一种计算特高压直流输电线路下人体电场分布的方法

本发明属于高压输电，涉及一种计算特高压直流输电线路下人体电场分布的方法。

背景技术：

1、直流输电是一种远距离、大容量输电技术，是解决能源和负荷逆向分布的首选方案。但是随着电压等级升高，高压直流输变电系统存在一系列电磁环境问题。主要涉及直流合成电场、离子流密度、直流磁场、可听噪声和无线电干扰等，是工程设计、建设和运维中必须考虑的重要因素。其中，合成电场和空间电荷是直流输电系统所特有的，这导致直流输电电磁环境与交流输电电磁环境相比有比较大的差别。当高压直流输电线路和金具表面电场强度超过一定临界值时，会产生电晕放电现象，导致各种危害，如持续的电能损失、电场畸变、离子流场产生的生物影响、可听噪声和无线电干扰等。

2、由于直流电场极性方向不随时间变化，导致表面电晕在其周围产生的空间电荷在电场力的作用下，向周围空气中运动，这些空间电荷与导线电位产生的标称电场共同作用形成合成电场。电荷漂移导致漂移方向上的合成电场强度增大，以致地面电场强度可达到标称电场强度的2～3倍。空间电荷在输电线路周围定向运动形成离子流，站在直流输电线路下方的人体会截获部分离子流，这部分离子流经人体流向大地，会对人体健康产生不确定的影响。美国研究所进行了±400kv直流输电线路附近的自然界野生动植物长期观察研究，发现野生动物发生一些微小差异。美国达拉斯试验中心曾做高压直流线路下人体感受试验，试验结果说明：当线路下电场强度为30kv/m时，人体表面的毛发和头皮可以感受到轻微的刺痛感；当线路下电场强度大于30kv/m时，人体出现明显的刺痛感会很强烈，主要是在身体躯干以及面部等部位。2008年我国开始实施的电力行业标准，其中规定：当直流输电线贴近居民房时，要求合成电场强度最大值不能超过25kv/m，另外在线路周围合成电场强度最大值要小于30kv/m。

3、但是就目前情况来看，高压直流输电线路对人们会不会产生不良的影响，还没有具体的定论。一方面，一些国际性组织或者机构给出了自己的结论或者安全准则，例如2004年世界卫生组织(who)总结出了有关直流电场对人体影响的研究结论：没有任何研究得出直流电场会对人体的健康产生不利。还有国际癌症研究机构(iarc)也曾表示：截止目前为止没有足够的证据确定静电场会对人体产生致癌的影响。国际非电离防护委员会研究认为：当直流输电线路下的离子流密度超过100na/m2时，会对人的神经系统和心脏产生影响间。因此，对于特高压直流对人体电场效应研究是很有必要的，结合相关的限值标准，对特高压直流输电线路下的电磁场做出安全评估。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种计算特高压直流输电线路下人体电场分布的方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种计算特高压直流输电线路下人体电场分布的方法，该方法包括以下步骤：

4、s1：应用模拟电荷法计算特高压直流输电线路下任一点的电位；

5、s2：应用基于deutsch假设的电场线法计算特高压直流输电线路下的空间离子流密度及电位；

6、s3：求解由导线电荷和空间离子共同作用下的空间区域电位。根据输电线线高和人体存在对有限元区域边界条件近似无影响的要求，将输电线下区域划分为有限元区域和其他空间区域，并确定边界电位；

7、s4：人体建模，参考《中国成年人人体尺寸》人体建模尺寸的基本数据建立三维人体仿真模型，依据人体与输电线路的相对位置和输电线路的实际高度，建立计算人体电场分布的空间区域；

