CN105260583A - 一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法，应用于特高压工频电磁场设计系统，首先建立输电线路模型；建立人体模块；建立热能运算器；然后计算人体与电磁场之间不同距离的人体热效应SAR值；将不同距离与相应的电磁场对人体的SAR值存储在存储单元；本发明提供的一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法；使用ADI-FDTD算法，计算人体在特高压工频电磁场中的SAR值，以确定人体在电磁场中的安全性，为高压输电的电磁环境与人体的生物效应等问题提供参考并为以后高压线的铺设提供理论依据。

Description

一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法及系统

技术领域

本发明涉及特高压工频电磁场领域，特别是一种计算特高压工频电磁场对人体生物效应的方法。

背景技术

随着电力事业的快速发展，为了在更大范围内实现能源优化配置、缓解电力供需紧张状况、提高输电效率，我国将输电电压的等级不断提高。而在高压与超高压输变电工程建成投运后，公众对高压输电的电磁环境的关注度也越来越高。特别是在大中型城市的一些商业地区和居民集中住宅区这种用电负荷较大的区域，为了给这些高负荷区域提供电源，甚至要采用220kV高压变电站深人负荷中心，以提高电网为负荷中心输送电力的能力。因此，工频高压设备与人们的生活范围已越来越近，而长期暴露在这些高压输变电设备产生的工频电磁场中，是否会影响人体健康，引起了广大群众的担忧。所以研究人体在特高压工频电磁场中产生的生物效应，具有非常重要的学术意义及应用价值。

工频电磁场的生物效应主要由生物体组织在电磁场中的比吸收率SAR来衡量。关于对人体的辐射SAR，目前国际通用的标准有两个，一个是欧洲标准2W/kg，一个是美国标准1.6W/kg，其具体含义是指，以6分钟为计时，每公斤人体组织吸收的电磁辐射能量不得超过2W。目前生物的热效应主要是在研究高频电磁场对人体的危害，而工频电磁场对人体的影响的研究的则很少。

针对目前公众对高压输电的电磁环境的关注与研究工频电磁场中的生物效应的空缺，以交流1000kV输电线路为目标，采用SEMCAD建立了该线路的生物效应模型，研究了人体位于输电线不同距离的生物效应，包括输电线周围电磁场强度分布，输电线下预设测量点电磁场强度和人体距输电线不同距离时的电磁场SAR计算。最终可为高压输电的电磁环境与人体的生物效应等问题提供参考。

因此，需要一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法。该方法使用ADI-FDTD算法来计算人体在特高压工频电磁场中的SAR值，以确定人体在电磁场中的安全性，为高压输电的电磁环境与人体的生物效应等问题提供参考并为以后高压线的铺设提供理论依据。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：

本发明提供的一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法，应用于特高压工频电磁场设计系统，该系统包括输电线路模型建立模块、高压输电线参数采集模块、人体模块、数据处理模块；包括以下步骤：

建立输电线路模型；

建立人体模块；

建立热能运算器；

计算人体与电磁场之间不同距离的人体热效应SAR值；

将不同距离与相应的电磁场对人体的SAR值存储在存储单元。

进一步，所述热能运算器采用二维ADI-FDTD算法，并结合FEM和FDTD来建立；

进一步，所述输电线路模型是根据特高压输电线分布及导线等效半径数据，在SEMCAD中设定参数来建立的特高压输电线路模型。

进一步，所述输电线路模型中预设模型参数，所述模型参数包括电源的频率50Hz，求解器选择LowFrequencySolver类型是MagnetoQuasiStatic,导线的属性为PEC/Metal剖分网格。

进一步，所述人体模块中包括人体介电常数、人体电导率、人体密度、人体比热容和人体热导率。

本发明还提供了一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算系统，应用于特高压工频电磁场设计系统，所述计算系统包括输电线路模型建立模块、高压输电线参数采集模块、人体模块和数据处理模块；

所述输电线路模型建立模块，用于建立输电线路模型；

所述高压输电线参数采集模块，用于采集高压输电线参数；

所述人体模块，用于设置人体模型的计算参数；

所述热能运算器，用于建立热能计算模型；

所述数据处理模块，用于计算人体与电磁场之间不同距离的人体热效应SAR值；并将不同距离与相应的电磁场对人体的SAR值存储在存储单元。

进一步，所述热能运算器采用二维ADI-FDTD算法，并结合FEM和FDTD来建立；

进一步，所述输电线路模型是根据特高压输电线分布及导线等效半径数据，在SEMCAD中设定参数来建立的特高压输电线路模型。

进一步，所述输电线路模型中预设模型参数，所述模型参数包括电源的频率50Hz，求解器选择LowFrequencySolver类型是MagnetoQuasiStatic,导线的属性为PEC/Metal剖分网格。

