±500kV換流站離子流測量與安全防護評估

夏擁，劉紅太，林睿，左干清，張業茂

（1.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣州市， 510663;2.國網電力科學研究院，武漢市， 430074)

0 引言

高壓直流換流站的直流電場會使空間出現帶電粒子，這些帶電粒子在直流電場作用下定向移動形成空間離子流，故直流設備周圍的電場為直流靜電場和空間離子流場的綜合場。有必要對直流綜合場和空間離子電流進行測量、評估，以確定是否需要增加特殊的人員防護措施。本文對廣州換流站內不同設備和構架下的直流合成場強、離子流進行了測試，并以有/無施工機具作為對比。

1 直流合成場強與空間離子流的測量方法

直流合成電場為直流電暈產生的空間電荷形成的場強和標稱場強合成后的電場強度，kV/m。離子流密度為地面單位面積截獲的離子電流，nA/m2。目前，直流電場測量裝置不能適用于潮濕天氣條件下測量，而且雨天還存在未知影響因素，所以直流合成電場和離子流密度的測試應在無雨、無雪、無霧的天氣條件下進行。此外，由于離子流運動速度和空間分布受風的影響很大，所以對于直流合成電場的測試及統計，特別規定應在風速小于5 m/s的條件下進行。利用周期性變化的電荷所形成的電流可測出相應的場強[4]。本次測試采用的是快門型直流電場傳感器，其結構如圖1所示。

感應電極曝露于場強時，為維持其電位，它的上面會積聚相應的電荷，當電場指向地面時積聚負電荷，電場指向上空時積聚正電荷。測試時，電機帶動旋轉快門作定速旋轉，其下部的感應電極曝露于場強中的面積呈周期性變化。當感應電極被遮蔽時，其上的電荷流入大地，通過對電阻R上的壓降進行測量可以表征探頭所在位置的電場強度。

離子流密度大小是通過測量對地絕緣的金屬板所截獲電流大小計算得出的。測試中，采用1 m×1 m的金屬板，該金屬板通過1個高靈敏度電流表接地。

2 換流站測試場強評估

測試區域有8個，包括：極I穿墻套管外、極I管母下、極I電容器塔外、極I龍門架外、極II穿墻套管外、極II管母線下方、極II電容器塔外與極II龍門架外。測試氣象條件為：天氣晴，氣溫16℃，濕度35%，風向北風，風速1.8 m/s。測試換流站運行方式為雙極金屬回線方式運行，中等負荷。

2.1 穿墻套管下方

極I穿墻套管處測量位置分布如圖2所示，極I穿墻套管下方合成場的最大值如表1所示。極I穿墻套管外地面合成場小于30 kV/m，距地面2 m高處的合成場較地面場強有較大增加。因該處強度低，并且早晨開始測試時風力較大，未測量到離子流。

圖 22套管處測量位置示意圖FFiigg.. 22Measurement location at wall-penetrating pipee

表1 極I 穿墻套管下方測試結果Tab.1 Measurement results under the electrode I all-penetrating pipe

極II穿墻套管下方合成場與離子流密度的最大值如表2所示。極II穿墻套管圍墻外地面直流合成場較小，小于15 kV/m，離子流密度較大，測試中最大值為559 nA/m2，但隨至套管距離的增加衰減較快，距地面2 m高處的合成場較地面場強有較大增加。

2.2 管母線下方

極I管母線下方的合成場最大值如表3所示。極I管母附近地面直流合成場小于30 kV/m，距地面2 m高處的合成場較地面場強有較大增加。因該處強度低，并且早晨開始測試時風力較大，未測量到離子流。

表2 極II穿墻套管下方測試結果Tab.2 Measurement results under the electrode II wall-penetrating pipe

表3 極I管母線下方測試結果Tab.3 Measurement results under the electrode I bus tube

極II管母線下方的合成場最大值如表4所示。極II管母線下方附近區域地面直流合成場略大于30 kV/m，離子流密度小于100 nA/m2，距地面2 m高處的合成場較地面場強有較大增加。

表4 極II管母線下方測試結果Tab.4 Measurement results under the electrode II bus tube

2.3 電容器塔下方

極I電容器塔下方的合成場與離子流密度的最大值如表5所示。極I電容器塔外地面直流合成場小于30 kV/m，離子流密度小于100 nA/m2，距地面2 m高處的合成場較地面場強有較大增加。

