1 緒論 

1.1 論文研究背景和研究意義
預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年，我國(guó)的用電量仍將保持快速增長(zhǎng)，而滿足我國(guó)電力需求迅速增長(zhǎng)的重要保證就是發(fā)展特高壓電網(wǎng)。電網(wǎng)是電力傳輸?shù)妮d體，而 500kV 交流和±500kV 直流是目前我國(guó)電網(wǎng)跨區(qū)域輸電的主要途徑，但存在輸電能力不足、線路走廊、環(huán)保問(wèn)題等諸多制約因素。然而，建設(shè)電壓等級(jí)更高的特高壓電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)更堅(jiān)強(qiáng)的大規(guī)模輸電電網(wǎng)和資源優(yōu)化配置等問(wèn)題[1,2]。 2006 年 8 月，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流輸變電工程—1000kV 晉東南-南陽(yáng)-荊門(mén)特高壓交流國(guó)家試驗(yàn)示范工程，歷經(jīng) 28 個(gè)月于 2010 年 8 月初通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收，這標(biāo)志著我國(guó)的電網(wǎng)正式步入“特高壓”時(shí)代[3]。 如圖 1.1 所示，到 2015 年，我國(guó)將形成“三縱三橫一環(huán)網(wǎng)”的特高壓電網(wǎng)。這不僅可以解決環(huán)境問(wèn)題、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，而且可以增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行靈活性、安全可靠性，促進(jìn)電力市場(chǎng)改革。 目前，我國(guó)正在大力建設(shè)以特高壓輸電網(wǎng)為核心的國(guó)家電網(wǎng)工程。在 2015 年全國(guó)政治協(xié)商會(huì)議和全國(guó)人民代表大會(huì)上，力推將特高壓電網(wǎng)建設(shè)上升到國(guó)家戰(zhàn)略性項(xiàng)目。國(guó)家電網(wǎng)公司計(jì)劃在 2015 年核準(zhǔn)開(kāi)工建設(shè)“六交八直”合計(jì) 14 條線路，未來(lái)或?qū)?shí)現(xiàn)與蒙古、俄羅斯等國(guó)聯(lián)網(wǎng)，這將為我國(guó)特高壓走出國(guó)門(mén)帶來(lái)新的機(jī)遇。此工程將不僅促進(jìn)東部消納西部豐富的能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，改善環(huán)境質(zhì)量，而且可以增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行靈活性和安全可靠性，促進(jìn)電力市場(chǎng)改革等領(lǐng)域邁向一個(gè)新的臺(tái)階[4]。 發(fā)展特高壓輸電技術(shù)的必要性及其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面： (1) 實(shí)現(xiàn)能源資源優(yōu)化配置的必然要求和經(jīng)濟(jì)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要保障—發(fā)展遠(yuǎn)距離、大容量的特高壓輸電。 由于我國(guó)能源資源與需求分布不均衡、能源結(jié)構(gòu)不合理，這直接決定了必須在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電力資源優(yōu)化配置。而通過(guò)建設(shè)特高壓電網(wǎng)，使得我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加合理，才能滿足我國(guó)東西和南北縱橫的遠(yuǎn)距離大容量電力輸送和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求。 (2)  特高壓輸電有利于緩解我國(guó)用電負(fù)荷持續(xù)快速增長(zhǎng)的壓力。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011-2015 年間，中國(guó)全社會(huì)用電量年均增長(zhǎng)約為 8.8%，2015 年將達(dá)到 6萬(wàn)多億千瓦時(shí)。據(jù)有關(guān)預(yù)測(cè)，估計(jì)到 2020 年我國(guó)全社會(huì)用電量年均增長(zhǎng)約在 5%-6%左右[5,6]。就輸電能力來(lái)看，單回路 1000kV 特高壓交流線路輸送能力是 500kV 交流線路的5 倍[7]。單回路±800kV 特高壓直流線路輸電距離可達(dá) 2500km，可輸送電力是±500kV直流線路輸送能力的 2 倍以上，輸電能力可達(dá) 64GW。所以目前發(fā)展特高壓輸電技術(shù)可以緩解我國(guó)用電負(fù)荷快速增長(zhǎng)的壓力。 
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著特高壓輸電電壓等級(jí)的提高，使得輸電線路設(shè)備周?chē)目臻g電場(chǎng)強(qiáng)度增大，而人們關(guān)心的是如此高的電場(chǎng)強(qiáng)度是否會(huì)對(duì)人體造成不良影響。首次提出關(guān)于工頻電磁場(chǎng)暴露有可能對(duì)工人身體存在影響，是在 1972 年在大電網(wǎng)會(huì)議上，從而引起了人們對(duì)工頻電磁暴露情況的關(guān)注[24]。1979 年，首次提出了工頻磁場(chǎng)與兒童白血病的關(guān)聯(lián)性，引起了公眾的擔(dān)憂[25]。隨后幾十年來(lái)，基于流行病學(xué)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和暴露量值統(tǒng)計(jì)分析，世界各國(guó)對(duì)工頻電磁場(chǎng)致癌方面以及與人體之間的作用機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，但目前為止一直存在爭(zhēng)議，尚未有一致的明確結(jié)論[26-32]。一般認(rèn)為：目前運(yùn)行的線路的工頻電磁場(chǎng)不足以對(duì)人體造成風(fēng)險(xiǎn)。盡管如此，這一系列的研究結(jié)論通過(guò)媒體的傳播，在一定程度上使公眾對(duì)輸電線路的電磁環(huán)境暴露情況產(chǎn)生了疑慮和恐懼。 特高壓交流輸電技術(shù)的研究是從 20 世紀(jì) 60 年代中期之后開(kāi)始的，世界上許多國(guó)家都進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得一批重要成果。主要有以下幾個(gè)國(guó)家：對(duì)于研究特高壓輸電技術(shù)的研究最早是由美國(guó)開(kāi)始的。為了進(jìn)行特高壓技術(shù)的試驗(yàn)研究，1974 年開(kāi)始，美國(guó)電力公司建造了首個(gè)特高壓試驗(yàn)站，其電壓等級(jí)為 1500kV(最高運(yùn)行電壓 1600kV)，，在不同條件下進(jìn)行了可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電干擾和導(dǎo)線電暈等綜合性試驗(yàn)研究，工頻電場(chǎng)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的電場(chǎng)效應(yīng)等，對(duì)特高壓輸電線路的電磁環(huán)境方面較為系統(tǒng)的研究[33,34]。 美國(guó)邦納維爾電力局長(zhǎng)期研究了試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)線路(1200kV)的可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電干擾、電暈損失等各項(xiàng)電磁環(huán)境參數(shù)技術(shù)參數(shù)。同時(shí)還針對(duì)輸電線路周?chē)碾妶?chǎng)對(duì)動(dòng)物和植物的生態(tài)影響進(jìn)行了研究。 
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2 基于模擬電荷法的特高壓交流輸電線路空間電場(chǎng)分析

