±660KV直流輸電帶電作業安全防護的試驗研究

楊新法，劉洪正，孟海磊，劉凱，肖賓，馬瑋杰

(1.中國電力科學研究院，北京市，100192;2.山東電力超高壓公司，濟南市，250021;3.國網電力科學研究院，武漢市，430074)

0 引言

寧東—山東±660kV直流輸電工程自雙極投運以來，一直滿負荷運行，極大地緩解了山東用電緊張局面。但是，作為遠距離、大容量跨區電網輸電線路，線路運行后的停電檢修機會極少，帶電作業是線路消缺、測試、檢修的重要手段。安全防護是帶電作業研究領域中十分重要的一環，目前，國內外對交流110～1000kV線路、直流±500kV線路帶電作業人員安全防護技術已具有豐富的經驗，但尚未開展±660kV直流輸電線路的安全防護研究［1-24］。

1 主要研究內容

對±660kV直流輸電線路而言，導線表面或其附件的電荷在導線周圍產生靜電場，同時空間帶電粒子形成了空間電荷電場，直流輸電線路附近的“電場”為靜電場與空間電荷電場綜合作用的合成場。鑒于±660kV直流輸電線路工作時導線表面梯度大于臨界水平，導線附近存在著大量的空間離子，帶電作業過程中作業人員處于合成場中，因此合成場對作業人員的影響是帶電作業安全防護應考慮的重點問題之一。

由于直流輸電的特點，在直流輸電線下幾乎不存在電容耦合作用，這時在直流輸電線路導線附近的空間電荷及其定向運動所形成的離子流對于空間電流起著決定性的作用。對于直流輸電線路帶電作業人員，通過人體的電流主要是穿透屏蔽服通過人體的空間離子電流，這一空間離子電流也應作為帶電作業安全防護的對象。

電位轉移即作業人員通過導電手套或其他專用工具從中間電位轉移到等電位的過程，是帶電作業進出等電位過程中最重要的環節。以往的帶電作業研究成果表明［1-5］，在電位轉移的瞬間，作業人員與導線之間將出現電弧，并有較大的脈沖電流，如在此過程中防護措施不當極有可能出現安全事故，因此電位轉移過程中的脈沖電流也應作為帶電作業安全防護需要考慮的問題。

作為帶電作業人員最主要的安全防護手段，用于±660kV直流輸電線路的帶電作業安全防護用具必須具備對合成場、離子流、電位轉移脈沖電流等對象進行防護的能力。因此須在分析防護對象特性的基礎上，通過試驗對防護用具進行驗證，明確安全防護用具的技術條件，并制定安全防護措施。

2 試驗和計算模型

2.1 鐵塔模型及導地線參數

試驗、計算時選擇的鐵塔為±660kV直流輸電線路典型塔型，塔頭如圖1所示，導、地線參數如表1所示。

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2.2 人體模型

綜合國內外相關文獻的研究結果［21-23］，選取人體各部分的參數分別為:頭部為半徑10 cm的圓球，頸部為半徑8 cm、高7 cm的圓柱;腰部為半徑16 cm、高65 cm的圓柱;腿部為半徑10 cm、高80 cm的圓柱。人體的總高度為170 cm。取人體的電導率為0.1 S/m，相對介電常數為105。

3 人員體表合成場場強計算

為全面了解±660kV直流輸電線路空間及人員體表的電場分布及強度，采用三維有限元法進行了計算分析。由于目前對于直流合成場(包含畸變情況)的三維建模計算還沒有成熟規范的方法，因此在本計算中只考慮靜電場，不考慮導線的電暈情況以及空間離子流電場。考慮鐵塔的影響，不考慮離子流及人體的影響，通過仿真計算，得出±660kV直流輸電線路鐵塔周圍的電場強度分布及分布等值線如圖2所示。

圖2 鐵塔周圍電場強度分布及分布等值線Fig.2 Electric field intensity and contour distribution around the tower

帶電作業過程中，計算位置如圖3所示，作業人員所處典型位置的電場強度如表2所示。

圖3 帶電作業過程的電場測量位置Fig.3 Sketch of the electric field measurement location under live-wire operation process

4 作業人員電位轉移時通過人體的能量

4.1 等效電路

人體接近導線時的等效電路可由圖4表示，圖中，C1為人體與導線間的部分電容，C2為人體與鐵塔、大地及其他相導體間的部分等效互電容。

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4.2 人體與導線距離1m

設正負極相對地的電位分別為±660kV，人體無凈電荷，人體與分裂導線外側的距離為1m，人體周圍的電位分布及其等值線和電場強度分布如圖5所示。

人體不帶凈電荷時，導線與人體間的電壓約為74.726kV，人體與大地間的電壓約為385.273kV。

設人體帶凈電荷10－6C，導線與人體間的電壓為132.974kV，人體與大地間的電壓約為792.974kV。計算得出人體與導線間的電容為28.636 pF;人體與鐵塔、大地及其他導線間的等效電容為20.419 pF。設線路的最高工作電壓為±660kV，則人體進入等位點時，流過人體的最大瞬態能量為1.08 J。

