV單獨(dú)運(yùn)行時(shí)與共同運(yùn)行時(shí)相比,人體中感應(yīng)電場(chǎng)分布發(fā)生改變,從共同運(yùn)行時(shí)的人體中肩與臂感應(yīng)電場(chǎng)較強(qiáng)變?yōu)閱为?dú)運(yùn)行時(shí)的頸部與小腿等部位感應(yīng)電場(chǎng)較強(qiáng)。

      (3)在1 000 kV與500 kV共同運(yùn)行,1 000 kV或500 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí),人體頭部中心處縱切面腦組織感應(yīng)電場(chǎng)最大值分別0.420 mV/m、3.43 mV/m、2.49 mV/m,同ICNIRP 導(dǎo)則中對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)公眾暴露限值20 mV/m 比較,分別為限值的2.1%、17.2%、12.5%。1 000 kV 與500 kV 共 同 運(yùn) 行,1 000 kV 或500 kV 單獨(dú)運(yùn)行時(shí),人體頭部中部處橫切面中腦組織感應(yīng)電場(chǎng)最大值分別為0.376 mV/m、1.97 mV/m、1.51 mV/m,分別為限值的1.9%、9.9%、7.6%,均小于限值。

      (4)對(duì)比不同相序情況下計(jì)算人體腦組織最大感應(yīng)電場(chǎng),1 000 kV 與500 kV 都為異相序排列時(shí)人體腦組織中最大感應(yīng)電場(chǎng)最低,為0.332 mV/m。1 000 kV 為同相序,500 kV 為對(duì)稱(chēng)排列時(shí)人體腦組織中最大感應(yīng)電場(chǎng)最高,值為0.708 mV/m;低于限值。9種典型相序中,人體腦組織中最大感應(yīng)電場(chǎng)最高時(shí)為最低時(shí)的2.13 倍。通過(guò)對(duì)比1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回交流輸電線下不同相序時(shí)人體腦組織感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度,1 000 kV雙回同序排列時(shí)腦組織中感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)于逆相序與異相序排列,500 kV 雙回對(duì)稱(chēng)相序排列時(shí)腦組織中感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)于異相序排列。

      綜上所述,1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回交流輸電線路不同運(yùn)行狀態(tài)下,人體中磁感應(yīng)強(qiáng)度、感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值均小于ICNIRP 導(dǎo)則中的限值,不同相序時(shí)人體腦組織感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值也都低于限值。說(shuō)明1 000 kV/500 kV 同塔混壓四回交流輸電線所產(chǎn)生的電磁暴露對(duì)于人體的健康不會(huì)造成威脅。

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