±500 kV直流輸電系統接地極線路帶電作業安全防護研究

尹 洪,閆旭東，程 繩，杜 勇，胡志鵬

（國網湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

直流接地極是直流輸電工程中的重要設施，在單極大地返回運行方式和雙極運行方式中分別擔任著引入電流和不平衡電流的重任，在正常雙極運行時還起著牽制換流閥中性點電位的作用，保護換流閥的安全。帶電作業是在線路設備不停電的條件下對其進行檢修作業，這對保障接地極線路的正常運行，提高直流輸電系統的可靠性具有重要意義。

近幾年，國內針對直流線路及換流站帶電作業技術已開展了相關研究及應用。胡毅、胡建勛等在對±500 kV交直流線路帶電作業人員在典型作業位置的體表場強進行了測量，研究了人員電場防護措施[1]。丁玉劍、孫輝等開展了±400 kV青藏聯網直流輸電線路帶電作業安全距離研究[2]。孟遂民、徐文洋等針對±500 kV直流線路帶電作業存在作業環境復雜等問題,采用模糊層次分析法評價了帶電作業的安全性[3]。但是在±500 kV直流輸電系統接地極線路帶電作業安全防護技術上尚未見到相關研究報道。因此筆者通過仿真計算和試驗研究，提出了±500 kV直流輸電系統接地極線路帶電作業的安全防護措施，為接地極線路帶電作業提供了安全保障。

1 電場及高溫導線的影響

1.1 電場防護

±500 kV直流輸電系統接地極線路上的對地運行電壓可用式（1）計算，最大值為5 kV，此時的運行方式為單極大地運行。若系統處于雙極運行時，接地極線路電壓約為300 V左右，而處于單極金屬回路運行時，接地極上無電壓。因此電場防護僅考慮在單極大地運行方式[4-5]。

式中：Up為接地極線路點p處的電壓（V）；IN為系統額定直流電流（A）；Re為接地極對無窮遠處的接地電阻（Ω）；R0為接地極線路單位長度線路的電阻（Ω/km）；Lp為點p離開接地極的距離（km）。

為分析接地極架空線路空間電場強度水平，進行了計算研究。計算采用工頻電場的三維有限元計算方法，計算模型同時考慮鐵塔、線路的不同運行方式等對電場分布的影響；忽略絕緣子串對電場分布的影響，鐵塔表面視作導體平面，大地視為無限大導體平面。

通過仿真計算，等電位作業人員在接地極線路不同作業位置時的體表電場強度如表1所示。

表1 人體體表電場強度（單位：kV/m）Tab.1 Electric field intensity of human body surface(unit:kV/m)

GB/T 6568《帶電作業用屏蔽服裝》規定，帶電作業時人體裸露部分的體表場強不應大于240 kV/m。作業人員人體體表場強最大值出現在換流站出口處進行等電位作業時的人體手部，此時的電場強度遠小于240 kV/m的限制。因此,在接地極線路上開展帶電作業時，線路上的電場不會對人體產生危害[6-7]。

1.2 高溫導線的影響

接地極架空線路在單極大地運行方式下需要承載整個±500 kV直流輸電系統的數千安培的額定負荷電流。因此接地極線路采用2×2JNRLH60/G1A-500/45鋼芯耐熱鋁合金絞線，保證導線在大電流高溫條件下仍能正常運行。

表2 導線基本性能Tab.2 Basic performance of conductor

±500 kV直流輸電線路額定電流為5 kA，當系統處于單極大地運行時，流過單根子導線的電流為1.25 kA，因此導線的最大運行溫度接近120℃。而人體皮膚接觸70℃的溫度持續1 min，皮膚可能會被燙傷。因此,在單極大地運行時，帶電作業人員須避免直接接觸高溫導線，應使用隔熱用具或穿戴隔熱防護用具后方可開展直接作業[8]。

2 安全防護措施

2.1 隔熱防護服裝

雖然接地極線路帶電作業時，人員無須對電場進行防護，但仍需穿戴屏蔽服裝旁路電流[9]。當導線溫度較高，作業人員穿戴的屏蔽服不僅需要滿足常規屏蔽服的要求，還應滿足一定的隔熱防護要求，以避免作業人員在作業過程中受到高溫影響。取屏蔽服衣料進行耐高溫試驗，分別進行160℃、200℃、240℃條件下的耐高溫試驗，試驗結果如圖1～3所示。

圖1 160℃高溫處理衣料與常溫對比Fig.1 Comparison of room temperature and 160℃

圖2 200℃高溫處理衣料與常溫對比Fig.2 Comparison of room temperature and 200℃

圖3 240℃高溫處理衣料與常溫對比Fig.3 Comparison of room temperature and 240℃

上述試驗結果說明，現有屏蔽服的最外層衣料在160℃下經過30 min熱老化試驗，和未經過高溫處理的衣料相比，結構及外觀無變化，能保持較好的完整性；在200℃下經過短時30 min熱老化試驗，外表和未經加工的衣料相比有較明顯的泛黃和碳化跡象；在240℃下經過30 min熱老化試驗，外表和未經加工的衣料相比有極其明顯的泛黃和炭化跡象，發生明顯的損壞。

