一種特高壓緊湊型線路帶電作業(yè)人員體表電場仿真計(jì)算方法
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作者：張毅
目前對于500kV緊湊型線路帶電作業(yè)，國內(nèi)已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)．對于1000 kV交流輸電線路帶電作業(yè)，國內(nèi)也已開展了單同和同塔雙回線路的安全距離試驗(yàn)，并測量了作業(yè)人員體表場強(qiáng)，研究了相應(yīng)的安全防護(hù)措施。1 000 kV緊湊型線路由于其三相導(dǎo)線布置緊湊、相間無接地構(gòu)件，運(yùn)行時塔窗內(nèi)電場分布將更不均勻。當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)行帶電作業(yè)時．其體表場強(qiáng)分布特性與常規(guī)線路不同，強(qiáng)電場可能導(dǎo)致人體感覺不適，給作業(yè)人員帶來安全隱患。為保證帶電作業(yè)安全進(jìn)行，必須針對緊湊型線路，研究作業(yè)人員體表場強(qiáng)分布特性，明確作業(yè)過程中的安全防護(hù)要求。
本文根據(jù)1 000 kV特高壓交流緊湊型線路參數(shù)建立了三維靜電場有限元模型，首先分別計(jì)算上相導(dǎo)線和下相導(dǎo)線加載高電位情況下塔窗內(nèi)電場．然后計(jì)算地電位和等電位工況下不同典型作業(yè)位置作業(yè)人員的體表場強(qiáng)，分析并總結(jié)了體表場強(qiáng)分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，明確帶電作業(yè)安全防護(hù)措施。研究成果可為中國特高壓緊湊型線路安全開展帶電作業(yè)提供相應(yīng)的技術(shù)支持。
1 1000 kV緊湊型直線塔塔窗電場仿真
1.1 1000 kV緊湊型直線塔參數(shù)及模型
按1 000 kV特高壓交流緊湊型線路設(shè)計(jì)參數(shù)，采用酒杯型塔。導(dǎo)線型號為LGJ-500/35，三相導(dǎo)線倒三角形排列，相間距14.9 m.采用十分裂導(dǎo)線．分裂間距400 mm，子導(dǎo)線直徑30 mni三相復(fù)合絕緣子均采用單V串配置方式．上相V串絕緣子夾角為90°，下相、一串絕緣子夾角為135°,傘裙布置為小、中、小、大，結(jié)構(gòu)高度為9 m.絕緣距離為8 630 mm：建立特高壓交_緊湊型線路三維靜電場有限元模型，包括桿塔、復(fù)合絕緣子、相導(dǎo)線、均壓環(huán)、聯(lián)板和其他連接金具等。仿真模型如圖1所示
1.2緊湊型直線塔塔窗電場分布
圖2和圖3分別為下相加載高電位時的電位和電場分布云圖。
由圖3可以看出，對下相導(dǎo)線加載高電位時．下相導(dǎo)線附近場強(qiáng)較大，場強(qiáng)最大值出現(xiàn)在下相均壓環(huán)表面處，最大值為2 280 kV/m。下相導(dǎo)線正下方塔窗處場強(qiáng)較小，約為89 kV/m：塔窗上距離下相導(dǎo)線水平方向下方5m處場強(qiáng)較大．約為231 kV/m：塔窗上與導(dǎo)線等高處場強(qiáng)約為160kV/m：塔窗上距離下相導(dǎo)線水平方向上方3m處靠近絕緣子懸掛點(diǎn)，場強(qiáng)也較小，約為90 kV/m。
圖4和圖5分別為上相加載高電位時的電位和電場分布云圖。
由圖5可以看出，當(dāng)對上相導(dǎo)線加載高電位時，場強(qiáng)最大值同樣出現(xiàn)在均壓環(huán)表面處．最大值為2 139 kV/m。塔窗上距離上相導(dǎo)線水平方向下方4m和上方2m處的場強(qiáng)約為200 kV/m,大于導(dǎo)線水平處的場強(qiáng)。導(dǎo)線正上方塔窗附近的場強(qiáng)約為133 kV/m。
2帶電作業(yè)人員體表場強(qiáng)仿真計(jì)算
2.1 地電位工況仿真