进一步，所述人体模块中包括人体介电常数、人体电导率、人体密度、人体比热容和人体热导率。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法；该方法使用基于FDTD法的SEMCAD软件进行仿真分析。首先，建立了1000kV输电线路模型，对其工频磁场与电场强度的分布进行了研究，之后，在此模型的基础上上导入了人体模块，基于二维ADI-FDTD算法，结合FEM和FDTD热能运算器，研究了不同距离的低频电磁场对人体的热效应。计算出了人体距离特高压输电线不同距离时电磁场对人体的SAR值(SpecificAbsorptionRate电磁波的比吸收值)。该方法具有很大可行性，可为高压输电的电磁环境与人体的生物效应等问题提供参考。

本发明涉及一种计算特高压工频电磁场对人体生物效应的方法。使用ADI-FDTD算法，计算人体在特高压工频电磁场中的SAR值，以确定人体在电磁场中的安全性，为高压输电的电磁环境与人体的生物效应等问题提供参考并为以后高压线的铺设提供理论依据。

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和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本实施例提供的输电导线分布示意图。

图2a为本实施例提供的输电线路的电流磁场。

图2b为本实施例提供的输电线路的电流电场。

图3为本实施例提供的不同距离的人产生的SAR数值。

图4a为本实施例提供的10米SAR数值。

图4b为本实施例提供的20米SAR数值。

图4c为本实施例提供的60米SAR数值。

图4d为本实施例提供的100米SAR数值。

图5a为本实施例提供的仿真出人体在电场中距离测量0点0m的SAR值。

图5b为本实施例提供的仿真出人体在电场中距离测量0点20m的SAR值。

图5c为本实施例提供的仿真出人体在电场中距离测量0点60m的SAR值。

图5d为本实施例提供的仿真出人体在电场中距离测量0点100m的SAR值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法，应用于特高压工频电磁场设计系统，该系统包括输电线路模型建立模块、高压输电线参数采集模块、人体模块、数据处理模块；包括以下步骤：

建立输电线路模型；

建立人体模块；

建立热能运算器；

计算人体与电磁场之间不同距离的人体热效应SAR值；

将不同距离与相应的电磁场对人体的SAR值存储在存储单元。

所述热能运算器采用二维ADI-FDTD算法，并结合FEM和FDTD来建立；

所述输电线路模型是根据特高压输电线分布及导线等效半径数据，在SEMCAD中设定参数来建立的特高压输电线路模型。

所述输电线路模型中预设模型参数，所述模型参数包括电源的频率50Hz，求解器选择LowFrequencySolver类型是MagnetoQuasiStatic,导线的属性为PEC/Metal剖分网格。

所述人体模块中包括人体介电常数、人体电导率、人体密度、人体比热容和人体热导率。

本实施例提供了一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算系统，应用于特高压工频电磁场设计系统，所述计算系统包括输电线路模型建立模块、高压输电线参数采集模块、人体模块和数据处理模块；

所述输电线路模型建立模块，用于建立输电线路模型；

所述高压输电线参数采集模块，用于采集高压输电线参数；

所述人体模块，用于设置人体模型的计算参数；

所述热能运算器，用于建立热能计算模型；

所述数据处理模块，用于计算人体与电磁场之间不同距离的人体热效应SAR值；并将不同距离与相应的电磁场对人体的SAR值存储在存储单元。

所述热能运算器采用二维ADI-FDTD算法，并结合FEM和FDTD来建立；

所述输电线路模型是根据特高压输电线分布及导线等效半径数据，在SEMCAD中设定参数来建立的特高压输电线路模型。

所述输电线路模型中预设模型参数，所述模型参数包括电源的频率50Hz，求解器选择LowFrequencySolver类型是MagnetoQuasiStatic,导线的属性为PEC/Metal剖分网格。

所述人体模块中包括人体介电常数、人体电导率、人体密度、人体比热容和人体热导率。

实施例2

本实施例提供的一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法，包括以下步骤：

步骤一，根据特高压输电线分布及导线等效半径数据，在SEMCAD中设定参数并建立特高压输电线路模型。

所述设定的参数为：电源的频率50Hz，求解器选择LowFrequencySolver类型是MagnetoQuasiStatic,导线的属性为PEC/Metal剖分网格。