2.1 模擬電荷法 
模擬電荷法的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)的唯一性定理，是靜電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的主要方法之一。20 世紀(jì) 60 年代末，M. S. Abou-Seada 和 E. Nassert 通過(guò)計(jì)算機(jī)用模擬電荷法計(jì)算了棒形電極和圓柱電極對(duì)地的電場(chǎng)分布[45,46]。70 年代以后，H. Singer 和 H.  Steinbigler 通過(guò)模擬電荷法計(jì)算了均勻和非均勻介質(zhì)的二維、三維電場(chǎng)，并且取得了不錯(cuò)的結(jié)果[47,48]。隨后的幾年，模擬電荷法在計(jì)算電場(chǎng)方面得到了廣泛的應(yīng)用，特別是高電壓工程電場(chǎng)以及表面漏電流電場(chǎng)的計(jì)算有著其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。首先，根據(jù)電極的形狀以及場(chǎng)的分布來(lái)假設(shè)模擬電荷的位置和類(lèi)型，其中，模擬電荷的類(lèi)型有直線電荷、點(diǎn)電荷、圓環(huán)電荷等。然后通過(guò)解析計(jì)算這些虛設(shè)的模擬電荷的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)而計(jì)算出電場(chǎng)。根據(jù)電極的電位邊界條件，通過(guò)解線性方程組可以確定模擬電荷的電荷值。在確定模擬電荷的電荷值之后，就可以運(yùn)用疊加原理求出空間任意一點(diǎn)的電位和電場(chǎng)值。故而，靜電場(chǎng)的唯一性定理是模擬電荷法的理論基礎(chǔ)。 
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2.2 特高壓交流輸電線路空間工頻電場(chǎng)數(shù)學(xué)計(jì)算模型 

