王磊，唐盼，楊芳，謝龍光

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510600；2.電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國電力科學(xué)研究院武漢分院，武漢 430074；3. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局，廣東 清遠(yuǎn)511538)

0 引言

35 kV線路屬于我國配電線路中一個(gè)重要的部分，具有比10 kV配電線路輸送容量大和線路損耗小等特點(diǎn)，是我國城市近郊及農(nóng)村供電網(wǎng)重要的電壓等級(jí)。35 kV線路具有線路長(zhǎng)、運(yùn)行環(huán)境差的特點(diǎn)，對(duì)其采用帶電作業(yè)的方式進(jìn)行運(yùn)維檢修作業(yè)，可以有效提高供電可靠性[1 - 4]。由于35 kV線路的桿塔結(jié)構(gòu)和電壓等級(jí)處于配電和輸電線路之間，傳統(tǒng)帶電作業(yè)方法一般采用等電位作業(yè)法，作業(yè)人員需要穿戴屏蔽服裝進(jìn)行電場(chǎng)防護(hù)[5]。近年來，部分單位沿用10 kV線路帶電作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，在35 kV線路上嘗試使用絕緣手套作業(yè)法。因此35 kV線路帶電作業(yè)人員是否需要對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行防護(hù)成為一個(gè)具有爭(zhēng)議的話題[6]。

在35 kV線路帶電作業(yè)技術(shù)方面，內(nèi)蒙古巴彥淖爾電業(yè)局曹國文從工具設(shè)計(jì)上改良，研制符合橫擔(dān)安裝和操作的專用卡具，利用間接帶電作業(yè)方式對(duì)損傷、臟污絕緣子進(jìn)行更換處理[7]。天津城東供電公司黃旭以中間電位作業(yè)法帶電更換35 kV輸電線路絕緣子項(xiàng)目為例進(jìn)行了具體的實(shí)例研究,分析了項(xiàng)目實(shí)施的主要難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，指出了項(xiàng)目實(shí)施時(shí)絕緣安全工器具要求及具體作業(yè)步驟流程[8]。云南紅河供電局楊偉輝研究開發(fā)的35 kV帶電作業(yè)絕緣手套、絕緣服和絕緣毯等防護(hù)用具和遮蔽用具將35 kV帶電作業(yè)絕緣防護(hù)及絕緣遮蔽用具統(tǒng)一顏色為紅色，方便不同電壓等級(jí)遮蔽用具的區(qū)分[9]。雖然該領(lǐng)域的研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但主要集中于作業(yè)方式和工器具方面，對(duì)于35 kV線路帶電作業(yè)電場(chǎng)防護(hù)并未開展研究[10]。

本文采用有限元仿真軟件對(duì)35 kV線路單回和雙回鐵塔開展帶電作業(yè)時(shí)的桿塔和人體周圍電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)合輸電線路帶電作業(yè)的電場(chǎng)防護(hù)的要求，研究了35 kV線路帶電作業(yè)的電場(chǎng)防護(hù)方法，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全開展。

1 35 kV單回直線塔電場(chǎng)仿真

1.1 35 kV單回直線塔參數(shù)及模型

典型35 kV單回直線塔采用上字型鐵塔設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-150/25，三相導(dǎo)線呈倒三角排列，相間距離為3.4 m，橫擔(dān)長(zhǎng)度為1.8 m，采用3片玻璃絕緣子，絕緣距離為1 m。線路的最高工作電壓為40.5 kV。

采用三維有限元計(jì)算方法，計(jì)算點(diǎn)根據(jù)作業(yè)人員進(jìn)入作業(yè)位置一般路徑、桿塔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)進(jìn)行選取。首先在地面選取若干典型的地電位測(cè)試點(diǎn)，再當(dāng)作業(yè)人員攀登到離開地面一定高度時(shí)選取塔身地電位測(cè)試點(diǎn)，以及考慮到絕緣子串支撐處是帶電作業(yè)人員在塔上的經(jīng)常工作位置，故選擇絕緣子串支撐點(diǎn)處為計(jì)算點(diǎn)，為了從嚴(yán)考慮，還將直線絕緣子導(dǎo)線側(cè)等電位作業(yè)處作為計(jì)算點(diǎn)，校核其作業(yè)安全性。35 kV單回直線塔塔身的各電場(chǎng)計(jì)算點(diǎn)的位置如圖1所示，說明見表1?？紤]到35 kV線路作業(yè)帶電作業(yè)人員常常站立于橫擔(dān)、塔身或絕緣平臺(tái)上開展操作，人體體表電場(chǎng)的最大值一般出現(xiàn)在頭部、手部、腳部等尖端處，因此設(shè)置等電位和地電位作業(yè)人員的人體模型如圖2所示，主要參數(shù)見表2。

表1 桿塔表面測(cè)量點(diǎn)Tab.1 Tower surface measurement points

圖2 等電位和地電位作業(yè)人員人體模型Fig.2 Human body model of equipotential and earth potential personnel

