CN108345743B - 高压线路在线监测终端无线供电装置的电磁安全分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高压线路在线监测终端无线供电装置的电磁安全分析方法，包括：步骤1，根据中国人的平均身型及待分析无线供电装置中传输线圈参数，分别建立等效的人体肌肉模型和无线供电装置模型；步骤2，模拟无线供电装置模型周围的磁场分布，获得磁场安全距离；步骤3，模拟无线供电装置模型周围的电场强度分布，获得电场安全距离；步骤4，分别计算人体肌肉模型和无线供电装置模型间不同相对位置下，人体吸收电磁能幅值的分布情况，得出考虑SAR幅值分布的安全距离；步骤5，综合步骤2～4获得的安全距离，选择最终的安全距离。本发明适用性广，能快速获得精确结果，对不同无线供电装置只需调整相应的参数，即可快速获得建议的安全距离。

Description

高压线路在线监测终端无线供电装置的电磁安全分析方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及高压线路在线监测终端无线供电装置的电磁安全分析方法。
背景技术
高压线路在线监测终端的无线供电装置，其一般通过传输线圈的磁共振耦合来进行能量传输。此时，无线供电装置周围的人们会暴露在无线供电装置产生的电磁场中。当人体暴露于电磁场中是否会对人体的健康造成潜在影响，无线供电装置附近的电磁安全距离为多大，这是在广泛应用高压线路在线监测终端无线供电装置之前，必须要研究的问题。
发明内容
本发明的目的是提供高压线路在线监测终端无线供电装置的电磁安全分析方法。
为了使高压线路在线监测终端无线供电装置得到广泛应用，必须研究该装置运行过程中产生的电磁场对人体健康的影响，以及人体经过该装置时是否会影响其运行。本发明从电场、磁场、SAR三个方面进行分析，并比较分析结果与标准限制，从而获得保证无线供电装置对人体健康不会产生影响的建议安全距离。
本发明提供的高压线路在线监测终端无线供电装置的电磁安全分析方法，包括：
步骤1，根据中国人的平均身型及待分析无线供电装置中传输线圈参数，利用HFSS全波三维电磁仿真工具，分别建立等效的人体肌肉模型和无线供电装置模型；
步骤2，模拟无线供电装置模型周围的磁场分布，根据国家标准规定的磁场暴露导出限值，获得磁场安全距离；
步骤3，模拟无线供电装置模型周围的电场强度分布，获得电场强度等值线，将各电场强度等值线所对应的电场强度值与国家标准规定的电场的公众暴露限值和职业暴露限值的标准进行比较，获得电场安全距离；
步骤4，根据步骤1所建立的人体肌肉模型和无线供电装置模型，分别计算人体肌肉模型和无线供电装置模型间不同相对位置下，人体吸收电磁能幅值的分布情况，将得到结果与基本限值的标准要求比较，得出考虑SAR幅值分布的安全距离；
步骤5，综合步骤2～4获得的安全距离，选择最大的安全距离最为最终的安全距离。
进一步的，步骤1中所述的建立等效的人体肌肉模型，具体为：
根据中国人的平均身型，将人体等效为长方体模型，即人体肌肉模型。
进一步的，步骤1中所述的建立等效的无线供电装置模型，具体为：
根据待分析无线供电装置中发射线圈和接收线圈的参数，将待分析无线供电装置等效为发射线圈和接收线圈，从而获得无线供电装置模型。
进一步的，步骤2具体为：
模拟无线供电装置模型周围的磁场分布；
在无线供电装置模型周围选取预设数量的样本点，获得各样本点的磁场强度大小；
将各样本点的磁场强度大小和国家标准规定的磁场暴露导出限值进行比较，获得模拟无线供电装置模型的磁场安全范围。
进一步的，步骤3中所述模拟无线供电装置模型周围的电场强度分布，具体为：
