趙亞光，楊金波，王韌，吳盛，劉沖，青言，馬啟林，王紅彬

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司普洱供電局，云南 普洱 665000；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677704）

0 前言

送電線(xiàn)路附近存在工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)，由此引起靜電效應(yīng)和電磁影響。當(dāng)世界上出現(xiàn)500 kV及以上電壓的超高壓送電線(xiàn)路后，靜電效應(yīng)已成為人們關(guān)注的問(wèn)題。隨著送電線(xiàn)路電壓等級(jí)的提高，靜電效應(yīng)變得越來(lái)越突出。由于輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)電流不斷變化，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)遇到導(dǎo)體，會(huì)感應(yīng)出電勢(shì)，這種產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的過(guò)程叫電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)在靠近電力線(xiàn)路和電氣設(shè)備附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的電壓稱(chēng)為感應(yīng)電壓[1-2]。當(dāng)人體在感應(yīng)電壓下與接地體在形成導(dǎo)電回路時(shí)會(huì)形成電流回路對(duì)人體造成傷害。隨著云南省經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)供電和居民用電量的增加，云南電網(wǎng)的網(wǎng)架架構(gòu)不斷擴(kuò)大，500 kV 輸電線(xiàn)路數(shù)量和長(zhǎng)度日益增加，由于受出線(xiàn)走廊、地形、地貌的限制，部分500 kV 輸電線(xiàn)路的設(shè)計(jì)和規(guī)劃沒(méi)有完全避開(kāi)居民區(qū)[3]，從而因感應(yīng)電引起人身觸電事故時(shí)有發(fā)生。本文基于對(duì)該測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，提出感應(yīng)電產(chǎn)生的機(jī)理及降低感應(yīng)電壓對(duì)人體危害的措施，對(duì)以后類(lèi)似問(wèn)題的發(fā)生和處理提供借鑒。

1 感應(yīng)電測(cè)試

1.1 感應(yīng)電壓測(cè)試方法

在被測(cè)物接地和不接地兩種情況下對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)試，以下為兩種測(cè)試方法：

測(cè)試方法1，被測(cè)物不接地時(shí)對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行測(cè)試，如圖1 所示[4]。

圖1 被測(cè)物體未接地時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

測(cè)試方法2：將被測(cè)物體采取接地措施時(shí)，測(cè)試被測(cè)物體在采取接地措施后感應(yīng)電壓的大小，如圖2 所示[4]。

圖2 被測(cè)物體接地時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

1.2 感應(yīng)電壓測(cè)量實(shí)例

一起500 kV 輸電線(xiàn)路感應(yīng)電測(cè)試：

某局一條500 kV 線(xiàn)路下方居民住房鐵皮屋頂有感應(yīng)電壓存在，為了核實(shí)感應(yīng)電壓的大小及產(chǎn)生原因，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

分別在住戶(hù)家的廚房頂、廚房灶臺(tái)、牛棚屋頂、一樓灶臺(tái)、二樓灶臺(tái)、三樓屋頂進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證改造效果。以下為具體測(cè)試結(jié)果分析：

1.2.1 廚房頂

1）廚房頂未接地時(shí)測(cè)得其感應(yīng)電壓最大幅值約為352.00 V，如圖3 所示。

圖3 廚房頂未接地時(shí)感應(yīng)電壓

2）廚房頂接地時(shí)測(cè)得其感應(yīng)電壓最大幅值為526.67 mV，如圖4 所示。

圖4 廚房頂接地時(shí)感應(yīng)電壓

圖3 和圖4 兩張圖均為DL850 錄波器測(cè)得廚房頂部接地和不接地時(shí)的波形圖，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這兩張圖均為正弦波形，且廚房頂不接地時(shí)的感應(yīng)電壓為接地時(shí)感應(yīng)電壓的669 倍。

1.2.2 廚房灶臺(tái)

