一种特高压紧凑型线路带电作业人员体表电场仿真计算方法

作者：张毅    

      目前对于500kV紧凑型线路带电作业，国内已积累了丰富的经验．对于1000 kV交流输电线路带电作业，国内也已开展了单同和同塔双回线路的安全距离试验，并测量了作业人员体表场强，研究了相应的安全防护措施。1 000 kV紧凑型线路由于其三相导线布置紧凑、相间无接地构件，运行时塔窗内电场分布将更不均匀。当作业人员进行带电作业时．其体表场强分布特性与常规线路不同，强电场可能导致人体感觉不适，给作业人员带来安全隐患。为保证带电作业安全进行，必须针对紧凑型线路，研究作业人员体表场强分布特性，明确作业过程中的安全防护要求。

    本文根据1 000 kV特高压交流紧凑型线路参数建立了三维静电场有限元模型，首先分别计算上相导线和下相导线加载高电位情况下塔窗内电场．然后计算地电位和等电位工况下不同典型作业位置作业人员的体表场强，分析并总结了体表场强分布特点和变化规律，明确带电作业安全防护措施。研究成果可为中国特高压紧凑型线路安全开展带电作业提供相应的技术支持。

1  1000 kV紧凑型直线塔塔窗电场仿真

1.1 1000 kV紧凑型直线塔参数及模型

    按1 000 kV特高压交流紧凑型线路设计参数，采用酒杯型塔。导线型号为LGJ-500/35，三相导线倒三角形排列，相间距14.9 m.采用十分裂导线．分裂间距400 mm，子导线直径30 mni三相复合绝缘子均采用单V串配置方式．上相V串绝缘子夹角为90°，下相、一串绝缘子夹角为135°,伞裙布置为小、中、小、大，结构高度为9 m.绝缘距离为8 630 mm：建立特高压交_紧凑型线路三维静电场有限元模型，包括杆塔、复合绝缘子、相导线、均压环、联板和其他连接金具等。仿真模型如图1所示

1.2紧凑型直线塔塔窗电场分布

    图2和图3分别为下相加载高电位时的电位和电场分布云图。

    由图3可以看出，对下相导线加载高电位时．下相导线附近场强较大，场强最大值出现在下相均压环表面处，最大值为2 280 kV/m。下相导线正下方塔窗处场强较小，约为89 kV/m：塔窗上距离下相导线水平方向下方5m处场强较大．约为231  kV/m：塔窗上与导线等高处场强约为160kV/m：塔窗上距离下相导线水平方向上方3m处靠近绝缘子悬挂点，场强也较小，约为90 kV/m。

    图4和图5分别为上相加载高电位时的电位和电场分布云图。

    由图5可以看出，当对上相导线加载高电位时，场强最大值同样出现在均压环表面处．最大值为2 139 kV/m。塔窗上距离上相导线水平方向下方4m和上方2m处的场强约为200 kV/m,大于导线水平处的场强。导线正上方塔窗附近的场强约为133 kV/m。

2带电作业人员体表场强仿真计算

2.1  地电位工况仿真

    由塔窗电场计算结果可知相导线正上方和正下方处．以及导线水平方向上下2~5 m处的场强较大，因此在杆塔上选取8个典型地电位作业位置，作业位置示意如图6所示。

    各位置说明如下。位置1：人站立于杆塔上，位于下相导线正下方：位置2：人站立于杆塔上，距离下相导线等高处下方5 m;位置3：人站立于杆塔上，和下相导线等高：位置4：人站立于杆塔上．距离下相导线等高处上方3 m;位置5：人站立于杆塔上．距离上相导线等高处下方4 m;位置6：人站立于杆塔上，和上相导线等高；位置7：人站立于杆塔上，距离上相导线等高处上方2 m;位置8：人站立于横担上，位于上相导线正上方。

    计算体表电场时，人体采用站立姿势：对于位置2~7．人体手臂向两侧伸出。以地电位位置1和位置3为例，给出地电位作业人员体表场强分布云图，如图7所示一地电位计算结果如表1所示。