在圆柱坐标系下将无线供电装置模型中发射线圈周围划分为两个区域，两个区域的交界面为r＝R，该交界面为无导电层区域，其中，r表示发射线圈的径向方向，R表示传输线圈的径向半径；
利用无导电层区域满足电场连续的边值条件，模拟求解发射线圈周围轴向和径向的电场强度，经合成获得总电场强度分布。
进一步的，步骤4具体为：
将人体肌肉模型和无线供电装置模型的相对位置分为五种相对位置：第一种相对位置是，人体肌肉模型在无线供电装置模型的两传输线圈中轴线上的投影处于两传输线圈中间；第二种相对位置是，人体肌肉模型在无线供电装置模型的两传输线圈中轴线的投影处于发射线圈之上；第三种相对位置是，人体肌肉模型在无线供电装置模型的两传输线圈中轴线的投影处于接收线圈之上；第四种相对位置是，人体肌肉模型位于无线供电装置模型的两传输线圈轴向的发射线圈端；第五种相对位置是，人体肌肉模型位于无线供电装置模型的两传输线圈轴向的接收线圈端；
利用SAR值和电场强度峰值平方的数值关系，基于步骤三获得的无线供电装置模型周围电场强度分布，分别计算五种相对位置下人体肌肉模型的局部SAR幅值分布；
通过将人体肌肉模型的局部SAR幅值分布与SAR基本限值职业标准值，获得考虑SAR幅值分布的安全距离。
和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
本发明提出的思想以及建立的模型适用性广，能够快速获得精确结果，对不同高压线路在线监测终端无线供电装置只需调整相应的参数，即可快速获得建议的安全距离。
附图说明
图1为等效人体肌肉模型和无线供电装置模型的示意图；
图2为圆柱坐标系中发射线圈的布置示意图；
图3为基于GB8702-1988公众限值的建议磁场安全范围；
图4为基于GB8702-1988职业限值的建议磁场安全范围；
图5为实施例中无线供电装置中传输线圈的电路连接示意图；
图6为实施例中发射线圈周围区域的划分示意图；
图7为实施例中传输线圈电势差产生电场的计算流程图；
图8为实施例中基于GB8702-1988公众限值的建议电场安全范围；
图9为实施例中基于GB8702-1988职业限值的建议电场安全范围。
图10为人体与无线供电装置的相对位置示意图；
图11为实施例总五种不同相对位置下人体肌肉模型的局部SAR值分布示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明方法的一种具体实施方式如下：
步骤1，根据中国人平均身型及待分析无线供电装置中传输线圈参数，利用HFSS全波三维电磁仿真工具，分别建立等效的人体肌肉模型和无线供电装置模型。
本具体实施方式中，按照国务院新闻办发布数据，选定中国男子平均身型为：身高1671mm，体重66.2kg，胸宽204mm，肩宽427mm。由于本发明研究不同位置下人体和无线供电装置两者的相互影响，故将人体等效为宽427mm、深204mm、高1671mm的长方体。无线供电装置模型通过对传输线圈进行等效获得，传输线圈包括发射端的发射线圈和接收端的接收线圈。本具体实施方式中，发射线圈和接收线圈均采用线匝截面为正方形的36边形线圈，36边形线圈可近似成圆柱线圈，近似圆形半径R为200mm。发射线圈和接收线圈的匝数均为19匝，发射线圈和接收线圈同轴布置，且发射线圈和接收线圈外边缘的轴向间距为500mm。所建立的等效的人体肌肉模型和无线供电装置模型分别见图1(a)和图1(b)。步骤2，模拟无线供电装置模型周围的磁场分布，在无线供电装置模型周围选取预设数量的样本点，将各样本点的磁场强度大小和国家标准规定的磁场暴露导出限值进行比较，获得无线供电装置模型的磁场安全范围。
