±800 kV 同塔雙回線路帶電作業電場防護仿真分析

白劍鋒，張惺，溫智慧，趙蓉，高峰

(長沙電力職業技術學院，湖南 長沙410131)

0 引言

隨著直流輸電技術的快速發展, 我國目前已建成十余條特高壓直流輸電線路, ±800 kV 直流同塔雙回輸電線路可增大單位輸電走廊的輸送容量, 節省線路走廊和工程投資, 是解決線路通道問題的優選方案, 尤其在走廊特別緊張的經濟發達地區, 其優勢顯得更加突出[1-4]。由于±800 kV 直流線路對于供電的可靠性要求極高, 一般不存在停電作業的可能, 因此帶電作業是保障輸電線路可靠性運行的重要措施[5-8]。然而作業人員電場安全防護是帶電作業領域中十分重要的問題[9-10]。目前, 對于交流輸電線路帶電作業人員的安全防護, 我國經過多年的實踐已經具有豐富的經驗[11-12]。而對于直流輸電線路的研究我國仍處于完善階段, 特別是針對特高壓直流同塔多回輸電線路, 相關帶電作業問題仍在進一步深入研究之中[13-15]。

為了研究±800 kV 同塔雙回線路帶電作業人員的電場安全防護情況, 本文利用COMSOL 軟件建立±800 kV 直流同塔雙回線路和人體仿真模型, 計算分析不同位置作業人員的體表電場強度分布情況, 進而確定帶電作業人員安全防護措施。研究結果可為±800 kV 直流同塔雙回線路帶電作業電場安全防護提供參考。

1 線路桿塔空間電場強度仿真分析

選取±800 kV 直流同塔雙回輸電線路某一桿塔, 采用CAD 構建基本桿塔模型。由于桿塔結構過于復雜, 在仿真計算中對于計算機內存要求較高。為了方便分析又能夠準確地了解輸電線路桿塔空間電場強度情況, 本文研究中不考慮桿塔角鋼結構, 只考慮整個桿塔的外形。因而采用簡化的桿塔模型, 同時桿塔和地形在仿真中都做統一的接地處理。±800 kV 直流輸電線路一般都是六分裂導線,所以其可以采用等效半徑的方式進行建模, 以減少COMSOL 軟件拋分的計算量。

通過COMSOL 仿真得到桿塔空間電場分布情況, 如圖1 所示。通過圖1 可發現, 一是導線附近具有很高的場強, 那么對于在等電位作業的人員來說需要特別注意安全防范；其二是在地電位作業時, 有三處場強相對較高的地方, 分別為橫擔中部、橫擔端部以及桿塔中部靠近導線處。

圖1 桿塔空間電場強度分布情況

2 作業人員的場強仿真分析

2.1 人體的仿真模型

由于實際人體模型相對復雜, 無法進行詳細的分析計算, 為此通過構建簡化的人體模型用于實際的仿真計算分析。人體各部分的參數見表1。有研究表明人體的屬性與水最為接近, 因此在仿真計算中將人體模型用水作為仿真用的材料, 設置其介電常數為75, 其他參數項可以同水材料設置[2]。

表1 人體模型尺寸

2.2 地電位帶電作業

從桿塔電場強度仿真分析結果可知, 地電位作業中有三處電場強度相對較大, 為了分析在這三處帶電作業時的電場強度情況, 分別進行帶電作業人員在橫擔端部、橫擔中部和塔身中部的電場仿真。

表2 為地電位作業時人體的最大電場強度值,方式1 為帶電作業人員在橫擔端部；方式2 為帶電作業人員在橫擔中部；方式3 為帶電作業人員在塔身中部。由表2 可知方式1 的最大場強在腳部達到354.5 kV/m, 方式 2 的最大場強在手部達到104.6 kV/m, 方式 3 的最大場強在手部達到136.4 kV/m。圖2 為三種情況下的帶電作業人員體表電場分布情況。

表2 地電位作業時人體表面最大電場強度

圖2 地電位作業人體電場分布情況

2.3 等電位帶電作業

等電位作業是指帶電作業人員身體與導線同處在一個電位, 是一個等勢體。人體在分裂輸電導線中進行作業時存在四種方式, 如圖3 所示, 分別為帶電作業人員站立在導線上、匍匐在導線上、倚靠在導線上、坐在導線上。

圖3 等電位作業時的仿真圖

針對上述四種等電位作業方式進行仿真分析,結果如圖4 所示。表3 為仿真的數值結果, 方式A為站立在導線上, 方式B 為匍匐于導線上, 方式C為倚靠在導線上, 方式D 為坐在導線上。可知方式A 的最大場強在頭部達到1 314.3 kV/m, 方式B最大場強在手部達到114.6 kV/m, 方式C 最大場強在頭部達到1 967.7 kV/m, 方式D 最大場強在腳部達到1 949.2 kV/m。

圖4 帶電作業人在地電位作業的體表電場分布

表3 等電位作業的人體不同部位電場強度

3 帶電作業人員電場防護措施

3.1 電場防護理論

GB/T 6568—2008 《帶電作業用屏蔽服裝》 規定作業人員局部裸露部位最大場強要小于240 kV/m, 屏蔽服內最大場強要小于15 kV/m。人體對不同強場的敏感程度見表4[16]。對于直流電場而言, 人體的敏感性要小于交流電場。

表4 人體對不同強場的敏感程度

屏蔽服的屏蔽效率是衡量屏蔽服性能的一項重要指標, 屏蔽效率η計算方式如下[17]:

式中,Ew為屏蔽服外電場場強, 單位kV/m；Er為屏蔽服內電場場強, 單位kV/m。

3.2 地電位作業防護分析

地電位帶電作業時, 人員體表場強最大值為354.5 kV/m, 要使屏蔽服內電場小于15 kV/m, 則要求屏蔽服的屏蔽效率ηgw滿足:

帶電作業人員需要穿著屏蔽效率大于27.5 dB的屏蔽服。

地電位作業時, 面部最大場強為90.6 kV/m,小于局部裸露部位最大場強值240 kV/m, 因此不穿戴面罩也可滿足要求。

3.3 等電位作業防護分析

等電位帶電作業人員的體表場強可以達到1 967.7 kV/m, 要使屏蔽服內電場小于15 kV/m,那么屏蔽服的屏蔽效率ηew滿足:

即帶電作業人員需要穿屏蔽效率大于42.3 dB的屏蔽服。

等電位作業時, 面部最大場強為895.6 kV/m,要滿足局部裸露部位最大場強值小于240 kV/m 的要求, 那么佩戴的面罩屏蔽效率ηem滿足:

即帶電作業人員需在面部佩戴屏蔽效率大于11.4 dB 的屏蔽罩, 方滿足要求。

4 總結

本文針對±800 kV 直流同塔雙回輸電線路, 開展了等電位作業, 地電位作業的電場防護仿真分析, 具體結論如下:

1) 地電位作業時, 需要穿著屏蔽效率大于27.5 dB 的屏蔽服, 方能滿足要求；

2) 在等電位作業時, 需穿著屏蔽效率大于42.3 dB 的屏蔽服, 并且在面部佩戴屏蔽效率大于11.4 dB 的屏蔽罩, 方能滿足要求；

3) 在帶電作業時要減小手腳的動作幅度, 避免造成電場畸變、增加作業風險。