高铁车站接触网工频电场对工作人员的辐射研究

袁小兰，田 瑞，逯 迈(光电技术与智能控制教育部重点实验室(兰州交通大学)，甘肃 兰州 730070)

1 引言

上水工是在高铁车站股道间专为列车水箱加水的工作人员。上水工需要长时间待在接触网产生的电磁环境中进行加水作业，从而可能对其健康造成影响。

电磁环境与人类生活密切相关。合理的应用电磁能量，可以尝试改善或治疗人类身体的某些疾病。例如：极低频电磁场可以使早产儿体重增加[1]；反复经颅磁刺激在短期内可以缓解风湿性疼痛，且对人体是安全的[2]；文献[3]通过对照组实验研究发现高频重复经颅磁刺激可以有效、安全地治疗偏瘫性肩疼痛。电磁场给人类带来益处的同时也可能影响人类的身体健康，例如：文献[4,5]研究了人类生活或工作中接触到的电磁场对其身体健康的影响；早在10多年前，文献[6]通过流行病学调查，表明职业暴露于电磁场患乳腺癌的风险会增加；文献[7]通过两组真实的人体试验，发现当电场强度较高时，会给人体健康带来损害，应立刻采取相应的干预措施。

目前，我国高速列车运行速度不断提高，需要的电力牵引功率也越来越大，从而带来更多的电磁暴露安全问题。关于高铁电磁暴露方面的问题，目前已有的研究主要集中于电磁干扰和电磁噪声方面[8-11]、接触网产生的空间电磁场计算方面[12,13]、建筑物和车体对高铁站台电磁场屏蔽效果研究方面[14-16]、列车内部电磁环境测试和仿真分析方面[17-19]。关于人体暴露于高铁电磁环境中的安全性问题，已有的研究主要集中于列车工作人员身体健康状况的调查方面[20,21]、乘客在乘车过程中受动力电缆电磁辐射的研究方面[22,23]。在仿真真实环境的研究中，针对高铁接触网所产生的工频电场对上水工的健康影响分析几乎没有详细研究。

本文利用三维电磁仿真软件Comsol Multiphysics构建上水工暴露于高铁车站接触网低频电磁辐射下的环境模型，通过计算获得人体各组织感应电场强度和感应电流密度，将结果与国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP)导则[24]中职业暴露基本限值进行对比，评估高铁车站上水工在接触网低频电场环境中作业的安全性。

2 计算原理

在上水工的工作环境中，有由25 kV[25,26]接触网产生的工频电场，而一列列车的长度远小于工频交流电的波长(6 000 km)，因此，认为在上水工的工作环境中接触线产生的工频电场为准静态电场[27]。本文主要研究上水工作业于高铁接触网工频电场环境中的安全问题。

当人体处于工频交变电场时，交变电场会与人体发生相互作用，极化人体内的束缚电荷，人体皮肤表面会有感应交变电荷，进而人体各组织中也会有感应电场强度和感应电流密度。故要分析工频电场对上水工的健康影响，就需要获得低频电磁剂量学的研究内容，即人体各组织感应电场强度和感应电流密度。在实际情况中，这些参数无法通过测量来直接获得，而采用数值计算法进行计算并获取这些参数是可行的。

本文通过Maxwell方程组式(1)～式(5)及电流连续性定律，求解高铁车站的空间电场，进而获得工作人员体内的感应电场强度和感应电流密度。

(1)

(2)

▽·B=0

(3)

▽·D=ρ

(4)

(5)

式中，H为磁场强度，A/m；J为电流密度，A/m2；D为电通密度，C/m2；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，T；ρ为电荷体密度，C/m3；▽为哈密顿算子。

同时，考虑到50 Hz接触网所产生的电场为准静态场，所以对式(2)中-∂B/∂t=0不做考虑。

根据式(1)～式(7)，通过Comsol 软件计算出车站及人体的感应电场强度和感应电流密度分布。

D=ε0εrE

(6)

J=σE

(7)

式中，ε0为真空中介电常数，F/m；εr为相对介电常数，F/m；σ为电导率，S/m。

3 建立仿真模型

3.1 人体模型

上水工不同工作姿态主要包括站立和弯腰两种姿态，如图1和图2所示[28]，即需要构建站姿和弯腰姿态两种人体模型。站姿人体模型的身高设置为1.755 m[29]，弯腰姿态人体模型是在站姿人体模型的基础上，通过旋转处理，使人体模型达到弯腰的效果。

图1 上水工站姿状态Fig.1 Workers who supplying water in standing status

图2 上水工弯腰状态Fig.2 Workers who supplying water in bend over status

本文人体模型参照GB/T 10000—88[29]在Comsol Multiphysics软件中构建相似几何结构，然后拼接构成人体模型。其中，人体头部为五层椭球模型[29-32]，它们分别为头皮、颅骨、脑脊液、脑灰质和脑白质，人体头部模型尺寸见表1，人体几何模型如图3所示。

