雷电近区瞬态电磁场对人体影响的分析.pdf

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1、中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文雷电近区瞬态电磁场对人体影响的分析1121刘元庆，邹军，李宏伟，何金良1.清华大学电机系(北京100084)2.周口市电业局(周口466000)摘要：雷电近区瞬态电磁场对人体的影响的分析是生物电磁学的研究课题之一。为分析雷电近区瞬态电磁场对人体的影响，本文建立了三维人体模型，采用通用有限元软件ANSYS计算了雷电流所产生的瞬态电磁场、人体内的瞬态感应场，以及由于雷击而引起的地电位升。关键字：雷电流有限元瞬态电磁场跨步电压1引言雷电电磁场的生物效应并不是新的研究课题，但从已有的文献来看，此前多数为定性研究，定量研究并不多见。

2、文[1]将雷电流等值为正弦电流，其频率为雷电流等值主频。由于雷电流的频率成分是非常丰富的，只进行一个频率点下分析显然是不够准确的。同时，尚未见有雷电瞬态电磁场对人体影响分析的文章。本文建立了三维的人体模型，应用有限元软件ANSYS对雷电流产生的瞬态场进行了分析，研究了雷击情况下人与雷击点的之间的安全距离。一般认为，在下雨天当人站在树旁两米或以外时没有危险。本文针对该问题进行了仿真和分析。2计算原理根据电磁场的理论，在洛仑兹规范下，矢量磁位A满足2∇=AJ−μ(1)采用有限元方法，将计算区域划分为若干单元，根据变分原理，在适当的边界条件约束下，可以ϕ得到各节点的矢量磁位A和标量

3、电位。根据动态位对与电场强度之间的关系可以得到电场强度E，利用式可计算空间场点的磁场强度H。∂AE=−∇−ϕ∂t(2)HA=∇×(3)3计算模型人体的有限元模型是分析计算的基础。本文应用了一种简化的人体模型[1]，计算表明该简化模型不但非常简单，而且可以较好地反映人体感应电流变化的变化规律。本文的人体模型可分为头顶、脸部、颈部、肩膀、胸部、腹部、大腿、小腿、脚部等9个部分，其实体模型如图1a所示，具体尺寸见1b所示，人体部分的剖分如图1c所示。人体内活组织的电导率与频率关系很小[3]。人体内组织的电导率大约在0.02-1.0S/m之间。本文假定人体模型电导率为0.5S/m，比

4、较接近于肌肉的性质,人体磁导率设为μ0。设导雷体的电导率962中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文(a)(b)单位：mm(c)图1三维人体模型为0.1S/m，磁导率为5μ0，雷电流为三角波模型，其峰值为10kA，如图2所示。ANSYS软件基于有限元方法，有限元方法属于场域元方法。本文仿真所建立的模型图3，整个模型剖分成了143296个单元，共20743个节点。假设雷电流是沿着细长圆柱击下来的，设树的半径为0.3米，高6米，人与树相距2米，所设的外边界为一个大圆柱，半径为6米，高为6米。在大圆柱的外表面设立磁力线平行边界条件即可。图2雷电流波形图3雷击人附近时

5、所建立的有限元模型大地的电导率设为0.01S/m，用一个很大的圆柱作为大地，该圆柱的半径为50米，深50米，导雷体、人及地面上的情况如上面所述的模型。4计算结果将图3所示的雷电流波形划分为两个时间步，由零到最大值和由最大值降到零，每个时间步又可以分为若干个时间子步，在这些子步中选用斜坡响应来代替这微小时间段内的不规则波形激励，在每个子步内都要进行有限元求解，最后描绘出来随时间变化的各种场量的图形。在雷电流瞬态电磁场分析中所加的激励和边界条件为：耦合物体两个端面的所有节点的电压，并将地面电压设为0，在一个点上加上一个电流，该电流是用载荷步进行施加的，该雷电流过程可分为963中国

6、电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文μs两个载荷步，第一个载荷步为0—2.6，该电流从0逐步增加到10kA，然后第二个载荷步为μs2.6-100，电流从10kA降低到0，每一个载荷步又按时间等分为10个时间子步。外空间的边界条件取为磁力线平行边界条件。对于由于雷电流而产生的地电位升，可以用三维电流场进行了分析。因为这个场都是线性的，故可设导雷体的电位为1000伏。μs在2.5时得到的磁场以及电流分布结果见图4，5所示。图4雷电流产生的磁场情况（2.5μs时刻的情况）由图4可知，在人体的头顶处的磁场强度最大。因此，若人体与导雷体的距离太近时很容易在头部引起侧闪，导

7、致部分雷电流直接流过人体。图5雷电流以及人体内感生的电流分布图在人头顶上的电场强度随着时间的变化过程见图6所示图6人头顶处的感应电场随时间的变化图7雷电流入地时随着距离的不同地面电位的分布964中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文由图6可知，在人头顶处的电场都集中在雷电流峰值附近，过了峰值的很长时间内感应电场都非常小。求解出来的地面上的电位分布如图7所示，由该图就可以很明显的看出，当人站在据雷击点2米时是非常危险的，跨步电压非常大，而当人距离雷击点4.5米时的跨步电压就可以降低到导雷体