由塔窗電場計(jì)算結(jié)果可知相導(dǎo)線正上方和正下方處．以及導(dǎo)線水平方向上下2~5 m處的場強(qiáng)較大，因此在桿塔上選取8個典型地電位作業(yè)位置，作業(yè)位置示意如圖6所示。
各位置說明如下。位置1：人站立于桿塔上，位于下相導(dǎo)線正下方：位置2：人站立于桿塔上，距離下相導(dǎo)線等高處下方5 m;位置3：人站立于桿塔上，和下相導(dǎo)線等高：位置4：人站立于桿塔上．距離下相導(dǎo)線等高處上方3 m;位置5：人站立于桿塔上．距離上相導(dǎo)線等高處下方4 m;位置6：人站立于桿塔上，和上相導(dǎo)線等高；位置7：人站立于桿塔上，距離上相導(dǎo)線等高處上方2 m;位置8：人站立于橫擔(dān)上，位于上相導(dǎo)線正上方。
計(jì)算體表電場時，人體采用站立姿勢：對于位置2~7．人體手臂向兩側(cè)伸出。以地電位位置1和位置3為例，給出地電位作業(yè)人員體表場強(qiáng)分布云圖，如圖7所示一地電位計(jì)算結(jié)果如表1所示。
根據(jù)地電位計(jì)算結(jié)果可總結(jié)出以下規(guī)律：
(1)在登塔過程中，作業(yè)人員在與相導(dǎo)線距離最近的位置處場強(qiáng)較大，如位置2、5、 7。且在登塔過程中，作業(yè)人員身體某些部位的場強(qiáng)已經(jīng)超過了240 kV/m。
(2)當(dāng)作業(yè)人員處于桿塔構(gòu)架里時．如位置8．由于桿塔的屏蔽效應(yīng)使得此時作業(yè)人員體表場強(qiáng)較小。
(3)在登塔過程中，作業(yè)人員頭頂和手尖等部位場強(qiáng)較大，頭頂最大場強(qiáng)為325 kV/m;手尖最大場強(qiáng)為947 kV/m（作業(yè)人員位于位置6，且手伸出桿塔構(gòu)架）在無作業(yè)人員時，位置6附近的電場其實(shí)較小，但因作業(yè)人員手伸出構(gòu)架，使場強(qiáng)出現(xiàn)明顯的畸變，導(dǎo)致手尖場強(qiáng)較大。因此，在登塔過程中，作業(yè)人員不宜將頭、手等部位伸出桿塔構(gòu)架。
2.2等電位工況仿真
分別計(jì)算作業(yè)人員位于上相導(dǎo)線和下相導(dǎo)線等電位的情況，作業(yè)人員雙腳站立在十分裂導(dǎo)線的2根下子導(dǎo)線上，手臂向兩側(cè)伸出。分別計(jì)算作業(yè)人員從塔窗內(nèi)向檔中走出Om、Sm、10 m和15 m時的體表場強(qiáng)．等電位作業(yè)位置示意如圖8所示。以上相導(dǎo)線沿導(dǎo)線相檔中走出0m為例，給出等電位作業(yè)人員體表場強(qiáng)分布云圖如圖9所示。上相和下相等電位計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。
從等電位的計(jì)算結(jié)果可總結(jié)出以下規(guī)律。
(1)等電位作業(yè)時作業(yè)人員體表場強(qiáng)最大。由于作業(yè)人員頭、手等部位曲率半徑較小．且在分裂導(dǎo)線外，從而引起其周圍空間場強(qiáng)畸變使得這些部位場強(qiáng)較大，其中作業(yè)人員手尖場強(qiáng)最大．而作業(yè)人員處于分裂導(dǎo)線內(nèi)的部位由于導(dǎo)線的屏蔽作用，場強(qiáng)反而很小，其巾作業(yè)人員腹部場強(qiáng)最小，僅為90～180 kV/m。
(2)隨著作業(yè)人員從塔窗向檔中走出距離的變化，作業(yè)人員體表場強(qiáng)也在變化。作業(yè)人員向檔中走出Om時，作業(yè)人員周圍有聯(lián)板．均壓環(huán)和其他金具等金屬物體，對人體電場有較大影響．因此作業(yè)人員體表場強(qiáng)小于作業(yè)人員向檔中走出5m、10 m和15 m的工況，此時場強(qiáng)最大值為2 900 kV/m。
(3)從作業(yè)人員向檔中走出5m處開始．隨著作業(yè)人員向檔中走出距離的增加，作業(yè)人員體表場強(qiáng)略有下降，但最大值均在2 800 kV/m以上。
