特高压输电线路电磁环境数值模拟研究

发布时间：2016-06-08 22:26

1 绪论 

1.1 论文研究背景和研究意义
预计在未来几年，我国的用电量仍将保持快速增长，而满足我国电力需求迅速增长的重要保证就是发展特高压电网。电网是电力传输的载体，而 500kV 交流和±500kV 直流是目前我国电网跨区域输电的主要途径，但存在输电能力不足、线路走廊、环保问题等诸多制约因素。然而，建设电压等级更高的特高压电网能够实现更坚强的大规模输电电网和资源优化配置等问题[1,2]。 2006 年 8 月，具有完全自主知识产权的交流输变电工程—1000kV 晋东南-南阳-荆门特高压交流国家试验示范工程，历经 28 个月于 2010 年 8 月初通过了国家验收，这标志着我国的电网正式步入“特高压”时代[3]。 如图 1.1 所示，到 2015 年，我国将形成“三纵三横一环网”的特高压电网。这不仅可以解决环境问题、优化能源结构，而且可以增强电网运行灵活性、安全可靠性，促进电力市场改革。 目前，我国正在大力建设以特高压输电网为核心的国家电网工程。在 2015 年全国政治协商会议和全国人民代表大会上，力推将特高压电网建设上升到国家战略性项目。国家电网公司计划在 2015 年核准开工建设“六交八直”合计 14 条线路，未来或将实现与蒙古、俄罗斯等国联网，这将为我国特高压走出国门带来新的机遇。此工程将不仅促进东部消纳西部丰富的能源，优化能源结构，改善环境质量，而且可以增强电网运行灵活性和安全可靠性，促进电力市场改革等领域迈向一个新的台阶[4]。 发展特高压输电技术的必要性及其优点主要有以下几个方面： (1) 实现能源资源优化配置的必然要求和经济建设协调发展的重要保障—发展远距离、大容量的特高压输电。 由于我国能源资源与需求分布不均衡、能源结构不合理，这直接决定了必须在全国范围内实现电力资源优化配置。而通过建设特高压电网，使得我国电网结构更加合理，才能满足我国东西和南北纵横的远距离大容量电力输送和经济快速发展的需求。 (2)  特高压输电有利于缓解我国用电负荷持续快速增长的压力。 据统计，2011-2015 年间，中国全社会用电量年均增长约为 8.8%，2015 年将达到 6万多亿千瓦时。据有关预测，估计到 2020 年我国全社会用电量年均增长约在 5%-6%左右[5,6]。就输电能力来看，单回路 1000kV 特高压交流线路输送能力是 500kV 交流线路的5 倍[7]。单回路±800kV 特高压直流线路输电距离可达 2500km，可输送电力是±500kV直流线路输送能力的 2 倍以上，输电能力可达 64GW。所以目前发展特高压输电技术可以缓解我国用电负荷快速增长的压力。 
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1.2 国内外研究现状
随着特高压输电电压等级的提高，使得输电线路设备周围的空间电场强度增大，而人们关心的是如此高的电场强度是否会对人体造成不良影响。首次提出关于工频电磁场暴露有可能对工人身体存在影响，是在 1972 年在大电网会议上，从而引起了人们对工频电磁暴露情况的关注[24]。1979 年，首次提出了工频磁场与儿童白血病的关联性，引起了公众的担忧[25]。随后几十年来，基于流行病学、动物实验和暴露量值统计分析，世界各国对工频电磁场致癌方面以及与人体之间的作用机制进行了大量的研究，但目前为止一直存在争议，尚未有一致的明确结论[26-32]。一般认为：目前运行的线路的工频电磁场不足以对人体造成风险。尽管如此，这一系列的研究结论通过媒体的传播，在一定程度上使公众对输电线路的电磁环境暴露情况产生了疑虑和恐惧。 特高压交流输电技术的研究是从 20 世纪 60 年代中期之后开始的，世界上许多国家都进行了相关研究，并取得一批重要成果。主要有以下几个国家：对于研究特高压输电技术的研究最早是由美国开始的。为了进行特高压技术的试验研究，1974 年开始，美国电力公司建造了首个特高压试验站，其电压等级为 1500kV(最高运行电压 1600kV)，，在不同条件下进行了可听噪声、无线电干扰和导线电晕等综合性试验研究，工频电场对农作物生长的电场效应等，对特高压输电线路的电磁环境方面较为系统的研究[33,34]。 美国邦纳维尔电力局长期研究了试验场内线路(1200kV)的可听噪声、无线电干扰、电晕损失等各项电磁环境参数技术参数。同时还针对输电线路周围的电场对动物和植物的生态影响进行了研究。 
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2 基于模拟电荷法的特高压交流输电线路空间电场分析