    根据地电位计算结果可总结出以下规律：

    (1)在登塔过程中，作业人员在与相导线距离最近的位置处场强较大，如位置2、5、 7。且在登塔过程中，作业人员身体某些部位的场强已经超过了240 kV/m。

    (2)当作业人员处于杆塔构架里时．如位置8．由于杆塔的屏蔽效应使得此时作业人员体表场强较小。

    (3)在登塔过程中，作业人员头顶和手尖等部位场强较大，头顶最大场强为325 kV/m;手尖最大场强为947 kV/m（作业人员位于位置6，且手伸出杆塔构架）在无作业人员时，位置6附近的电场其实较小，但因作业人员手伸出构架，使场强出现明显的畸变，导致手尖场强较大。因此，在登塔过程中，作业人员不宜将头、手等部位伸出杆塔构架。

2.2等电位工况仿真

    分别计算作业人员位于上相导线和下相导线等电位的情况，作业人员双脚站立在十分裂导线的2根下子导线上，手臂向两侧伸出。分别计算作业人员从塔窗内向档中走出Om、Sm、10 m和15 m时的体表场强．等电位作业位置示意如图8所示。以上相导线沿导线相档中走出0m为例，给出等电位作业人员体表场强分布云图如图9所示。上相和下相等电位计算结果如表2和表3所示。

    从等电位的计算结果可总结出以下规律。

    (1)等电位作业时作业人员体表场强最大。由于作业人员头、手等部位曲率半径较小．且在分裂导线外，从而引起其周围空间场强畸变使得这些部位场强较大，其中作业人员手尖场强最大．而作业人员处于分裂导线内的部位由于导线的屏蔽作用，场强反而很小，其巾作业人员腹部场强最小，仅为90～180 kV/m。

    (2)随着作业人员从塔窗向档中走出距离的变化，作业人员体表场强也在变化。作业人员向档中走出Om时，作业人员周围有联板．均压环和其他金具等金属物体，对人体电场有较大影响．因此作业人员体表场强小于作业人员向档中走出5m、10 m和15 m的工况，此时场强最大值为2 900 kV/m。

    (3)从作业人员向档中走出5m处开始．随着作业人员向档中走出距离的增加，作业人员体表场强略有下降，但最大值均在2 800 kV/m以上。

    (4)作业人员在下相进行作业时，由于受上相两相导线的影响，其手尖和头顶等部位的场强略大于上相．而胸腹部的场强计算结果相差不大。

3紧凑型线路与单回、双回线路的比较

    国网电力科学研究院对1 000 kV交流单回和同塔双回线路带电作业人员体表场强进行了测量，测量结果显示：地电位作业时，场强最大值一般出现在头顶和手尖等部位。在登塔过程中．对于单回线路，作业人员手尖最大场强为302.7 kV/m,头顶最大场强为265.5 kV/m;对于双回线路．头顶最大场强为338 kV/m,其他部位最大场强为257 kV/m。特高压交流单回和双回线路上地电位作业人员场强最大值均出现在作业人员与相导线等高的位置。而对于紧凑型线路，登塔过程中作业人员头顶最大场强为325 kV/m，手尖最大场强为947 kV/m（此时作业人员手尖伸出塔窗）。体表场强最大值并不出现在与相导线等高处．而是出现在上相导线水平方向上方2m和下方4m左右的位置，且紧凑型线路登塔过程中作业人员体表场强高于单回和双回线路。

    在等电位带电作业时作业人员体表场强最大。根据国网电力科学研究院对等电位作业人员体表场强的测量结果，绘制了1 000 kV单回、双回和紧凑型线路等电位作业人员体表场强对比如图10所示。

    等电位作业时，单回线路作业人员体表场强最大值为2  164 kV/m：双回线路作业人员体表场强最大值为2 298 kV/m;紧凑型线路作业人员体表场强最大值为2 924 kV/m。与单回和双回线路等电位测量结果相比，紧凑型线路计算结果明显高于单回和双回线路实测值。尤其作业人员手尖处的场强明显高于单回路和双回路，原因是紧凑型线路三相导线相间距较小，作业人员对空问电场的畸变作用更强。但在上相导线作业时作业人员头顶场强低于单回路和双回路，在下相导线作业时头顶场强高于单回路和双回路，原因是在下相导线作业时作业人员同时受到上相两相导线的影响，尖端效应更明显。对于1 000 kV紧凑型输电线路，等电位作业人员体表场强最大值分布在头顶、手尖等曲率半径小的部位；作业人员脚尖处的曲率半径虽然也较小，但由于脚部处于分裂导线之内，受到导线的屏蔽作用而使得脚尖处的场强较小：作业人员胸部场强也因受到导线屏蔽作用而较小。整体比较发现，紧凑型线路等电位作业人员的体表场强分布规律与单回和双回线路基本一致。