圖5 人體周圍電位分布及其等值線和電場強度分布(人體與導線距離1m)Fig.5 Human peripheral potential distribution and contour and electric field intensity distribution around human-body(the distance is 1m between human-body and wire)

電位轉移時，設電位轉移棒、接觸電阻的大小不同，通過轉移棒的瞬態電流不同，轉移棒和接觸電阻之和為100或200 Ω，電位轉移時瞬態電流如圖6所示。

圖6 距導線1m處電位轉移時瞬態電流Fig.6 The transient current for the shift of potential when the human-body is 1m far from the wire

由以上計算結果可知，增加電位轉移棒的電阻可減小電位轉移時的沖擊電流的大小，但是增大了放電的時間。

如果電位轉移棒串聯1個小電感，可以有效減小電位轉移時沖擊電流的幅值。當人體與導線距離為1m時，在電阻為200 Ω的電位轉移棒串聯1個0.1 mH的電感時，沖擊電流的波形如圖7所示。

4.3 人體與導線距離0.5m

當人體與邊子導線間距為0.5m時，由有限元計算方法得到人體周圍的電位分布及其等值線和電場強度分布如圖8所示。

計算得出人體與導線間的電容為37.39 pF;人體與鐵塔、大地及其他導線間的等效電容為16.87 pF。設線路最高工作電壓為±660kV，則人體進入等位點時，流過人體的最大瞬態能量為0.79 J。

設轉移棒和接觸電阻之和為100或200 Ω，電位轉移時瞬態電流波形如圖9所示。

圖9 距導線0.5m處電位轉移時瞬態電流Fig.9 The transient current for the shift of potential when the human －body is 0.5m far from the wire

如果與電位轉移棒串聯1個小電感，可有效減小電位轉移時沖擊電流的幅值。人體與導線距離為0.5m時，在電阻為200 Ω的電位轉移棒串聯1個0.1 mH的電感時，沖擊電流的波形如圖10所示。

圖10 電位轉移棒串聯0.1 mH電感時瞬態電流(人體與導線距離0.5m)Fig.10 The transient current when the potential transfer rod series connection a 0.1 mH inductance(the distance is 0.5m between human-body and wire)

5 帶電作業用屏蔽服基本參數

適用于±660kV直流輸電線路帶電作業的屏蔽服必須具有屏蔽合成場、阻擋直流離子電流、釋放電位轉移時的能量等功能。由于目前我國還沒有針對直流輸電線路帶電作業用屏蔽服的技術標準，直流屏蔽服的性能參數要求以及試驗方法均參照交流屏蔽服標準［16-20］。

對于±660kV直流輸電線路，在人員處于地電位及進入電場過程中，其體表的場強一般低于200kV/m，而當人員進入等電位后，處于分裂導線外的頭部、手部等尖端部位場強一般為450～800kV/m。由電位轉移電流計算結果可知:±660kV直流輸電線路放電電流的峰值為210 A，半峰值時間為0.1 μs。

參考國家標準GB/T 6568—2008《帶電作業用屏蔽服裝》及±800kV直流特高壓、1000kV交流特高壓線路［23］屏蔽服的主要參數，確定適用于±660kV直流輸電線路屏蔽服主要參數如下。

(1)采用屏蔽效率不小于40 dB的屏蔽服布料;衣料熔斷電流不小于5 A;對于整套屏蔽服，各最遠端點間的電阻值不超過20 Ω。

(2)屏蔽服內部最大電場不超過15kV/m，面罩內部最大電場不超過240kV/m。

(3)流經人體的電流不超過50 μA。

(4)在進行整套屏蔽服的通流容量試驗時，屏蔽服任何部位的溫升不得超過50℃。

6 結論

(1)±660kV直流輸電線路帶電地電位作業人員體表場強為44～47kV/m，在進入過程中及等電位作業時均超過了電場感知水平240kV/m，應采取防護措施。

(2)距導線1m接觸導線時，流過人體的最大瞬態能量為1.08 J，電流脈沖幅值可達210 A，半峰時間約為0.1 μs;距導線0.5m接觸導線時，流過人體的最大瞬態能量為0.79 J，電流脈沖幅值可達210 A，半峰時間約為 0.1 μs。

(3)人體進入等電位點時距導線越近，電位轉移時沖擊電流幅值和電位轉移能量越小;電位轉移時，電位轉移棒、接觸電阻的大小不同，通過轉移棒的瞬態電流不同;增加電位轉移棒的電阻可減小電位轉移時的沖擊電流的大小，但是增大了放電的時間;如果電位轉移棒串聯1個小電感，可有效減小電位轉移時沖擊電流的幅值。

(4)適用于±660kV直流輸電線路屏蔽服的主要參數:采用屏蔽效率不小于40 dB的屏蔽服布料;衣料熔斷電流不小于5 A;對于整套屏蔽服，各最遠端點間的電阻值不超過20 Ω;屏蔽服內部最大電場不超過15kV/m，面罩內部最大電場不超過240kV/m;流經人體的電流不超過50 μA;在進行整套屏蔽服的通流容量試驗時，屏蔽服任何部位的溫升不得超過50℃。

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