本具体实施方式中，由于传输线圈结构为轴向等径单层密绕线圈，构建圆柱坐标系，该圆柱坐标系以发射线圈和接收线圈中心连线的中心为坐标原点，设置传输线圈中任意一源点Q与任意一场点P的距离参数，所述源点指传输线圈内部任意点，所述场点指传输线圈产生的磁场中任意点。P和Q的连线方向记为r向，见图2所示，图中，r1、
Figure BDA0001575209990000041
z1分别表示场点P到Z轴的垂直距离、OP在xOy面的投影线与x轴正向的夹角、以及场点P的高度；r2、
Figure BDA0001575209990000042
z2分别表示源点Q到Z轴的垂直距离、OQ在xOy面的投影线与x轴正向的夹角、以及源点Q的高度。
圆柱坐标系下，计算任意一场点P和任意一源点Q间距离的倒数，记为“倒数距离”，利用Lipshitz积分(利普希茨积分)和Neumann加法定理(诺伊曼加法定理)可得倒数距离的求和积分式，见式(1)：
Figure BDA0001575209990000043
式(1)中：
Figure BDA0001575209990000044
表示场点P和源点Q间距离；
Jn(·)表示n阶第一类贝塞尔函数；
δn表示n阶归一化狄拉克函数；
k无物理含义，仅表示积分变量。
根据场点P和源点Q间距离的倒数
Figure BDA0001575209990000045
即可计算磁场中任意场点的磁矢势和电流密度矢量。利用磁矢势、电流密度矢量和倒数距离间的关系，求得磁矢势的积分式；对磁矢势求旋度，可求得磁感应强度。通过Bessel函数(贝塞尔)递推关系分别求得当z≤-h、-h<z<h以及z≥h时，r向和z向的磁感应强度的积分式，其中，h表示线圈绕制厚度的一半。由磁感应强度的积分式，进一步求解r向和z向的磁感应强度，并获得传输线圈谐振时周围r向和z向的磁感应强度分布，利用叠加公式和电磁波时域与频域的关系，推导出磁感应强度在任意时刻的瞬时值，磁场强度计算值采用一个频率周期内磁场强度的均方根值。
本具体实施方式中，在传输线圈周围均匀取40个样本点，计算各样本点的磁场强度大小，将各样本点的磁场强度分别与我国现行的标准GB8702-1988中的公众磁场暴露导出限值和职业磁场暴露限制进行比较，得到无线供电装置建议的磁场安全范围，见如图3～4所示(本发明中无线供电装置工作在439.2kHz频率)。
步骤3，模拟无线供电装置模型周围的电场强度分布，获得电场强度等值线，将各电场强度等值线所对应的电场强度值与国家标准规定的电场的公众暴露限值和职业暴露限值的标准进行比较，获得无线供电装置模型的电场安全范围。
目前较常采用有限元分析法进行电场强度模拟，计算过程复杂，且对于不同的无线供电装置，需要重新建模，耗费较多的时间和精力。本具体实施方式中提供了一种优选的电场强度模拟方法，对不同的无线供电装置，仅需调整相应的参数，即可快速准确的获得电场安全范围。
图5所示为无线供电装置模型中传输线圈的电路连接示意图，工作在频率f0状态下的无线供电装置，发射线圈AB和接收线圈CD中电流分别表示为
Figure BDA0001575209990000051
根据电压电流关系，分别计算A点和D点的电压，记A、D两点的最大电势差为V0。将发射线圈和接收线圈线匝上所有点的电势差均近似为一个周期内A、D两点的最大电势差。按照电场分布的轴对称性，根据发射线圈周围场量关系不同，将发送线圈周围划分为两个区域：区域Ⅰ和区域Ⅱ，见图6，两区域的电势可表示为含系数矩阵α、β的表达式，如下：
Figure BDA0001575209990000052
式(2)中：
VI(r,z)表示区域Ⅰ的电势；