8、s5：利用有限元法计算分析人体在特高压直流输电线路下的内部和表面的电场强度分布情况。

9、可选的，所述s1中，模拟电荷法确定导线表面电荷密度的具体步骤为：

10、s11：在计算区域之外设置n个模拟电荷qj(j＝1,2,···,n)；

11、s12：在已知表面电位值的电极表面，设置数量与模拟电荷数量相同的n匹配点mi(i＝1,2,···,n)，各匹配点的电位值等于电极表面电位；

12、s13：根据叠加原理，对应于每个匹配点mi，逐一列出由设定的模拟电荷所建立的线性电位方程组

13、

14、式中，p为电位系数；

15、s14：求解上式的线性方程组，得到模拟电荷量值[q]；

16、s15：在电极表面处另取一定数量校验点—常取两个相邻匹配点的中间位置，计算其电位值，与已知电位比较，若两者绝对值差值小于设定值，则认为布置有效，进入s16，若大于了设定值，则需调整模拟电荷状态及参数并返回s11，直至满足计算精度要求；

17、s16：根据最终求得的模拟电荷离散解[q]，通过解析公式计算任意场点处的电位。

18、可选的，所述s2中，基于deutsch假设的电场线法计算离子流密度的具体步骤为：

19、deutsch假设条件如下：

20、(1)假设空间电荷的存在只影响电场的大小而不改变其方向，即deutsch假设为：

21、es＝ae

22、式中，a是一个大于零的标量；

23、(2)导线起晕后，表面电位保持在电晕起始电压值v0，导线对地电压为u时，导线表面比例系数ae值为：

24、ae＝v0/u＝eon/e0

25、式中的eon和e0分别为电晕起始电场强度和导线表面最大电场强度；

26、(3)离子迁移率是与电场强度无关且视为常数，正负离子的迁移率认为相等；

27、k＝k+＝k-

28、(4)正负极的起晕电压看作相同；

29、(5)空间电荷的扩散的影响相比于在电场力作用下作定向运动忽略不计，认为所有电荷沿着电场线方向运动；

30、基于以上假设，求解合成电场的关键在于标称电场和a的求解，利用模拟电荷法求解空间中一点标称电场以及电场强度的水平分量ex、ey和ez，设电场线上与p(x,y,z)任意靠近的一点p1坐标为(x1,y1,z1)，则有：

31、

32、d为电场线绘制步长，远离导线应选择较大的步长，靠近导线应选择较小的步长，具体公式为：

33、

34、其中为无空间电荷中这一点的电位；

35、将上式联立起来求解得到：

36、

37、沿着电场线方向任一点的aρ之积为常数，则

38、aρ＝aeρe＝alρl

39、其中ae和ρe为导线表面的值，al和ρl为电场中任一点的a值和ρ值；

40、忽略离子的复合效应，则化简为：

41、

42、沿着电场线方向化简，得到：

43、

44、其中s为沿着电场线方向的积分变量；

45、联立上式求解，得：

46、

47、化简得到：

48、

49、采用弦截迭代法联立求解，此时导线表面电荷密度选取不当容易使得结果不收敛，需要对导线电荷密度进行预估，具体形式为：

50、

51、其中ρm为每条电场线的平均电荷密度，放大后作为导线表面电荷密度的初值；

52、求解导线节点的电荷密度后，获得电场线上其他节点的电荷密度及其相应的a值，进而求得地面任一位置处离子流密度的分布情况。

53、可选的，所述s2中，根据电场线法计算得到特高压直流输电线路下的合成电场后，电场为电位的负的梯度，解出直流输电线下区域的电位，有限元区域的边界电位是由导线表面电荷与空间电荷共同作用产生，运用有限元的方法计算人体内外的感应电场。

54、可选的，所述s3中，根据有无人体存在对有限元区域边界条件的影响，将有限元计算区域确定为以人体为中心的4×4×4m3立方体空间。

55、可选的，所述s5中，在有限元软件中进行仿真时，将人体考虑成无磁性的由头部、手臂、躯干和腿部四个部分构成，并分别赋予介电常数ε和电导率γ。

56、可选的，所述s5中，在有限元软件中，计算接地与绝缘两种情况下人体内部和表面的电场分布情况；分析人体处于直流输电线下不同位置时的电场分布情况，以及输电导线架设高度和极间距对人体电场分布的影响。

57、本发明的有益效果在于：

58、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。