表1 人体头部模型尺寸比例Tab.1 Size ratio of human head model

图3 人体模型Fig.3 Human body model

人体躯干由一个长方体、三个圆柱体和两个球体拼接构成，高度为0.598 m，宽度为0.445 m。胳膊和腿部均由圆锥体构成，胳膊长度为0.526 m，腿部长度为0.848 m。

人体脚部由一个长方体和两个半圆柱体拼接构成，脚部下方设计了一个与脚部几何结构相似的绝缘鞋底，根据GB 21148—2020[33]，本文将绝缘鞋底厚度设置为0.01 m。人体脚部和绝缘鞋底模型如图4所示。

图4 脚和绝缘鞋底模型Fig.4 Model foot and insulated sole

在50 Hz电磁场环境中，人体各组织相对介电常数和电导率参数见表2[34]。身体参数取骨骼、脂肪、肌肉参数的平均值。相对磁导率在人体各组织中的值为1，同空气相对磁导率大小一致。

图5 高铁车站模型Fig.5 High-speed train station model

表2 人体各组织的相对介电常数和电导率Tab.2 Relative permittivity and conductivity of human tissues

3.2 车站模型

利用仿真软件建立一个高铁车站的几何模型，包含接触线、承力索、钢轨、顶棚、站台、支柱、腕臂支持装置和上水工，如图5所示。图6为上水工弯腰加水姿态人体模型；图7为简化的高速铁路车站接触网结构示意图。接触线距轨面最大垂直距离为6.5 m，本文将用于车站的接触线悬挂高度设置为6 m[35]。人体位于高铁车站复线线路的中间位置，在计算时，分别导入站立和弯腰加水姿态人体模型进行数值计算。

图6 上水工弯腰加水姿态人体模型Fig.6 Bending working state of human body model

图7 高速铁路车站接触网结构图Fig.7 Diagram of catenary network of high-speed railway station

3.3 边界条件和网格剖分

在建立高铁车站接触网工频电场环境模型时，为了减少计算误差，需要建立一个足够大的空气域模型将车站和人体模型包含在内。高铁车站接触网工频电场满足的边界条件为：

(8)

式中，φ为空间中任意一点的电位；y0为空气边界、地面、顶棚、支柱、站台等电压为零的物体；yk(k=1,2,…,n)为第k个车站内的高电压物体，例如接触线、承力索；Uk(k=1,2,…,n)为第k个车站内高电压物体的电压，例如接触线、承力索的电压。

图8为高铁车站模型网格剖分图。模型中接触线的半径为6.93 mm、承力索的半径为8 mm，人体头部尺寸在毫米级，均远小于高铁车站空间尺寸。所以，对于小尺寸结构模型，通过设置最小单元大小和最大单元增长率，达到网格数量的控制；对于弯曲边界和狭窄区域，通过设置曲率因子和狭窄区域分辨率，达到控制网格精度和网格数量的目的。本模型网格单元总数为9 799 403，自由度为11 865 460，在8核CPU、32 GB内存计算机的计算时间为30 min左右。

图8 高铁车站模型网格剖分图Fig.8 High-speed railway station model grid division diagram

4 结果与分析

4.1 人体内与绝缘鞋底中E和J

图9为上水工不同姿态人体内感应电场强度大小和分布。图9 (a)和图9(b)中绝缘鞋底中电场强度均最大，站姿最大值为7.98×104V/m，弯腰加水姿态最大值为7.37×104V/m。上水工站姿和弯腰加水姿态人体内感应电场强度最大值分别为0.47 V/m、0.42 V/m，均约为鞋底中的0.001%。弯腰加水姿态人体胳膊中感应电场强度最大值为0.02 V/m，为弯腰人体内感应电场强度最大值的4.76%。箭头表示人体内感应电场强度的方向，可以看出，站姿和弯腰加水姿态人体内感应电场强度在胳膊中方向均向上，从头部到脚底方向均向下。

图9 感应电场强度大小和分布Fig.9 Distribution and amplitude of induced electric field intensity

图10为上水工不同姿态人体内感应电流密度大小和分布。从图10中可以看出，绝缘鞋底中感应电流密度大小与人体中相比均较小，是因为绝缘鞋底的电导率为10-22S/m。站姿人体内感应电流密度主要分布于颈部、腋下和脚踝处；弯腰加水姿态人体内主要分布于颈部和脚踝处。站姿和弯腰加水姿态人体脚踝处的电流密度均最大，分别为9.21 mA/m2、7.73 mA/m2，弯腰加水姿态人体最大值比站姿人体的小，为站姿的83.93%。弯腰加水姿态人体胳膊中感应电流密度最大值为1.74 mA/m2，为弯腰人体内感应电流密度最大值的22.51%。流线箭头表示人体内感应电流密度的方向，可以看出，站姿和弯腰加水姿态人体内感应电流密度在胳膊中方向均向上，从头部到脚底方向均向下。