VII(r,z)表示区域Ⅱ的电势；
sin*(pz)为sin(pz)的逆矩证；
I0(·)和K0(·)分别表示0阶第一类和第二类变形贝塞尔函数；
p表示对角矩阵，对角线上第n个元素Pn记为(n-0.5)π/c，其中，c表示正向边界条件。
图6所示坐标系为二维平面坐标系，其中，z表示发射线圈的轴向，r表示发射线圈的径向，原点为发射线圈和接收线圈的中轴线段的中点，R表示传输线圈的绕制半径。本发明中，发射线圈和接收线圈统称为传输线圈。根据图6中两区域的交界面r＝R的无导电层区域满足Er连续的边值条件，可以求得系数矩阵α、β，进一步可以求得r向和z向的电场强度，利用电场强度和合成即可求得总电场强度。绘制传输线圈周围区域I、区域Ⅱ的电场强度等值线，将各电场强度等值线所对应的电场强度值与国家标准规定的电场的公众暴露限值和职业暴露限值的标准进行比较，从而给出电场安全范围，见如图8～9。所述无导电层区域指表示刚好不发生电流流动的区域，所述Er指r向电场强度。
本步骤具体可采用MATLAB工具实现，具体流程参见图7，步骤如下：
310设定传输线圈绕制半径R、匝数N以及宽度2h，设定传输距离D＝2a，所述宽度即线圈绕制厚度，a即发射线圈底部中心点与坐标系原点的距离；
320确定工作频率下传输线圈的电势差，即图5中A、D两点的最大电势差；
330二维平面坐标系下，确定z轴正向电场的边界条件，记为z＝c；
340二维平面坐标系下，确定电场分布的求解范围及求解精度，其中，求解范围根据边界条件人工输入，即存在电场的区域；求解精度根据实际需求设置，本实施例中，求解精度设为0.1；
350利用边界条件，设置z轴正向上，含有系数矩阵的电势及电场的表达式；
360分别求解r向和z轴正向的电场强度的解析解；
370根据余弦三角函数的对称性，求得z轴负向的电场强度的解析解；
380根据叠加原理，求得总电场强度的瞬时值。
步骤4，根据步骤1所建立的人体肌肉模型和无线供电装置模型，分别计算不同相对位置下，人体吸收电磁能(SAR)幅值的分布情况，将得到结果与基本限值的标准要求比较，得出安全建议。
人体吸收的电磁能大小和人体与无线供电装置的相对位置有关，将人体与无线供电装置的相对位置分为五种情况：第一种情况，人体在两传输线圈中轴线上的投影处于两传输线圈中间，见图10(a)所示；第二种情况，人体在两传输线圈中轴线的投影处于发射线圈之上，见图10(b)所示；第三种情况，人体在两传输线圈中轴线的投影处于接收线圈之上，见图10(c)所示；第四种情况，人体位于两传输线圈轴向的发射线圈端，见图10(d)所示；第五种情况，人体位于两传输线圈轴向的接收线圈端，见图10(e)所示。图10中，S1表示人体肌肉等效模型的正面，S2表示人体肌肉等效模型的侧面。
利用SAR值与电场强度峰值的平方|EM|2之间的关系
Figure BDA0001575209990000071
计算人体肌肉模型的局部SAR幅值分布情况，五种相对位置情况下局部SAR幅值分布情况分别见图11(a)～图11(e)所示。其中，EM由步骤3计算获得；并将其与SAR基本限值职业标准值进行对比，可看出SAR值均满足行业要求。其中，ρ表示组织媒质的质量密度，所述组织媒质指人体各组织；σ表示组织媒质的电导率。在Ansoft HFSS全波三维电磁仿真软件中，将步骤1所建立的人体肌肉模型和无线供电装置模型分割成有限多个网格，利用SAR值与电场强度峰值的平方|EM|2之间的关系
Figure BDA0001575209990000072
求得的覆盖在网格上层叠面的SAR值，即人体肌肉模型的局部SAR幅值分布情况。