1）經(jīng)測(cè)得廚房灶臺(tái)未接地時(shí)感應(yīng)電壓最大幅值為74.667 V。

圖5 廚房灶未接地時(shí)感應(yīng)電壓

2）經(jīng)測(cè)得廚房灶臺(tái)接地時(shí)感應(yīng)電壓最大幅值為5.5167 V。

圖6 廚房灶臺(tái)接地時(shí)的感應(yīng)電壓

從圖5 和圖6 可以看出感應(yīng)電壓均為正弦波，廚房灶臺(tái)不接地時(shí)的感應(yīng)電壓是接地時(shí)的14 倍。

1.2.3 牛棚屋頂

1）經(jīng)測(cè)得牛棚屋頂未接地時(shí)感應(yīng)電壓最大幅值為137.50 V。

圖7 牛棚未接地時(shí)的感應(yīng)電壓

2）經(jīng)測(cè)得牛棚屋頂接地時(shí)感應(yīng)電壓最大幅值為2.05 V。

圖8 牛棚屋頂接地時(shí)的感應(yīng)電壓

從圖7 和圖8 的數(shù)值可以計(jì)算出牛棚屋頂未接地時(shí)的感應(yīng)電壓是接地時(shí)感應(yīng)電壓的67 倍。

1.2.4 感應(yīng)電壓對(duì)比

因住房樓頂和灶臺(tái)是通過(guò)煙囪連接在一起的。將一樓灶臺(tái)、二樓灶臺(tái)和樓頂三個(gè)地方均不接地情況下和均接地情況下測(cè)得的感應(yīng)電壓進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：

1）一樓灶臺(tái)、二樓灶臺(tái)和樓頂均不接地時(shí)感應(yīng)電壓最大幅值大于1.0 kV，如圖9 所示。

圖9 一樓灶臺(tái)、二樓灶臺(tái)和樓頂均不接地時(shí)感應(yīng)電壓

2）一樓灶臺(tái)接地時(shí)感應(yīng)電壓最大幅值為2.12 V，如圖10 所示。

圖10 一樓灶臺(tái)接地時(shí)感應(yīng)電壓

3）二樓灶臺(tái)接地時(shí)感應(yīng)電壓最大幅值為2.0533 V，如圖11 所示。

圖11 二樓灶臺(tái)接地時(shí)感應(yīng)電壓

4）三樓頂接地時(shí)感應(yīng)電壓最大幅值為3.1 V，如圖12 所示。

圖12 三樓頂接地時(shí)感應(yīng)電壓

由于一樓灶臺(tái)、二樓灶臺(tái)、三樓灶臺(tái)為居民住房離感應(yīng)電最近的地方，且三層樓通過(guò)一根貫穿于房屋內(nèi)的烤爐金屬煙囪連接在一起，當(dāng)三者不接地時(shí)感應(yīng)電壓屬于等電位狀態(tài)，從DL850 錄波器所得波形圖上可以讀出一樓灶臺(tái)、二樓灶臺(tái)、三樓灶臺(tái)不接地時(shí)的感應(yīng)電壓大于1.0 kV。當(dāng)一樓灶臺(tái)、二樓灶臺(tái)、三樓灶臺(tái)分別接地時(shí)采用DL850 錄波器測(cè)得的波形圖中可以讀出感應(yīng)電壓分別為2.12 V、2.0533 V 和3.1 V，均比較小，將測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得出一樓灶臺(tái)、二樓灶臺(tái)、三樓灶臺(tái)不接地時(shí)的感應(yīng)電壓至少為接地時(shí)最大感應(yīng)電壓的323 倍。從數(shù)據(jù)上可以看出，通過(guò)接地可以大大降低居民住房感應(yīng)電壓的大小。

圖13 測(cè)居民住房各處感應(yīng)電大小柱狀圖（單位：mV）

圖13 可以看出感應(yīng)電壓下降了1000 V，良好的接地可以極大程度降低感應(yīng)電壓。

圖13 可以看出鐵皮屋頂和導(dǎo)線(xiàn)視為儲(chǔ)能電容，如果將1000 V 的交變電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔冸娏鞑⒗秒姵貎?chǔ)存起來(lái)并通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換可以為居民提供源源不斷的電能。

圖13 可以看出加裝接地線(xiàn)可以降低感應(yīng)電壓，但是感應(yīng)電壓依然存在，為了更好的降低感應(yīng)電壓可以在房屋周?chē)裨O(shè)接地網(wǎng)。