步骤二，根据特高压输电线路模型，仿真出特高压输电线磁场强度、电场强度的分布与各个测量点的电场、磁场分布曲线。

对于工频电磁场的仿真,由于电磁场随时间t的变化缓慢,在不影响工程计算精度的前提下,往往可以忽略麦克斯韦方程组的和项，以简化计算过程。因此在工频电磁场暴露中,可以将电场和磁场对人体的影响分开考虑。在考虑电场时,忽略时变的磁场所产生的电场,在考虑磁场时亦然。

在此基础上导入多个人体模块，放置于距特高压中线不同距离的位置。

步骤三中人体模块包含人体各个组织的物理常数，如介电常数、电导率、密度、比热容、热导率等。工频电磁场的生物效应分为热效应，非热效应和累积效应。其中，电磁场的作用主要以细胞组织发热的形式出现，所以根据变化的电磁场产生的热效应来计算生物体组织的比吸收率SAR，代表了电磁场对人体的影响。

步骤四，根据人体模块提供的人体各个组织的物理常数，使用二维ADI-FDTD算法，结合FEM和FDTD热能运算器。计算出人体距离特高压输电线不同距离时电磁场对人体的SAR(SpecificAbsorptionRate)值。

期望的算法是既具有隐式差分格式的无条件稳定性又具备显式差分格式相对简单的优点。二维ADI-FDTD差分格式考虑空间是一个无源区域，其媒质参数不随时间变化且各向同性，二维麦克斯韦旋度方程在直角坐标系写成分量式为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂H_z}{\∂y}=\mathrm{\ϵ}\frac{\∂E_x}{\∂t}\\ -\frac{\∂H_z}{\∂x}=\mathrm{\ϵ}\frac{\∂E_y}{\∂t}\\ \frac{\∂E_y}{\∂x}-\frac{\∂E_x}{\∂y}=-\mathrm{\μ}\frac{\∂H_z}{\∂t}\end{array}\right.---\left(1\right)$

在ADI-FDTD算法中，仍旧采用Yee的矩形差分网格，ADI-FDTD法与普通的FDTD法的主要的区别在于对麦克斯韦旋度方程右边的时间离散化处理不同，它包含连个交替过程。把ADI技术应用到FDTD得迭代公式中，需要把第N步到N+1步的计算分成两次来进行，即下面的过程1和过程2。具体的迭代的公式为:

过程1：

$\{H_z^n(i+1/2,j+1/2)-H_z^n(i+1/2,j-1/2)\}---\left(2\right)$

$\{H_z^{n+1/2}(i+1/2,j+1/2)-H_z^{n+1/2}(i+1/2,j-1/2)\}---\left(3\right)$

$\{E_y^{n+1/2}(i+1,j+1/2)-E_y^{n+1/2}(i,j+1/2)\}---\left(4\right)$

过程2：

$\{H_z^{n+1}(i+1/2,j+1/2)-H_z^{n+1}(i+1/2,j-1/2)\}---\left(5\right)$

$\{H_z^{n+1/2}(i+1/2,j+1/2)-H_z^{n+1/2}(i+1/2,j-1/2)\}---\left(6\right)$

$\{E_y^{n+1/2}(i+1,j+1/2)-E_y^{n+1/2}(i,j+1/2)\}---\left(7\right)$

其中，在过程1中，通过(2)～(4)式可以计算出区域各个网格在N+1/2时刻分量的大小。在过程2中，通过(5)～(7)式可以计算出区域各个网格点在N+1时刻的分量的大小。可知ADI-FDTD方法是同时计算电场和磁场的值，两者在时间上不存在半个时间步的差。

实施例3

参见图1，本实施例中确定输电导线各项参数及走向，试验场地位于两个杆塔中间，东西走向，测量点距地1.5m，并以中间导线正下方为测量0点。

单相输电导线采用的是八分裂的导线，八分裂导线的等效半径τ_eq可由下式计算： ${\mathrm{\τ}}_{eq}-R\·\sqrt[8]{\frac{nr}{R}};$

式中，

τ_eq表示八分裂导线的等效半径τ_eq；

R表示分裂导线的半径；

n表示导线根数；

r表示次导线半径；

参见图2，由输电线路的电流电压，计算出磁场和电场。其次根据FDFD算法得到整个空间的磁场与电场分布。

参见图3，为将距离特高压中线不同距离的人产生的SAR的数值进行比较，以中间导线正下方为测量0点。在0～20m之间，每隔5m放置一个人体模块；在20m～100m之间，每隔10m设置一个人体模块。