4带电作业人员的安全防护

    对于交流电场中人体感受，国内外均进行了大量的研究。一般认为，人体可感知的交流均匀电场强度为10～15 kV/m，刺痛的电场强度为30~40 kV/m：由于人体进入电场中会造成局部电场畸变，人体各部位体表场强不同，尖端部位局部场强更大。根据试验，人体表面皮肤感知的交流场强为240 kV/m,低于此值则无不良反应一而作业人员身穿屏蔽服能有效降低人体表面场强大小

    GB/T 6568-2008《带电作业用屏蔽服装》国家标准规定，整套屏蔽服在规定的使用电压等级下．衣服内的体表场强不得大于15 kV/m,人体外露部位的体表局部场强不得大于240 kV/m

    屏蔽效率是衡量屏蔽服性能的一项相对指标，是屏蔽前后接收极上的电压比值，可表示为

式中：SE为屏蔽效率．dB;Umf为基准电压，V;U为屏蔽之后的电压值，V。

    按照计算公式，若采用60 dB的屏蔽服，则服内场强约为服外场强的1／1 000，而1 000 kV紧凑型线路等电位作业人员体表场强最大值约为2 950 kV/m,采用60 dB的屏蔽服，理论上服内场强不超过3 kV/m，能满足带电作业的要求。

    依照标准并根据仿真计算结果，在1 000 kV交流紧凑型线路带电作业过程中，作业人员应注意以下几点：

    (1)根据计算结果，屏蔽效率为60 dB的屏蔽服可以满足紧凑型线路带电作业要求，屏蔽服内部场强不会超过15 kV/m。因此，等电位作业人员应穿戴全套屏蔽服，其屏蔽效率不低于60 dB。

    (2)为减小人体裸露面积，屏蔽服采用帽子、上衣和裤子连成一体的式样，并在面部加装屏蔽效率为20 dB的屏蔽面罩。

    (3)在地电位作业过程中，作业人员位于塔窗上距离相导线等高处上下2~5 m处需特别注意，作业时应尽量避免将头、手等部位伸出杆塔构架。

    (4)在等电位作业过程中，作业人员不宜将手伸出导线，且应尽量使身体各部位处于分裂导线之内。

5结论

    本文通过模拟计算和分析，得出如下结论。

    (1)根据1 000 kV特高压交流紧凑型直线塔的计算结果，不同工况下作业人员体表场强分布规律不同，等电位工况下作业人员体表场强最大。

    (2)在不同工况下，作业人员体表场强最大值总是分布在头顶、手尖等曲率半径较小的部位，而胸腹部场强一般较小。

    (3)相比于1 000 kV交流单回和同塔双回输电线路．紧凑型线路带电作业人员体表场强值更高，但人体场强分布规律基本相同。

    (4)屏蔽效率为60 dB的屏蔽服可以满足1 000 kV特高压交流紧凑型线路带电作业的安全

要求，屏蔽服内部场强不会超过15 kV/m。因此，等电位作业人员应穿戴屏蔽效率不低于60 dB的屏蔽服。

6摘  要：1000 kV特高压交流紧凑型线路三相导线布置紧凑且相间无接地构件，使得带电作业电场环境更为严峻．为确保线路建成后带电检修工作的安全开展，采用有限元法仿真计算了特高压交流紧凑型线路典型工况下不同作业位置的带电作业人员体表电场，分析了作业人员的体表场强分布特点和变化规律，提出了相应的安全防护措施．计算结果表明，在带电作业过程中作业人员头部和手尖等曲率半径较小的部位场强较大，在等电位工况下其体表场强最大，作业人员穿戴屏蔽效率为60 dB的特高压带电作业屏蔽服可满足安全要求研究成果可为中国1000 kV特高压交流紧凑型线路带电作业的安全开展提供技术依据。