基于电荷模拟法的500kV输电线路下人体模型感应电流密度计算模型

基于电荷模拟法的500kV输电线路下人体模型感应电流密度计算模型

刘聪

广东电网有限责任公司佛山供电局广东佛山528000

摘要：各种电力设备在运行时都将产生电磁场，并且该电磁场能使人体产生感应电流，因此有必要计算人体感应电流密度以确定电磁场的安全许可极限值，并以此来判断人体是否危险。为了计算500kV输电线路附近人体感应电流密度，本文通过建立500kV输电线路下人体接地和对地绝缘人体模型，并假设地表条件为地面没有任何树木或其他物体高于人体模型。由于人体模型的皮肤导电特性对于接地人体模型而言，人体皮肤为零等电位面。结果表明感应电流密度在人体各部位是不等的，颈部和腿部电流密度较高，且接地人体模型高于对地绝缘人体模型。

关键词：电荷模拟法；感应电流；500kV输电线

CalculationModelofInducedCurrentDensityofHumanBodyModelunder500kVTransmissionLineBasedonChargeSimulationMethod

ChenSixiang,LiHengzhen,ZhanQinghua

(GuangdongPowerGridCo.,Ltd.FoshanPowerSupplyBureau,Foshan,Guangdong,528000,China)

Abstract:Allkindsofpowerequipmentwillgenerateelectromagneticfieldswhenworking,andsuchelectromagneticfieldscangenerateinducedcurrentinthehumanbody.So,itisnecessarytocalculatetheinducedcurrentdensityofthehumanbodytodeterminethesafetyallowablelimitoftheelectromagneticfieldanduseittojudgewhetherthehumanbodyisindanger.Inordertocalculatethebody-inducedcurrentdensitynearthe500kVtransmissionline,thehumanbodygroundingandgroundinsulationmodelunderthe500kVtransmissionlinewasestablished,anditassumesthatthegroundingsurfaceconditionisthegrounddoesnothaveanytreesorotherobjectshigherthanthehumanbodymodel.Humanskiniszeroequipotentialsurfaceduetohumanskinmodelconductivecharacteristicsforgroundedhumanmodels.Theresultsshowthattheinducedcurrentdensityisnotequalinallpartsofthehumanbody,andthecurrentdensityintheneckandlegsishigher.Thegroundedhumanmodelishigherthantheinsulatedhumanmodeloftheground.

Keywords：chargesimulationmethod；inductivecurrent；500kVtransmissionline

0引言

特高压电网在能源配置、降低损耗、以及节约土地资源等方面发挥着重要作用，因此其发展非常迅猛[1,2]。由于电磁耦合的作用，在高压输电线路周围会产生工频电磁场，随着输电线路的不断增加以及电压等级的不断提高，其周围的电磁环境将进一步恶化[3-5]。当人体处于高压输电线路下方时，周围会产生感应电场和感应电流[6]。近年来,超特高压输电线路对环境和人体的影响，成为了关注焦点。

文献[7]利用简单的二维模型计算了人体的感应电场；文献[8]分析了工频磁场对人体的影响；文献[9-11]对高压输电线路下电磁环境对人体生态效应的影响进行了研究。当人体感应电场及感应电流超过一定限值时，会对人体产生一定影响。为此，国际非电离辐射防护委员会ICNIRP制定了关于电磁场极值的准则与标准，规定邻近民房处或公共活动区域的场强暴露极值为5kV/m，电磁相关职业场所的场强暴露极值为10kV/m[12]。根据相关调查研究，500kV输电线路下的空间内的场强一般小于3kV/m。由于很难直接测量人体内的感应电流，因此我们需间接来计算人体感应电流。

本文基于电荷模拟法建立了500kV输电线路下人体接地和对地绝缘人体模型，计算了500kV输电线路附近人体感应电流密度，将计算结果与国际非电离辐射防护委员会标准相对比，并探究不同身体部位的感应电流密度差异。

1模型计算分析

计算感应电流的数值理论方法主要：有限元法（FEM），有限差分法（FDM）和电荷模拟法（CSM）等。有限元法计算准确性较高，但对于这个问题，我们必须将空间（人体和空气模型）进行离散化，该方法在这种复杂边界条件下计算量很大。而电荷模拟法（CSM）是一种简单的数值理论[13]，在处理边界上计算复杂度较低，效果较好。所问题中，我们使用CSM理论来计算感应电流密度。

计算过程中，本文做了如下假设：

一、人体模型直接放置在传输线下方。对于对地绝缘人体模型，人体模型的皮肤电位不等于零，但皮肤作为等势面。对于接地人模型，人体模型皮肤的电势等于零。

二、所有的电量均看作相量，具有实部和虚部。

三、由于系统的频率为50Hz，或者极端低频，因此计算中使用准静态分析。

四、地平面附近电场是均匀的，且垂直于地面，地面是零电位的等势面

五、传输导体的高度不变，恒为36.25m。

六、环境湿度保持恒定。

500kV线路常为3相4线，如图1所示。

与本文的计算结果相比，500kV输电线路下接地人体模型的头部和腿部中的感应电流密度大于10kV/m下的人体感应电流密度，而身体和颈部的感应电流密度大于人体感应电流密度；当人体对地绝缘时，人体感应电流密度小于10kV/m下的人体感应电流密度。

3结论

从上面的计算和结果的分析，可以得出如下结论:

500kV输电线路下的接地人体模型的感应电流密度高于对地绝缘人体模型；

人体对地不绝缘时，感应电流密度在人体身体部位最高，人体对地绝缘时，感应电流密度在人体颈部最高；

500kV输电线路下接地人体模型的头部和腿部中的感应电流密度大于10kV/m下的人体感应电流密度，而身体和颈部的感应电流密度大于人体感应电流密度；当人体对地绝缘时，人体感应电流密度小于10kV/m下的人体感应电流密度。

参考文献:References

[1]张文亮，吴维宁，胡毅(ZhangWenliang,WuWeining,HuYi.).特高压输电技术的研究与我国电网的发展(StudyonUHVtransmissiontechnologyanddevelopmentofChina'spowergrid)[J].高电压技术(HighVoltageEngineering),2003(09):16-18.

[2]周孝信，陈树勇，鲁宗相(ZhouXiaoxin,ChenShuyong,LuZongxiang.).电网和电网技术发展的回顾与展望——试论三代电网(ReviewandProspectofDevelopmentofPowerGridandPowerGridTechnology——DiscussionontheThirdGenerationGrid)[J].中国电机工程学报(ProceedingsoftheCSEE),2013,33(22):1-11+22.

[3]李振强，刘传铨，戴敏(LiZhenqiang,LiuChuanxi,DaiMin).交流1000kV与500kV/220kV同塔4回线路的感应电压和电流(Inducedvoltagesandcurrentsoffour-circuitlineof1000kVand500kV/220kVonthesametower)[J].高电压技术(HighVoltageEngineering),2013,39(12):3022-3028.