1.2.5 感應(yīng)電壓結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。住戶(hù)家的廚房頂、廚房灶臺(tái)、牛棚屋頂、一樓灶臺(tái)、二樓灶臺(tái)、三樓屋頂在接地時(shí)的感應(yīng)電壓均小于不接地時(shí)的感應(yīng)電壓。在未裝設(shè)接地線(xiàn)時(shí)感應(yīng)電壓均大于33 V，不符合參考文獻(xiàn)[5]的要求，在裝設(shè)完接地線(xiàn)后感應(yīng)電壓均小于33 V，符合參考文獻(xiàn)[5]的要求。證明接地線(xiàn)的安裝對(duì)降低感應(yīng)電的效果突出[5]。

從圖中得出，離導(dǎo)線(xiàn)越近感應(yīng)電壓越大，在沒(méi)有接地情況下最大值大于1000 V，人體一般電阻為1000 Ω，流經(jīng)人體的電流為：

人體承受的最大電流為50 mA，這個(gè)電流至少為人體可承受電流的20 倍，會(huì)造成人身觸電傷亡事故的發(fā)生[6-7]。

2 感應(yīng)電壓檢測(cè)結(jié)果

本次測(cè)量使用高精度的DL850 示波器對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，改造后500 kV 建太甲線(xiàn)#47 桿塔下被測(cè)部位的感應(yīng)電壓已經(jīng)降至5.5167 V，改造效果良好。參考文獻(xiàn)[5]規(guī)定，在干燥條件下人體感知電壓下限值為33 V，潮濕條件下感知電壓下限值為16 V，經(jīng)本次改造后，居民住房及附近物體上檢測(cè)出的感應(yīng)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)程規(guī)定的數(shù)值，所以居民在生活中觸碰物體時(shí)，理論上不會(huì)出現(xiàn)麻電現(xiàn)象。

3 電磁場(chǎng)測(cè)試

以500 kV 建太甲線(xiàn)047 號(hào)塔下方距塔兩米處為監(jiān)測(cè)原點(diǎn)，沿塔基至村民房屋最近方向分別在2 m、3 m、4 m、5 m、7 m、9 m、14 m、19 m 處設(shè)置8 個(gè)監(jiān)測(cè)電，在村民家院子、廚房、一樓、二樓、三樓各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)用NBM550 工頻電磁場(chǎng)測(cè)試儀在接地網(wǎng)運(yùn)行和斷開(kāi)兩種情況下分別對(duì)工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)試結(jié)果如下：

圖14 測(cè)距離桿塔遠(yuǎn)方無(wú)接地時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度柱狀圖

從圖14 可以發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度在無(wú)接地的情況下對(duì)著與桿塔距離的距離增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖15 測(cè)距離桿塔遠(yuǎn)方接地時(shí)感應(yīng)電壓柱狀圖

從圖15 可以發(fā)現(xiàn)離桿塔的增大磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與圖14 相比居民住房三樓磁感應(yīng)強(qiáng)度在接地的情況下略微下降。

圖16 測(cè)距離桿塔遠(yuǎn)方無(wú)接地時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度柱狀圖

從圖16 可以發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度隨著與桿塔距離增大呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，在居民住房三樓不接地的情況下達(dá)到最大為1.005 kV/m。

圖17 測(cè)距離桿塔遠(yuǎn)方接地時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度柱狀圖

從圖17 可以發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度隨著與桿塔距離增大呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，這些數(shù)值與圖16 無(wú)差距在接地的情況下居民住房三樓與離桿塔最近的14 m 和19 m 處的電場(chǎng)強(qiáng)度確有明顯下降。