(4)作業(yè)人員在下相進(jìn)行作業(yè)時，由于受上相兩相導(dǎo)線的影響，其手尖和頭頂?shù)炔课坏膱鰪?qiáng)略大于上相．而胸腹部的場強(qiáng)計(jì)算結(jié)果相差不大。
3緊湊型線路與單回、雙回線路的比較
國網(wǎng)電力科學(xué)研究院對1 000 kV交流單回和同塔雙回線路帶電作業(yè)人員體表場強(qiáng)進(jìn)行了測量，測量結(jié)果顯示：地電位作業(yè)時，場強(qiáng)最大值一般出現(xiàn)在頭頂和手尖等部位。在登塔過程中．對于單回線路，作業(yè)人員手尖最大場強(qiáng)為302.7 kV/m,頭頂最大場強(qiáng)為265.5 kV/m;對于雙回線路．頭頂最大場強(qiáng)為338 kV/m,其他部位最大場強(qiáng)為257 kV/m。特高壓交流單回和雙回線路上地電位作業(yè)人員場強(qiáng)最大值均出現(xiàn)在作業(yè)人員與相導(dǎo)線等高的位置。而對于緊湊型線路，登塔過程中作業(yè)人員頭頂最大場強(qiáng)為325 kV/m，手尖最大場強(qiáng)為947 kV/m（此時作業(yè)人員手尖伸出塔窗）。體表場強(qiáng)最大值并不出現(xiàn)在與相導(dǎo)線等高處．而是出現(xiàn)在上相導(dǎo)線水平方向上方2m和下方4m左右的位置，且緊湊型線路登塔過程中作業(yè)人員體表場強(qiáng)高于單回和雙回線路。
在等電位帶電作業(yè)時作業(yè)人員體表場強(qiáng)最大。根據(jù)國網(wǎng)電力科學(xué)研究院對等電位作業(yè)人員體表場強(qiáng)的測量結(jié)果，繪制了1 000 kV單回、雙回和緊湊型線路等電位作業(yè)人員體表場強(qiáng)對比如圖10所示。
等電位作業(yè)時，單回線路作業(yè)人員體表場強(qiáng)最大值為2 164 kV/m：雙回線路作業(yè)人員體表場強(qiáng)最大值為2 298 kV/m;緊湊型線路作業(yè)人員體表場強(qiáng)最大值為2 924 kV/m。與單回和雙回線路等電位測量結(jié)果相比，緊湊型線路計(jì)算結(jié)果明顯高于單回和雙回線路實(shí)測值。尤其作業(yè)人員手尖處的場強(qiáng)明顯高于單回路和雙回路，原因是緊湊型線路三相導(dǎo)線相間距較小，作業(yè)人員對空問電場的畸變作用更強(qiáng)。但在上相導(dǎo)線作業(yè)時作業(yè)人員頭頂場強(qiáng)低于單回路和雙回路，在下相導(dǎo)線作業(yè)時頭頂場強(qiáng)高于單回路和雙回路，原因是在下相導(dǎo)線作業(yè)時作業(yè)人員同時受到上相兩相導(dǎo)線的影響，尖端效應(yīng)更明顯。對于1 000 kV緊湊型輸電線路，等電位作業(yè)人員體表場強(qiáng)最大值分布在頭頂、手尖等曲率半徑小的部位；作業(yè)人員腳尖處的曲率半徑雖然也較小，但由于腳部處于分裂導(dǎo)線之內(nèi)，受到導(dǎo)線的屏蔽作用而使得腳尖處的場強(qiáng)較小：作業(yè)人員胸部場強(qiáng)也因受到導(dǎo)線屏蔽作用而較小。整體比較發(fā)現(xiàn)，緊湊型線路等電位作業(yè)人員的體表場強(qiáng)分布規(guī)律與單回和雙回線路基本一致。
4帶電作業(yè)人員的安全防護(hù)
對于交流電場中人體感受，國內(nèi)外均進(jìn)行了大量的研究。一般認(rèn)為，人體可感知的交流均勻電場強(qiáng)度為10～15 kV/m，刺痛的電場強(qiáng)度為30~40 kV/m：由于人體進(jìn)入電場中會造成局部電場畸變，人體各部位體表場強(qiáng)不同，尖端部位局部場強(qiáng)更大。根據(jù)試驗(yàn)，人體表面皮膚感知的交流場強(qiáng)為240 kV/m,低于此值則無不良反應(yīng)一而作業(yè)人員身穿屏蔽服能有效降低人體表面場強(qiáng)大小