利用Ansoft HFSS全波电磁仿真软件，比较几种典型的无线供电装置和人体等效模型的相对位置条件下与未置入人体模型的无线供电装置运行时，共振频率、参数和传输效率的变化情况，得出人体在不同位置时对无线供电装置的影响。
步骤5，将步骤2～4所得的安全距离对比分析，选择最远的安全距离，即最终获得的安全距离。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (3)

1.高压线路在线监测终端无线供电装置的电磁安全分析方法，其特征是，包括：
步骤1，根据中国人的平均身型及待分析无线供电装置中传输线圈参数，利用HFSS全波三维电磁仿真工具，分别建立等效的人体肌肉模型和无线供电装置模型；
步骤2，模拟无线供电装置模型周围的磁场分布，根据国家标准规定的磁场暴露导出限值，获得磁场安全距离；
步骤3，模拟无线供电装置模型周围的电场强度分布，获得电场强度等值线，将各电场强度等值线所对应的电场强度值与国家标准规定的电场的公众暴露限值和职业暴露限值的标准进行比较，获得电场安全距离；
步骤4，根据步骤1所建立的人体肌肉模型和无线供电装置模型，分别计算人体肌肉模型和无线供电装置模型间不同相对位置下，人体吸收电磁能幅值的分布情况，将得到结果与基本限值的标准要求比较，得出考虑SAR幅值分布的安全距离；
步骤5，综合步骤2～4获得的安全距离，选择最大的安全距离最为最终的安全距离；
步骤2具体为：
模拟无线供电装置模型周围的磁场分布；
在无线供电装置模型周围选取预设数量的样本点，获得各样本点的磁场强度大小；
将各样本点的磁场强度大小和国家标准规定的磁场暴露导出限值进行比较，获得模拟无线供电装置模型的磁场安全范围；
步骤3中所述模拟无线供电装置模型周围的电场强度分布，具体为：
在圆柱坐标系下将无线供电装置模型中发射线圈周围划分为两个区域，两个区域的交界面为r＝R，该交界面为无导电层区域，其中，r表示发射线圈的径向方向，R表示传输线圈的径向半径；
利用无导电层区域满足电场连续的边值条件，模拟求解发射线圈周围轴向和径向的电场强度，经合成获得总电场强度分布；
步骤4具体为：
将人体肌肉模型和无线供电装置模型的相对位置分为五种相对位置：第一种相对位置是，人体肌肉模型在无线供电装置模型的两传输线圈中轴线上的投影处于两传输线圈中间；第二种相对位置是，人体肌肉模型在无线供电装置模型的两传输线圈中轴线的投影处于发射线圈之上；第三种相对位置是，人体肌肉模型在无线供电装置模型的两传输线圈中轴线的投影处于接收线圈之上；第四种相对位置是，人体肌肉模型位于无线供电装置模型的两传输线圈轴向的发射线圈端；第五种相对位置是，人体肌肉模型位于无线供电装置模型的两传输线圈轴向的接收线圈端；
利用SAR值和电场强度峰值平方的数值关系，基于步骤三获得的无线供电装置模型周围电场强度分布，分别计算五种相对位置下人体肌肉模型的局部SAR幅值分布；
通过将人体肌肉模型的局部SAR幅值分布与SAR基本限值职业标准值，获得考虑SAR幅值分布的安全距离。
2.如权利要求1所述的高压线路在线监测终端无线供电装置的电磁安全分析方法，其特征是：
步骤1中所述的建立等效的人体肌肉模型，具体为：
根据中国人的平均身型，将人体等效为长方体模型，即人体肌肉模型。
3.如权利要求1所述的高压线路在线监测终端无线供电装置的电磁安全分析方法，其特征是：
步骤1中所述的建立等效的无线供电装置模型，具体为：
根据待分析无线供电装置中发射线圈和接收线圈的参数，将待分析无线供电装置等效为发射线圈和接收线圈，从而获得无线供电装置模型。
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