經(jīng)測(cè)量最大電場(chǎng)為1.005 kV/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3625 μT，未超過(guò)規(guī)程規(guī)定值。結(jié)合感應(yīng)電壓柱狀圖與電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度柱狀圖發(fā)現(xiàn)：在不接地情況下感應(yīng)電壓最大處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，而磁感應(yīng)強(qiáng)度卻不是最大；在接地情況下感應(yīng)電壓降低，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度同樣降低，但是電場(chǎng)強(qiáng)度降低程度更大。綜合以上結(jié)論可以得出居民住房屋頂感應(yīng)電壓主要由旁邊經(jīng)過(guò)的500 kV 超高壓輸電線(xiàn)路產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)引起的，但是電場(chǎng)引起的成分更高些，也就是前言中提到的500 kV 輸電線(xiàn)路對(duì)附近導(dǎo)體感應(yīng)電壓的靜電效應(yīng)主要是由導(dǎo)線(xiàn)電流產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度引起的。為了降低感應(yīng)電壓應(yīng)該從鐵皮屋頂周?chē)碾妶?chǎng)采取措施。針對(duì)降低電場(chǎng)強(qiáng)度加裝屏蔽措施。即在居民住房加裝金屬網(wǎng)，將輻射到房屋的電場(chǎng)屏蔽掉，屏蔽網(wǎng)感應(yīng)的電壓可以通過(guò)引下線(xiàn)接地或與電能收集裝置相連形成儲(chǔ)能電源，實(shí)現(xiàn)能源的回收再利用。

3.1 感應(yīng)電壓測(cè)試原因分析

房屋結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線(xiàn)關(guān)系分析：居民房屋采用鐵皮屋頂，與導(dǎo)線(xiàn)距離十幾米，這樣鐵皮屋頂和導(dǎo)線(xiàn)的關(guān)系相當(dāng)于一個(gè)棒- 板結(jié)構(gòu)的不均勻充放電電容器模型，相當(dāng)于一個(gè)大的儲(chǔ)能元件，不斷進(jìn)行儲(chǔ)能，能量得不到存儲(chǔ)，但是能量一直在。電容器極板也就是鐵皮屋頂上面有大量的電荷使得鐵皮屋頂?shù)碾娢桓哂诘仉娢?。?jù)有關(guān)資料證明，人體觸電是工頻電流的問(wèn)題，這個(gè)放電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體可承受的電壓，這樣人體就有觸電身亡的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)存在一個(gè)接地裝置時(shí)，電容器上的能量就會(huì)對(duì)地釋放。從而鐵皮金屬屋頂形成感應(yīng)電壓，由于屋頂未接地，當(dāng)人接觸到鐵皮屋頂時(shí)就會(huì)發(fā)生觸電事故。

3.2 感應(yīng)電產(chǎn)生機(jī)理

由上圖可以得出以下模型，A、B、C 三相代表三根架空輸電線(xiàn)路，D 代表房屋頂部，E 代表接地體，C1、C2、C3 為A、B、C 三相導(dǎo)線(xiàn)對(duì)鐵皮屋頂?shù)碾娙?，C4 為房屋頂部對(duì)地面的電容。由于三相輸電線(xiàn)路對(duì)鐵皮屋頂有電容，鐵皮屋頂就會(huì)存在電位，當(dāng)居民觸摸到鐵皮屋頂?shù)臅r(shí)候就會(huì)通過(guò)人體對(duì)地進(jìn)行放電，人體就會(huì)有觸電的風(fēng)險(xiǎn)。鐵皮屋頂在導(dǎo)線(xiàn)之下，故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立導(dǎo)線(xiàn)-鐵皮屋頂模型[8]：