图10 感应电流密度大小和分布Fig.10 Distribution and amplitude of induced current density

4.2 人体头部E和J

图11为上水工不同姿态人体头部感应电场强度大小和分布。图11中分别选取头部不同部分用图例和箭头表示感应电场强度的大小。从图中可以看出，上水工站姿和弯腰加水姿态头部感应电场强度分布很相似。站姿上水工头部最大值出现在头顶处头皮中，而弯腰加水姿态上水工头部最大值出现在后颈处头皮中，此差异的出现与人体几何结构和网格剖分尺寸因素有关。弯腰加水姿态的最大值为0.42 V/m，站姿的最大值为0.47 V/m，弯腰加水姿态比站姿的小，为站姿的89.36%，因为站立姿态上水工与弯腰加水姿态相比，离辐射源接触线更近。从箭头分布可以看出感应电场强度在上水工人体头部的方向。

图11 头部感应电场强度大小和分布Fig.11 Distribution and amplitude of head induced electric field

图12为上水工不同姿态人体头部感应电流密度大小和分布。图12中分别选取头部不同部分用图例和流线箭头表示感应电流密度的大小。从图12中可以看出，站姿和弯腰加水姿态上水工头部感应电流密度的分布很相似。脑脊液和颅骨中的感应电流密度均较大，从表2可以看出脑脊液和颅骨中电导率与其他组织相比更大，脑脊液电导率为2 S/m，颅骨电导率为2.005 5×10-2S/m。而站姿和弯腰加水姿态上水工头部最大值均出现在颅骨中，此结果的出现与人体几何结构和网格剖分尺寸因素有关。站姿头部的最大值为6.88 mA/m2，弯腰加水姿态的最大值为6.19 mA/m2，弯腰加水姿态比站姿的小，为站姿的89.97%。从流线箭头可以看出上水工人体头部感应电流的方向。

表3 不同姿态人体躯干、头部|E|max和|J|maxTab.3 |E|max and |J|max for different posture of human trunk, head

图12 头部感应电流密度大小和分布Fig.12 Distribution and amplitude of head induced current density

上水工站姿和弯腰加水姿态人体各组织感应电场强度和感应电流密度最大值见表3。从表3可知，站姿与弯腰加水姿态相比，人体头部组织中感应电场强度和感应电流密度最大值均较大，是因为站姿人体与弯腰加水姿态相比，距离辐射源接触线更近。弯腰加水姿态人体躯干、头皮、颅骨、脑脊液、脑灰质和脑白质中感应电场强度最大值分别为站姿的93.07%、89.36%、91.18%、77.00%、93.59%和80.23%；感应电流密度最大值分别为站姿的93.43%、95.24%、89.97%、77.18%、93.88%和79.07%。

在ICNIRP制定的导则中，50 Hz电场环境职业暴露基本限值见表4。

表4 ICNIRP导则中工频电场职业暴露基本限值Tab.4 Basic limits for occupational exposure to power frequency electric fields in ICNIRP guidelines

将表3中人体各组织的仿真结果与表4中标准进行对比可知，感应电场强度在站姿人体躯干、头部(头皮、颅骨)中最大值分别为20.77×10-3V/m、0.47 V/m、0.34 V/m，均小于0.8 V/m；站姿人体头部中央神经组织(脑脊液、脑灰质和脑白质)中感应电场强度最大值分别为2.13×10-3V/m、5.93×10-3V/m、7.69×10-3V/m，均小于0.1 V/m。故弯腰加水姿态人体躯干、头部和中央神经系统组织感应电场强度也均小于 ICNIRP 导则中职业暴露基本限值。

5 结论

本文使用三维电磁仿真软件对高速铁路车站接触网下方不同工作姿态上水工人体内的感应电场强度和感应电流密度进行了数值计算，通过分析可以得出以下结论：

(1) 感应电场强度和感应电流密度在站姿人体躯干、头部和头部中央神经组织中的最大值均大于弯腰加水姿态的最大值。

(2) 站姿人体躯干、头部和头部中央神经组织中感应电场强度最大值分别为20.77×10-3V/m、0.47 V/m、0.34 V/m、2.13×10-3V/m、5.93×10-3V/m、7.69×10-3V/m，均小于ICNIRP导则中职业暴露基本限值，分别为ICNIRP职业暴露基本限值的2.60%、58.75%、42.50%、2.13%、5.93%、7.69%。

(3) 弯腰加水姿态人体躯干、头部和头部中央神经系统组织中的感应电场强度也均小于ICNIRP 导则中职业暴露基本限值，分别为ICNIRP职业暴露基本限值的2.42%、52.50%、38.75%、1.64%、5.55%、6.17%。

综上所述，上水工在高铁车站股道间进行加水作业时，接触线产生的工频电场不会给其身体健康带来损害。

本文仅对作业于高铁车站接触网下方的上水工两种静止姿态人体内的电场效应进行了研究，未考虑其在时间上的累计效应，未来可以考虑上水工在动态作业情况下电磁效应在时间累计方面的研究。