由于常規屏蔽服不具有隔熱性能，因此，對于160℃高溫導線帶電作業，需要在現有屏蔽服基礎上增加隔熱性能。

如圖4所示，屏蔽服衣料采用屏蔽層、隔熱氈、蠶絲層三層結構設計。外層屏蔽層主要起到電場和電流防護作用，中間層隔熱氈為隔熱作用，內層蠶絲層增加衣服的穿著舒適性。

圖4 160℃耐熱屏蔽服衣料Fig.4 Materials for heat resistant shielding clothing at 160℃

屏蔽服衣料在160℃條件下隔熱性能試驗，試驗結果見圖5。

圖5 160℃隔熱試驗曲線Fig.5 Heat insulation test curve of 160℃

由試驗結果可知，隔熱屏蔽服160℃高溫下上升至45℃需要15 min，因此隔熱屏蔽服裝可以滿足短時接觸作業的需求。

2.2 耐高溫工具

由于帶電作業常用的絕緣工器具為樹脂基復合材料，其在高溫條件下容易老化，因此還需考慮高溫導線對帶電作業絕緣工具的影響。器具與高溫導線接觸后，絕緣工器具與高溫導線的接觸點位置會發生熱老化，接觸點附近5 cm以內的區域會受到溫度升高的影響。工器具局部溫度升高，對其整體電氣性能的影響可以忽略，主要對其機械性能影響較大。為了準確了解高溫對工器具性能的影響，采用高溫試驗箱及萬能試驗機，進行了30 min高溫老化后的機械性能試驗，試驗結果如表3所示。試驗用絕緣管為直徑30 mm，長度150 mm的玻璃纖維增強的環氧管，絕緣繩為直徑16 mm的蠶絲絕緣繩。

表3 絕緣工具在高溫條件下的機械性能Tab.3 Mechanical properties of insulating tools under high temperature

從表3的試驗數據中可以看出，絕緣管的機械強度在120℃時比常溫下降60%，160℃時比常溫下降95%。絕緣繩在120℃時比常溫下降37%，160℃時其強度比常溫時下降50%左右。圖6為160℃老化前后絕緣工具的對比圖，絕緣工具的外觀形態未發生明顯變化，但是其機械強度嚴重降低，不能達到使用要求。因此在單極大地運行方式下開展帶電作業，普通絕緣工具應避免直接接觸導線，或者采用耐高溫絕緣工具進行操作。

圖 6 160℃老化前后絕緣工具Fig.6 Insulation tools before and after aging at 160℃

為了滿足導線在高溫運行時開展帶電作業的需求，需要研制耐高溫的帶電作業工器具。耐高溫性能是指工器具在高溫的條件下仍能保持物理、機械等性能。

帶電作業硬質絕緣工器具是采用玻璃纖維增強樹脂的復合材料制成。玻璃纖維具有良好的耐高溫性能，因此，提高硬質絕緣工器具的耐高溫性能，主要是增加樹脂的耐高溫性能。其常見的樹脂主要是不飽和聚酯、酚醛、環氧、聚氨酯等，其中環氧樹脂和酚醛樹脂具有較高的絕緣性能，并且通過一定的改性，可以有效提高其耐高溫性能。但酚醛樹脂的強度要低于環氧樹脂，一般用于對機械強度要求不高的場合，帶電作業絕緣工具不僅需要有較好的電氣性能，還需要有較高的機械性能。綜合以上考慮，選擇改性的耐高溫環氧樹脂制作耐高溫硬質絕緣工具。

帶電作業軟質絕緣工器具是采用天然或合成纖維制成。阻燃纖維均具有良好的耐高溫性能，在消防、鋼鐵等行業多用于制成阻燃隔熱紡織品。如阻燃滌綸、阻燃腈綸、維綸和耐高溫的芳綸、酚醛纖維等。其中絕緣性能較高的主要由芳綸和酚醛纖維。從機械強度考慮，選擇芳綸纖維用于制作耐高溫軟質絕緣工具。

按照160℃高溫熱老化＞100 h后，在常溫下的破壞強度不低于熱老化前80%，選擇了合適的絕緣材料，研制了耐高溫硬質及軟質絕緣工器具。耐高溫硬質絕緣工器具采用耐高溫環氧樹脂樹脂和無堿玻璃纖維制成；耐高溫絕緣繩索采用耐高溫絕緣芳綸纖維制成。對耐高溫絕緣工具高溫條件下的機械性能進行了測試，耐高溫絕緣工具的尺寸與表3中測試的常規絕緣工具一致，老化時間100 h，試驗數據如表4所示。

表4 耐高溫絕緣工具在高溫條件下的機械性能Tab.4 Mechanical properties of heat resistant insulating tools under high temperature

可以看到，耐高溫絕緣管160℃老化條件下的軸向破壞強度為常溫下軸向破壞強度的80.4%，耐高溫絕緣繩索160℃老化條件下的斷裂強度為常溫下斷裂強度的81.9%，均符合預期要求，耐熱性相比常規絕緣工具有較大改善，能滿足作業要求。

3 結論

（1）接地極線路帶電作業時的人體體表電場強度小于240 kV/m，作業人員無需對電場進行防護。

（2）當接地極線路處于單極大地運行方式時，導線最大溫度可達120℃。作業人員和絕緣工具應避免直接接觸高溫導線，并采用相應的隔熱措施。

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