2.1 模拟电荷法 
模拟电荷法的理论基础是电磁场的唯一性定理，是静电场数值计算的主要方法之一。20 世纪 60 年代末，M. S. Abou-Seada 和 E. Nassert 通过计算机用模拟电荷法计算了棒形电极和圆柱电极对地的电场分布[45,46]。70 年代以后，H. Singer 和 H.  Steinbigler 通过模拟电荷法计算了均匀和非均匀介质的二维、三维电场，并且取得了不错的结果[47,48]。随后的几年，模拟电荷法在计算电场方面得到了广泛的应用，特别是高电压工程电场以及表面漏电流电场的计算有着其独到的优势。首先，根据电极的形状以及场的分布来假设模拟电荷的位置和类型，其中，模拟电荷的类型有直线电荷、点电荷、圆环电荷等。然后通过解析计算这些虚设的模拟电荷的电势和电场强度进而计算出电场。根据电极的电位边界条件，通过解线性方程组可以确定模拟电荷的电荷值。在确定模拟电荷的电荷值之后，就可以运用叠加原理求出空间任意一点的电位和电场值。故而，静电场的唯一性定理是模拟电荷法的理论基础。 
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2.2 特高压交流输电线路空间工频电场数学计算模型 

2.2.1 特高压交流输电线路工频电场的一般数学模型 
为了便于工程分析和计算，对输电线路模型进行简化处理： (1) 假设地面电位为零。 (2) 只考虑线路主体部分，其他物体的影响忽略。 (3) 在同一档距内导线型号相同，导线表面为等势面。 (4) 电荷沿线路均匀分布，不存在畸变，忽略线路电位变化。 对于高压架空线路周围工频电场的计算，一般忽略线路的端部效应和弧垂的影响，视导线为无限长与地面平行的直导线，线路的平均高度等于导线悬挂点高度减弧垂的2/3，将工频电场作为准静态电场镜像计算[49]。高压线上的等效电荷位于导线的几何中心[50]。导线上的等效电荷可以通过镜像法求得，那么n条导线组成的单位长导线上的矩阵方程可以列出，如式 2.4 所示： 
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3  特高压交流输电线路空间磁场分析 .......... 20 
3.1  特高压交流输电线路工频磁场的二维数学模型 ........... 20 
3.2  特高压输电线路空间磁场三维数学模型 ....... 21 
3.3  二维与三维计算结果比较分析 ....... 22 
3.4  影响特高压输电线路的工频磁场的主要因素 ....... 23 
3.5  人体头部高度位置的磁感应强度 ........... 26 
3.6  小结 ........... 28 
4  基于简化人体模型的特高压输电线路的电磁暴露安全评估 .......... 29 
4.1  工频电磁环境下人体电磁暴露研究现状及存在的问题 ....... 30 
4.2  人体生理结构与人体模型的建立 ........... 31
4.3  有限元软件 ANSYS 介绍 ........ 33
4.4  人体感应场强的计算原理 ....... 34 
4.5  特高压交流输电线路下方人体内部感应场分布的计算 ....... 36
4.6  小结 ........... 39 