2.2.1 特高壓交流輸電線路工頻電場(chǎng)的一般數(shù)學(xué)模型 
為了便于工程分析和計(jì)算，對(duì)輸電線路模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理： (1) 假設(shè)地面電位為零。 (2) 只考慮線路主體部分，其他物體的影響忽略。 (3) 在同一檔距內(nèi)導(dǎo)線型號(hào)相同，導(dǎo)線表面為等勢(shì)面。 (4) 電荷沿線路均勻分布，不存在畸變，忽略線路電位變化。 對(duì)于高壓架空線路周?chē)ゎl電場(chǎng)的計(jì)算，一般忽略線路的端部效應(yīng)和弧垂的影響，視導(dǎo)線為無(wú)限長(zhǎng)與地面平行的直導(dǎo)線，線路的平均高度等于導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高度減弧垂的2/3，將工頻電場(chǎng)作為準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)鏡像計(jì)算[49]。高壓線上的等效電荷位于導(dǎo)線的幾何中心[50]。導(dǎo)線上的等效電荷可以通過(guò)鏡像法求得，那么n條導(dǎo)線組成的單位長(zhǎng)導(dǎo)線上的矩陣方程可以列出，如式 2.4 所示： 
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3  特高壓交流輸電線路空間磁場(chǎng)分析 .......... 20 
3.1  特高壓交流輸電線路工頻磁場(chǎng)的二維數(shù)學(xué)模型 ........... 20 
3.2  特高壓輸電線路空間磁場(chǎng)三維數(shù)學(xué)模型 ....... 21 
3.3  二維與三維計(jì)算結(jié)果比較分析 ....... 22 
3.4  影響特高壓輸電線路的工頻磁場(chǎng)的主要因素 ....... 23 
3.5  人體頭部高度位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度 ........... 26 
3.6  小結(jié) ........... 28 
4  基于簡(jiǎn)化人體模型的特高壓輸電線路的電磁暴露安全評(píng)估 .......... 29 
4.1  工頻電磁環(huán)境下人體電磁暴露研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題 ....... 30 
4.2  人體生理結(jié)構(gòu)與人體模型的建立 ........... 31
4.3  有限元軟件 ANSYS 介紹 ........ 33
4.4  人體感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算原理 ....... 34 
4.5  特高壓交流輸電線路下方人體內(nèi)部感應(yīng)場(chǎng)分布的計(jì)算 ....... 36
4.6  小結(jié) ........... 39 

4 基于簡(jiǎn)化人體模型的特高壓輸電線路的電磁暴露安全評(píng)估

低頻時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)與人體的主要作用是在組織內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)和相應(yīng)的感應(yīng)電流，此外，曝露于低頻電場(chǎng)可導(dǎo)致表面電荷效應(yīng)。感應(yīng)電場(chǎng)和感應(yīng)電流密度的大小取決于人體的電導(dǎo)率、介電常數(shù)、暴露環(huán)境、人體所處的位置和人體的形狀尺寸。然而人體各個(gè)部位的電特性（電導(dǎo)率和介電常數(shù)）并不一致，所以很難用測(cè)量的首段獲得人體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)，因而通常利用解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的人體模型通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)。 低頻電磁場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)可以直接導(dǎo)致神經(jīng)和肌肉組織刺激，暴露于低頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)神經(jīng)刺激的最小電場(chǎng)閾值可以通過(guò)使用各項(xiàng)異性的人體模型和來(lái)自志愿者暴露于磁共振(MR)切換梯度電場(chǎng)的數(shù)據(jù)來(lái)確定。當(dāng)電場(chǎng)低于直接神經(jīng)或肌肉組織激勵(lì)閾值時(shí)，電場(chǎng)可能會(huì)使人產(chǎn)生昏暈閃爍的感覺(jué)，即視網(wǎng)膜產(chǎn)生光幻視，這就是磁光幻感應(yīng)，這種現(xiàn)象可認(rèn)為是感應(yīng)電場(chǎng)與視網(wǎng)膜中細(xì)胞相互作用的結(jié)果。在視網(wǎng)膜中感應(yīng)磁光幻的閾值在20Hz頻率下約為 50mV/m-100mV/m。志愿者曝露于低頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)腦電活動(dòng)、識(shí)別能力、睡眠和情緒等神經(jīng)行為影響的證據(jù)則遠(yuǎn)不明顯。 迄今為止，可獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)并不能證明低頻電場(chǎng)和（或）磁場(chǎng)可能影響神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)并對(duì)人體健康造成有害影響，也沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的證據(jù)顯示低頻曝露與諸如柏金森氏癥、各種硬化癥和心血管疾病有關(guān)聯(lián)，同時(shí)低頻電磁曝露對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育和生育間影響的證據(jù)也是非常弱的。 盡管在上世紀(jì) 80 到 90 年代，發(fā)布了一大批流行病學(xué)報(bào)告，指出長(zhǎng)期暴露在 50Hz- 60Hz 磁場(chǎng)可能與兒童期白血病風(fēng)險(xiǎn)的增加有關(guān)聯(lián)，并通過(guò)分析顯示當(dāng)平均磁場(chǎng)曝露超過(guò) 0.3μT-0.4μT 時(shí)風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)增加。但是，沒(méi)有生物學(xué)機(jī)制可用來(lái)驗(yàn)證，來(lái)自動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不支持 50Hz-60Hz 磁場(chǎng)曝露是兒童期白血病的一種誘因這種觀點(diǎn)。ICNIRP 認(rèn)為這些觀點(diǎn)缺乏科學(xué)證據(jù)，不足以作為曝露導(dǎo)則的依據(jù)。因此，根據(jù)已確定的有害影響，避免感應(yīng)視網(wǎng)膜光幻視，作為新導(dǎo)則(2010 年導(dǎo)則)的制訂依據(jù)。 