参见图4，根据二维ADI-FDTD算法，结合FEM和FDTD热能运算器分别仿真出人体在磁场中距离测量0点0～100m各点的SAR值。并挑选其中较有代表性的，人体在距离磁场10米、20米、60米与100米时的SAR分布图。

仿真计算结果显示人体在距离磁场20m左右SAR会出现一个极大值3.12×10^-10W/kg，之后50～100m，SAR迅速降低。同时可以看出，人体在该磁场中产生的热效应非常小，为10-10的数量级，远低于目前国际通用的欧洲标准2W/kg和美国标准1.6W/kg。磁场的仿真结果说明工频特高压线路的磁场对人体的影响很小。

由图5可知，类似于图4，仿真出人体在电场中距离测量0点0～100m各点的SAR值，挑选出人体距电场0米、20米、60米与100米时的SAR分布。

通过仿真的结果，我们可以得出，电场对人体产生的热效应远大于磁场。在0～40m内有较大的SAR，其中在距离中线20m左右出现最大值为0.7952W/kg，超过50m以后电场对人体产生的SAR会迅速的下降。在距离中线超过50m以外基本上可以忽略电场的热效应。最大值处的SAR值是100m处的100多倍。总的来说，人体在电场中产生的SAR，即使是最大值也远小于美国制定的手机辐射的标准1.6W/kg。

根据计算结果，说明该特高压的电场对人体的热效应也在安全范围之内。该实验可为高压输电的电磁环境与人体的生物效应等问题提供参考并为以后高压线的铺设提供理论依据。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法，应用于特高压工频电磁场设计系统，该系统包括输电线路模型建立模块、高压输电线参数采集模块、人体模块、数据处理模块；其特征在于：包括以下步骤：

建立输电线路模型；

建立人体模块；

建立热能运算器；

计算人体与电磁场之间不同距离的人体热效应SAR值；

将不同距离与相应的电磁场对人体的SAR值存储在存储单元。

2.如权利要求1所述的特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法，其特征在于：所述热能运算器采用二维ADI-FDTD算法，并结合FEM和FDTD来建立。

3.如权利要求1所述的特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法，其特征在于：所述输电线路模型是根据特高压输电线分布及导线等效半径数据，在SEMCAD中设定参数来建立的特高压输电线路模型。

4.如权利要求1所述的特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法，其特征在于：所述输电线路模型中预设模型参数，所述模型参数包括电源的频率50Hz，求解器选择LowFrequencySolver类型是MagnetoQuasiStatic,导线的属性为PEC/Metal剖分网格。

5.如权利要求1所述的特高压工频电磁场对人体生物效应的计算方法，其特征在于：所述人体模块中包括人体介电常数、人体电导率、人体密度、人体比热容和人体热导率。

6.一种特高压工频电磁场对人体生物效应的计算系统，应用于特高压工频电磁场设计系统，其特征在于：所述计算系统包括输电线路模型建立模块、高压输电线参数采集模块、人体模块和数据处理模块；

所述输电线路模型建立模块，用于建立输电线路模型；

所述高压输电线参数采集模块，用于采集高压输电线参数；

所述人体模块，用于设置人体模型的计算参数；

所述热能运算器，用于建立热能计算模型；

所述数据处理模块，用于计算人体与电磁场之间不同距离的人体热效应SAR值；并将不同距离与相应的电磁场对人体的SAR值存储在存储单元。

7.如权利要求6所述的特高压工频电磁场对人体生物效应的计算系统，其特征在于：所述热能运算器采用二维ADI-FDTD算法，并结合FEM和FDTD来建立。

8.如权利要求6所述的特高压工频电磁场对人体生物效应的计算系统，其特征在于：所述输电线路模型是根据特高压输电线分布及导线等效半径数据，在SEMCAD中设定参数来建立的特高压输电线路模型。

9.如权利要求6所述的特高压工频电磁场对人体生物效应的计算系统，其特征在于：所述输电线路模型中预设模型参数，所述模型参数包括电源的频率50Hz，求解器选择LowFrequencySolver类型是MagnetoQuasiStatic,导线的属性为PEC/Metal剖分网格。

10.如权利要求6所述的特高压工频电磁场对人体生物效应的计算系统，其特征在于：所述人体模块中包括人体介电常数、人体电导率、人体密度、人体比热容和人体热导率。