4 基于简化人体模型的特高压输电线路的电磁暴露安全评估

低频时变电场和磁场与人体的主要作用是在组织内感应电场和相应的感应电流，此外，曝露于低频电场可导致表面电荷效应。感应电场和感应电流密度的大小取决于人体的电导率、介电常数、暴露环境、人体所处的位置和人体的形状尺寸。然而人体各个部位的电特性（电导率和介电常数）并不一致，所以很难用测量的首段获得人体内部的场强，因而通常利用解剖学结构的人体模型通过计算机仿真来实现。 低频电磁场很强时可以直接导致神经和肌肉组织刺激，暴露于低频电场和磁场对神经刺激的最小电场阈值可以通过使用各项异性的人体模型和来自志愿者暴露于磁共振(MR)切换梯度电场的数据来确定。当电场低于直接神经或肌肉组织激励阈值时，电场可能会使人产生昏晕闪烁的感觉，即视网膜产生光幻视，这就是磁光幻感应，这种现象可认为是感应电场与视网膜中细胞相互作用的结果。在视网膜中感应磁光幻的阈值在20Hz频率下约为 50mV/m-100mV/m。志愿者曝露于低频电场和磁场对脑电活动、识别能力、睡眠和情绪等神经行为影响的证据则远不明显。 迄今为止，可获得的科学数据并不能证明低频电场和（或）磁场可能影响神经内分泌系统并对人体健康造成有害影响，也没有实质性的证据显示低频曝露与诸如柏金森氏症、各种硬化症和心血管疾病有关联，同时低频电磁曝露对生长发育和生育间影响的证据也是非常弱的。 尽管在上世纪 80 到 90 年代，发布了一大批流行病学报告，指出长期暴露在 50Hz- 60Hz 磁场可能与儿童期白血病风险的增加有关联，并通过分析显示当平均磁场曝露超过 0.3μT-0.4μT 时风险可能会增加。但是，没有生物学机制可用来验证，来自动物和实验室细胞研究的实验结果也不支持 50Hz-60Hz 磁场曝露是儿童期白血病的一种诱因这种观点。ICNIRP 认为这些观点缺乏科学证据，不足以作为曝露导则的依据。因此，根据已确定的有害影响，避免感应视网膜光幻视，作为新导则(2010 年导则)的制订依据。 

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结    论

为了掌握我国特高压交流架空输电线路附近电磁环境，使人们正确认识特高压输电线路附近的电磁暴露环境，为环境保护部门制定工频电磁场限制标准提供依据，在总结前人研究的基础上，利用 MATLAB 软件和 ANSYS 软件对不同塔型线路的特高压交流输电线路周围的工频电场、工频磁场、以及线路下方人体内部的电磁场分布情况进行了较为详细的仿真研究，并与现有的安全标准(ICNIRP 导则等)规定的安全限值进行比较，对特高压输电线路周围的电磁环境进行安全评估。得到主要结论如下： 
(1) 计算特高压输电线路工频电场、磁场的三维数学模型并与传统二维模型相比，三维模型能够更全面地反映出空间场强的分布情况。 
(2)  通过对线路各种参数变化对空间电磁场分布的影响分析得到：提高相导线高度、适当减小相间距、采用紧凑型线路布置等方法可以控制降低地面附近场强。 
(3)  通过计算距地面不同高度、不同位置的电场、磁场，与 ICNIRP 导则推荐的安全暴露限值进行比较得到，工频磁场远远低于安全限值，控制线下工频电场应该才是主要关注的方面，但我国现运行的 1000kV 特高压交流输电线路下方的工频电场和磁场是可以接受的。 
(4)  通过 ANSYS 仿真分析了我国两种杆塔类型的特高压输电线路下方直立人体周围场强、体内感应电流密度、人体头部（中央神经组织）的场强分布特征，并与己知的结论和现行的安全标准进行对比，对两种线路的电磁暴露情况进行安全评估，结果表明：人体周围的电场产生了畸变，分布并不均匀，比在均匀的空气介质中增大了 20-30 多倍；人体内的感应流密度随着高度的降低逐渐增大，尤其是小腿以下部位电流密度增加较快，从小腿部位到脚底两种线路下的人体内的电流密度分别增加了 5.6 倍（酒杯型）和2.6（紧凑型）倍左右；人体头部的最大感应电流出现在头皮位置，颅骨位置的感应电场值最大，并不是感应电场越大的位置感应电流密度越大；两种线路下方人体内部感应场值相比，酒杯型线路人体内部感应场较大，但人体头部（中央神经组织）的最大感应场强均低于 ICNIRP 导则推荐的 10mA/m2和 20mV/m 的安全暴露限值；我国现运行特高压输电线路在人体中产生的感应场均低于安全限值，是符合环保要求的。 
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参考文献(略)

本文编号：55024