圖18 鐵皮屋頂未接地時(shí)的示意圖

圖19 鐵皮屋頂接地時(shí)的示意圖

圖20 鐵皮屋頂未接地時(shí)與導(dǎo)線(xiàn)的機(jī)理圖

圖21 鐵皮屋頂接地時(shí)與導(dǎo)線(xiàn)的機(jī)理圖

由上圖可知，存在電壓U1、U2、U3、U4。消除了鐵皮屋頂?shù)碾妷篣4，具體內(nèi)容如下：

當(dāng)鐵皮屋頂不接地時(shí)上圖中物體D 的電位和電荷Q關(guān)系的一般靜電方程式如下[1]：

當(dāng)鐵皮屋頂接地時(shí)，圖中物體D 的電位和電荷Q的關(guān)系的一般靜電方程式如下[1]：

房屋屋頂為帶電體，人站在絕緣體上發(fā)生觸電的示意圖如下圖所示[9]。

圖22 人站在絕緣體上觸碰鐵皮屋頂?shù)挠|電示意圖

沒(méi)有接地的鐵皮屋頂在電場(chǎng)中為懸浮電位的絕緣體，鐵皮屋頂對(duì)地存在著一個(gè)電位，當(dāng)人體接觸到的一瞬間，鐵皮屋頂就會(huì)對(duì)地面瞬間放電，人體會(huì)有電擊的感覺(jué)。由于暫態(tài)放電電流，經(jīng)大量測(cè)量表明總是非周期性的，它的變化可用具有波前很陡的雙指數(shù)脈沖表示[1]。

式中：Ri-絕緣物體固有的泄露電阻，Ω；R-人體的電阻，Ω；C0-絕緣物體的對(duì)地電容，F(xiàn)0

圖23 人站在絕緣體上觸碰鐵皮屋頂?shù)挠|電示意圖

人站在地面觸電示意圖如下圖所示[9]：當(dāng)人站在地面上人就會(huì)形成與地接觸的導(dǎo)體，這樣人體在感應(yīng)電壓下就會(huì)發(fā)生觸電。人體電阻為R，鐵皮上電壓為U 故流過(guò)人體的電流為：

3.3 感應(yīng)電防控措施

1）使用導(dǎo)電性良好的金屬導(dǎo)體將鐵皮屋頂進(jìn)行屏蔽并將房屋頂接地，這樣房屋頂部的電壓就會(huì)通過(guò)接地體流入大地[10]。

2）將屋頂?shù)碾娏饕聛?lái)連接蓄電池進(jìn)行充電，可以給用戶(hù)提供用電電源，蓄電池需要接地。

3）通過(guò)對(duì)感應(yīng)電產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，鐵皮屋頂在導(dǎo)線(xiàn)的電磁場(chǎng)環(huán)境下容易產(chǎn)生極大的電壓并且對(duì)人體容易造成觸電傷亡的危害，在這種情況下應(yīng)該將鐵皮屋頂換成其他非金屬類(lèi)屋頂，如絕緣漆處理的屋頂[11]。

4）通過(guò)COMSOL 仿真計(jì)算軟件建立通電導(dǎo)線(xiàn)周?chē)姶艌?chǎng)及電磁場(chǎng)通過(guò)鐵皮屋頂感應(yīng)產(chǎn)生電壓的動(dòng)態(tài)模型，確定導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)電流和導(dǎo)線(xiàn)與鐵皮屋頂之間的距離、鐵皮屋頂?shù)拿娣e的關(guān)系模型，這三者在不同參數(shù)下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小，為工程建設(shè)和居民住房建設(shè)提供參考依據(jù)。

5）輸電線(xiàn)路管理部門(mén)向鐵皮屋頂附近管理單位發(fā)放觸電相關(guān)知識(shí)，讓他們明白帶電體附近金屬部門(mén)感應(yīng)電最高電壓大于1.0 kV，容易引發(fā)觸電，讓居民做好安全防范意識(shí)[12]。

6）通過(guò)測(cè)量證實(shí)在接地良好的情況下現(xiàn)場(chǎng)存在的感應(yīng)電壓在規(guī)程允許范圍之內(nèi)，但在日常生活中依然會(huì)發(fā)生人身觸電事件，在此情況之下居民平時(shí)不要裸體接觸導(dǎo)電體。

7）在房屋周?chē)x擇核實(shí)地點(diǎn)埋設(shè)接地網(wǎng)，地網(wǎng)的大小可以自己決定，選用水平導(dǎo)體不小于25 平方毫米[7]的圓柱導(dǎo)體，垂直接地極不小于25 平方毫米[7]的接地網(wǎng)，接地網(wǎng)埋深不小于0.6 米[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)行感應(yīng)電壓、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證感應(yīng)電產(chǎn)生的原因，得出感應(yīng)電壓產(chǎn)生機(jī)理，提出人體觸電的方式。采取措施降低電場(chǎng)和磁場(chǎng)的大小來(lái)減小感應(yīng)電對(duì)人體的傷害。