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結(jié)    論

為了掌握我國(guó)特高壓交流架空輸電線路附近電磁環(huán)境，使人們正確認(rèn)識(shí)特高壓輸電線路附近的電磁暴露環(huán)境，為環(huán)境保護(hù)部門(mén)制定工頻電磁場(chǎng)限制標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，利用 MATLAB 軟件和 ANSYS 軟件對(duì)不同塔型線路的特高壓交流輸電線路周?chē)墓ゎl電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)、以及線路下方人體內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行了較為詳細(xì)的仿真研究，并與現(xiàn)有的安全標(biāo)準(zhǔn)(ICNIRP 導(dǎo)則等)規(guī)定的安全限值進(jìn)行比較，對(duì)特高壓輸電線路周?chē)碾姶怒h(huán)境進(jìn)行安全評(píng)估。得到主要結(jié)論如下： 
(1) 計(jì)算特高壓輸電線路工頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)的三維數(shù)學(xué)模型并與傳統(tǒng)二維模型相比，三維模型能夠更全面地反映出空間場(chǎng)強(qiáng)的分布情況。 
(2)  通過(guò)對(duì)線路各種參數(shù)變化對(duì)空間電磁場(chǎng)分布的影響分析得到：提高相導(dǎo)線高度、適當(dāng)減小相間距、采用緊湊型線路布置等方法可以控制降低地面附近場(chǎng)強(qiáng)。 
(3)  通過(guò)計(jì)算距地面不同高度、不同位置的電場(chǎng)、磁場(chǎng)，與 ICNIRP 導(dǎo)則推薦的安全暴露限值進(jìn)行比較得到，工頻磁場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安全限值，控制線下工頻電場(chǎng)應(yīng)該才是主要關(guān)注的方面，但我國(guó)現(xiàn)運(yùn)行的 1000kV 特高壓交流輸電線路下方的工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)是可以接受的。 
(4)  通過(guò) ANSYS 仿真分析了我國(guó)兩種桿塔類(lèi)型的特高壓輸電線路下方直立人體周?chē)鷪?chǎng)強(qiáng)、體內(nèi)感應(yīng)電流密度、人體頭部（中央神經(jīng)組織）的場(chǎng)強(qiáng)分布特征，并與己知的結(jié)論和現(xiàn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)兩種線路的電磁暴露情況進(jìn)行安全評(píng)估，結(jié)果表明：人體周?chē)碾妶?chǎng)產(chǎn)生了畸變，分布并不均勻，比在均勻的空氣介質(zhì)中增大了 20-30 多倍；人體內(nèi)的感應(yīng)流密度隨著高度的降低逐漸增大，尤其是小腿以下部位電流密度增加較快，從小腿部位到腳底兩種線路下的人體內(nèi)的電流密度分別增加了 5.6 倍（酒杯型）和2.6（緊湊型）倍左右；人體頭部的最大感應(yīng)電流出現(xiàn)在頭皮位置，顱骨位置的感應(yīng)電場(chǎng)值最大，并不是感應(yīng)電場(chǎng)越大的位置感應(yīng)電流密度越大；兩種線路下方人體內(nèi)部感應(yīng)場(chǎng)值相比，酒杯型線路人體內(nèi)部感應(yīng)場(chǎng)較大，但人體頭部（中央神經(jīng)組織）的最大感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)均低于 ICNIRP 導(dǎo)則推薦的 10mA/m2和 20mV/m 的安全暴露限值；我國(guó)現(xiàn)運(yùn)行特高壓輸電線路在人體中產(chǎn)生的感應(yīng)場(chǎng)均低于安全限值，是符合環(huán)保要求的。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：55024