GB/T 6568-2008《帶電作業(yè)用屏蔽服裝》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，整套屏蔽服在規(guī)定的使用電壓等級下．衣服內(nèi)的體表場強(qiáng)不得大于15 kV/m,人體外露部位的體表局部場強(qiáng)不得大于240 kV/m
屏蔽效率是衡量屏蔽服性能的一項(xiàng)相對指標(biāo)，是屏蔽前后接收極上的電壓比值，可表示為
式中：SE為屏蔽效率．dB;Umf為基準(zhǔn)電壓，V;U為屏蔽之后的電壓值，V。
按照計(jì)算公式，若采用60 dB的屏蔽服，則服內(nèi)場強(qiáng)約為服外場強(qiáng)的1／1 000，而1 000 kV緊湊型線路等電位作業(yè)人員體表場強(qiáng)最大值約為2 950 kV/m,采用60 dB的屏蔽服，理論上服內(nèi)場強(qiáng)不超過3 kV/m，能滿足帶電作業(yè)的要求。
依照標(biāo)準(zhǔn)并根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在1 000 kV交流緊湊型線路帶電作業(yè)過程中，作業(yè)人員應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
(1)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，屏蔽效率為60 dB的屏蔽服可以滿足緊湊型線路帶電作業(yè)要求，屏蔽服內(nèi)部場強(qiáng)不會超過15 kV/m。因此，等電位作業(yè)人員應(yīng)穿戴全套屏蔽服，其屏蔽效率不低于60 dB。
(2)為減小人體裸露面積，屏蔽服采用帽子、上衣和褲子連成一體的式樣，并在面部加裝屏蔽效率為20 dB的屏蔽面罩。
(3)在地電位作業(yè)過程中，作業(yè)人員位于塔窗上距離相導(dǎo)線等高處上下2~5 m處需特別注意，作業(yè)時應(yīng)盡量避免將頭、手等部位伸出桿塔構(gòu)架。
(4)在等電位作業(yè)過程中，作業(yè)人員不宜將手伸出導(dǎo)線，且應(yīng)盡量使身體各部位處于分裂導(dǎo)線之內(nèi)。
5結(jié)論
本文通過模擬計(jì)算和分析，得出如下結(jié)論。
(1)根據(jù)1 000 kV特高壓交流緊湊型直線塔的計(jì)算結(jié)果，不同工況下作業(yè)人員體表場強(qiáng)分布規(guī)律不同，等電位工況下作業(yè)人員體表場強(qiáng)最大。
(2)在不同工況下，作業(yè)人員體表場強(qiáng)最大值總是分布在頭頂、手尖等曲率半徑較小的部位，而胸腹部場強(qiáng)一般較小。
(3)相比于1 000 kV交流單回和同塔雙回輸電線路．緊湊型線路帶電作業(yè)人員體表場強(qiáng)值更高，但人體場強(qiáng)分布規(guī)律基本相同。
(4)屏蔽效率為60 dB的屏蔽服可以滿足1 000 kV特高壓交流緊湊型線路帶電作業(yè)的安全
要求，屏蔽服內(nèi)部場強(qiáng)不會超過15 kV/m。因此，等電位作業(yè)人員應(yīng)穿戴屏蔽效率不低于60 dB的屏蔽服。
6摘 要：1000 kV特高壓交流緊湊型線路三相導(dǎo)線布置緊湊且相間無接地構(gòu)件，使得帶電作業(yè)電場環(huán)境更為嚴(yán)峻．為確保線路建成后帶電檢修工作的安全開展，采用有限元法仿真計(jì)算了特高壓交流緊湊型線路典型工況下不同作業(yè)位置的帶電作業(yè)人員體表電場，分析了作業(yè)人員的體表場強(qiáng)分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的安全防護(hù)措施．計(jì)算結(jié)果表明，在帶電作業(yè)過程中作業(yè)人員頭部和手尖等曲率半徑較小的部位場強(qiáng)較大，在等電位工況下其體表場強(qiáng)最大，作業(yè)人員穿戴屏蔽效率為60 dB的特高壓帶電作業(yè)屏蔽服可滿足安全要求研究成果可為中國1000 kV特高壓交流緊湊型線路帶電作業(yè)的安全開展提供技術(shù)依據(jù)。
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