通过仿真研究输电线附近的磁场暴露水平

2020年 12月 14日

预防辐射对为公众提供健康的生活环境至关重要。世界各地都制定了一些法律和规范,确保磁场暴露保持在可接受的范围内。但是,关于这些可接受范围的定义目前仍然存在争议,数十年来一直困扰着科学家。数值模拟在设计这种电力基础设施的过程中起着至关重要的作用,甚至为此提供了法律依据。

研究磁场的低水平暴露

暴露在磁场中并不是一个新现象。实际上,已经有数十年的研究和争论了。那么,磁场到底对我们会产生什么影响?

正如世界卫生组织(WHO)在 2016 年的一份报告中所说:“低频电场会影响人体,就像它们会影响带电粒子组成的任何其他物质一样。”简而言之,电场会在人体内产生环路电流,而这些电流的强度取决于人体外部磁场的强度。

A photograph of transmission lines going down a country road with a bicyclist on the side.
输电线的磁场如何影响附近的人?图片 来自 Unsplash

实际上,非常大的电流可能会刺激我们的神经或肌肉,甚至导致身体发热。不过,到目前为止,科学家还没有证据证明提供所需运行的系统所产生的低水平磁场是有害的。

即使危害风险最小,科学家也已制定了标准以确保人体感应电流不会造成负面影响。人体中的高电流密度可能会导致如下问题:

范围(mA /m2 影响
10–20 眼角闪光(膦类化合物)
10-100 影响脑功能
1000 严重影响心脏功能

就磁场的暴露而言,国际非离子辐射防护委员会(ICNIRP)将 0.2–0.4μT 视为正常的暴露水平,例如你在家中或办公室中所发现的磁场水平;而大约 100μT 的磁场强度是升高的水平。长期处于这些水平(无论是正常水平,升高水平还是介于两者之间)的磁场中会发生什么呢?

从怀孕并发症、抑郁症到白内障和头痛等疾病,都被作为长期暴露于电磁场下的风险进行了研究。根据19世纪70年代的一项研究,低水平的磁场暴露可以引发儿童白血病,但进一步的研究证明这些结果尚无定论。从那时起,人们进行了许多关于低水平暴露于磁场会如何影响我们健康的研究

由于研究得出的结论较少,公认的磁场暴露标准缺乏严格的数值限制。相反,已制定的标准仅是一种预防措施。政府(地方、州和国家)和项目利益相关者(例如建筑开发商)应遵守这些预防措施。

瑞典的特例

在瑞典,当局越来越意识到低水平的电磁场暴露所产生的影响,并在过去 20 年中更频繁地处理了此类事件。瑞典辐射安全局针对磁场暴露所产生的担忧和风险提出了以下建议:

  • 布置新的电源线和电气设备,使磁场暴露得到了限制
  • 避免将新房屋和学校建造在磁场升高水平的电气设备附近
  • 限制那些在家庭、学校、学前班和办公室中被认为是正常的磁场
  • 以合理的成本实施这些措施

为响应这些建议,建筑开发商需要评估规划中项目现场的磁场暴露水平,以获得所需的许可。为此,他们经常求助于 Sweco 等公司。

Sweco 是瑞典和欧洲最大的技术咨询商之一,它积极参与评估磁场暴露的项目。自 2006 年以来一直担任 Sweco 能源部项目经理的 Gustav Holmquist 最近从事了一个特殊的项目,该项目的承包商希望在几条以 400 kV/50Hz 运行的输电线和一条以 16.7Hz 运行的平行铁路输电线的附近建造建筑物结构。

Side-by-side images showing different views of a simple wire model with two parallel transmission lines.
两条平行传输线的简单线状模型。图片由 Sweco 提供。

Sweco 的客户想知道:“不同频率的传输线平行会产生什么影响?” Sweco 不仅想回答客户的问题,还想以更加形象、直观的方式帮助他们理解结果。因此,他们使用了电磁模拟的方法。

使用仿真研究磁场暴露

Sweco 对有关电力和铁路输电线设计均使用 CAD 程序导入。为了分析平行输电线的低频磁场,Holmquist 在 COMSOL Multiphysics® 软件中以三维模拟了两条不同频率的输电线。模拟中重要的是捕获三维模型中电源线的高度和悬挂状态。

Holmquist 还将整个区域的三维拓扑图导入到模型中。这样,他可以看到不同频率的影响,即它们如何相互影响以及周围区域的拓扑如何影响磁场。“通常,计算是在传输线下方的固定水平上进行的,” Holmquist 说。“在模型中包括拓扑可提供更准确的响应。”

An image of a transmission line model with the lines in red and the topology of the surrounding area shown in teal.
A 3D view of the modeling domain for the transmission line model.

输电线、周围拓扑和模拟域的三维模型。图片由 Sweco 提供。

包含拓扑使模型变得非常大:不仅拓扑结构复杂,而且区域面积超过 0.5 平方公里(长:1 公里,宽:0.5 公里)。尽管如此,该模型仍然需要准确计算多个连接点中每个点的频域。使用 COMSOL Multiphysics 中的装配体 特征,Holmquist 能够将 450 万个域单元减少到 50 万个。

在用不同的频率进行了几次研究之后,Holmquist 使用了广义拉伸 特征将解从频域研究映射到拓扑地图中。这样,他可以向客户准确地显示两条输电线的磁场如何相互作用,以及周围区域的拓扑结构如何影响磁场对附近人体的暴露。

COMSOL Multiphysics results showing the magnetic field exposure around the parallel transmission lines in a rainbow color table.
沿输电线的磁场暴露。图片由 Sweco 提供。

更多可能性

在向客户展示结果之后,Holmquist 发现了使用仿真研究此类项目的优势。Holmquist 说:“客户对我们如何进行分析非常感兴趣。“他们没有看到如此详细的磁场,只有解析函数,对于非理想情况来说,这是不准确的。”他认为 COMSOL® 软件的后处理功能是一种向客户显示分析结果的有效方法。

另外,Holmquist 还看到了在电力和能源领域中使用仿真的许多可能性。Holmquist 说:“我们可以继续在高暴露区域进行分析,以研究诸如屏蔽之类的磁场降低技术。”

通过研究我们周围电磁场的暴露水平,无论该暴露处于可忽略的水平还是不安全的水平,我们至少知道会发生什么。

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