極II電容器塔下方的合成場與離子流密度的最大值如表6所示。極II電容器塔外地面直流合成場小于30 kV/m，離子流密度小于50 nA/m2，距地面2 m高處的合成場較地面場強有較大增加。

表5 極I 電容器塔下方測試結果Tab.5 Measurement results below the electrode I bus tube

表6 極II電容器塔下方測試結果Tab.6 Measurement results below the electrode II capacitor tower

2.4 龍門架下方

極I龍門架外地面的合成場與離子流密度的最大值如表7所示。極I龍門架外地面直流合成場較大，大于30 kV/m，離子流密度小于100 nA/m2，距地面2 m高處的合成場較地面場強有較大增加。

表7 極I 龍門架下方測試結果Tab.7 Measurement results below the electrode I gantry

極II龍門架外地面的合成場與離子流密度的最大值如表8所示。極II龍門架外地面直流合成場地面合成場較大，大于30 kV/m，離子流密度小于20 nA/m2，距地面2 m高處的合成場較地面場強有較大增加。

表8 測試結果Tab.8 Measurement results

3 安全防護評估

3.1 直流場強對人體的影響

國際電工委員會（international electrotechnical commission，IEC)對交、直流下人體生理效應有如表9推薦值[5]。

根據試驗，長期流入人體的交流允許值為80～120μA，因此，在制定職業人員安全防護標準及規程時，對流經人體的持續交流電流控制值也作了相應的規定，國內一般規定為小于50μA。由表9可見，人體對直流電流反應的敏感不如交流，IEC推薦直流與交流有效值影響效應等效的比值為2～4（人員感知水平的比值為4，引起心室纖顫的比值為3.75)。為安全起見，取長期允許工作電流的比值為2，對于500 kV直流輸電系統的帶電作業，流經作業人員的人體電流控制水平應小于100 μA，為進一步增大安全裕度及作業人員的身體舒適度，可將人體直流電流的控制水平也規定為小于50 μA[7]。

表9 IEC對人體電流生理效應的推薦意見Tab.9 Recommendation on the physiological effects of IEC on human body

國際非電離輻射防護委員會（international commissiononnon-ionizingradiationprotection，ICNIRP)雖然沒有直接給出適用于一般公眾的1 Hz以下的電場強度暴露參照水平，但在注釋中指出：對大多數人來說，在頻率低于1 Hz的靜電電場中，因表面電荷而引起的煩惱感覺不會發生在25 kV/m場強以下。

目前國內外關于直流電場強度和空間離子流大小對人員健康影響水平和程度是沒有明確規定的。根據試驗，對于直流電場對人體產生的影響效應，同一電場值下直流電場的影響效應要小于交流電場。直流電場感知水平比交流電場感知水平約增加14 kV/m[9-10]，即人體對直流電場的感覺低于交流電場。那么，實際上作業人員在直流電場中的安全控制值可高于交流電場。如果采用與交流電場等同的安全控制水平，則相當于增大了安全裕度。因此，在±500 kV直流換流站內開展帶電作業時，規定作業人員裸露部位的局部最大直流場強不高于240 kV/m，屏蔽服內直流最大場強不高于15 kV/m，以此作為各種作業方式及防護用具的安全判斷依據。

4 結論

根據廣州±500 kV換流站內合成場強的實測結果，無叉車時，地面測量直流場強的最大值在極I龍門架附近，其值為49.51 kV/m，2 m處測量直流場強的最大值在極I龍門架附近，其值為125.2 kV/m;有叉車時，地面測量直流場強的最大值在極Ⅰ龍門架附近，其值為44.77 kV/m，2 m處測量直流場強的最大值在極Ⅰ龍門架附近，其值為124.2 kV/m。故站內各區域地面和2 m高處的直流合成電場強度均小于240 kV/m（交流輸變電工程下的人體感知水平)，且在有施工機具存在時，其電場強度值進一步降低，因此，站內機具施工人員可不采取額外安全防護措施來進行電場防護。

根據廣州±500 kV換流站內離子流密度的實測結果，無叉車時，地面測量離子流密度的最大值在極II套管附近，其值為935 nA/m2，有叉車時，地面測量離子流密度的最大值在極II套管架附近，其值為816 nA/m2。綜上所述，站內各區域因空間離子流存在而引起的離子流密度小于1 000 nA/m2，并且除穿墻套管外的區域，離子流密度普遍低于100 nA/m2，且在有施工機具存在時，其離子流密度進一步降低，因此，站內機具施工人員可不采取額外安全防護措施對離子流進行防護。

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（編輯：蔣毅恒)