表2 人體模型尺寸Tab.2 Model size of human body

由于人體結(jié)構(gòu)相對(duì)于桿塔來說很小，要想一次性求解并得到較理想的結(jié)果則必然對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求特別高，故采用子域法建立子模型對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行精細(xì)控制以得到較好的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)減輕計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的依賴。人體剖分時(shí)所用網(wǎng)格多達(dá)30萬，必然消耗大量?jī)?nèi)存、減慢計(jì)算速度，故將人體作為導(dǎo)體不予剖分，僅剖分人體外表面，節(jié)點(diǎn)達(dá)3萬，大大節(jié)省單元。

1.2 35 kV單回直線塔表面電場(chǎng)分布

在塔上無人作業(yè)條件下，單回直線鐵塔和導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖3所示。

圖3 35 kV單回線路導(dǎo)線截面和塔桿電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.3 Distribution of electric field strength of conductor section and tower pole of 35 kV single circuit line

35 kV單回線路在逆時(shí)針正序加載的運(yùn)行方式下，將圖3中各計(jì)算點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算值列于下表3中。其中導(dǎo)線表面由于其曲率較大，電場(chǎng)尖端效應(yīng)更加明顯，此時(shí)三相導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大于240 kV/m，因此針對(duì)這幾處典型作業(yè)位置的人體體表電場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析。

表3 各計(jì)算點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算值Tab.3 Calculation values of electric field strength at each calculation point

1.3 作業(yè)人員在不同位置的體表電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)

根據(jù)帶電作業(yè)時(shí)作業(yè)人員在塔桿和導(dǎo)線間的4個(gè)典型位置，選取測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，分別為：位置1：人在上相導(dǎo)線上方橫擔(dān)處。位置2：人在上相導(dǎo)線等電位處。位置3：人在下相導(dǎo)線上方橫擔(dān)處。位置4：人在下相導(dǎo)線等電位處?？紤]到塔桿上相導(dǎo)線在左側(cè)，由上文塔身電場(chǎng)計(jì)算可知，塔桿下相左側(cè)方向的場(chǎng)強(qiáng)較右側(cè)強(qiáng)，故人在下相的兩種工況位置3和位置4，應(yīng)選取人在左側(cè)下相計(jì)算較好。

1.3.1 左側(cè)上方橫擔(dān)上方作業(yè)時(shí)人體體表電場(chǎng)

處于位置1的地電位作業(yè)人員體表電場(chǎng)分布如圖4所示，不同身體部位的電場(chǎng)最大值見表4。

圖4 位置1地電位人員的體表電場(chǎng)Fig.4 Electric field of human body surface at position 1

表4 位置1人體表面不同部位電場(chǎng)強(qiáng)度最大值Tab.4 Maximum electric field intensities of human body at position 1

由計(jì)算結(jié)果可知：由于人距離導(dǎo)線較遠(yuǎn)，表面場(chǎng)強(qiáng)不大，場(chǎng)強(qiáng)最大處出現(xiàn)在人體最靠近導(dǎo)線的腳部，人體遠(yuǎn)離導(dǎo)線的軀干和頭部場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較小。人的頸部由于胸部和頭部的屏蔽作用，場(chǎng)強(qiáng)明顯減少。

1.3.2 上相導(dǎo)線等電位處人體體表電場(chǎng)

處于位置2的等電位作業(yè)人員體表電場(chǎng)分布如圖5所示，不同身體部位的電場(chǎng)最大值見表5。

由計(jì)算結(jié)果可知：場(chǎng)強(qiáng)最大處出現(xiàn)在人體靠近導(dǎo)線的軀干下部，人體靠近導(dǎo)線的軀干上部分及頭部場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較小。雖然導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度較大，但人位于導(dǎo)線表面時(shí)，人體體表電場(chǎng)大幅下降，最大值只有24 kV/m。

圖5 位置2等電位人員的體表電場(chǎng)Fig.5 Electric field of equitential human body at position 2

表5 位置2人體表面不同部位電場(chǎng)強(qiáng)度最大值Tab.5 Maximum electric field intensities of human body at position 2

1.3.3 下相導(dǎo)線上方橫擔(dān)處人體體表電場(chǎng)

處于位置3的地電位作業(yè)人員體表電場(chǎng)分布如圖6所示，不同身體部位的電場(chǎng)最大值見表6。

圖6 位置3地電位人員的體表電場(chǎng)Fig.6 Electric fields of different parts of human body at position 3

由計(jì)算結(jié)果可知：場(chǎng)強(qiáng)最大處出現(xiàn)在靠近導(dǎo)線的手臂處，人體軀干和頭部離導(dǎo)線距離較遠(yuǎn)處場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較小。

由計(jì)算結(jié)果可知：場(chǎng)強(qiáng)最大處出現(xiàn)在人體靠近上相導(dǎo)線的手部，人體軀干遠(yuǎn)離導(dǎo)線處及腳部場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較小。

表6 位置3人體表面不同部位電場(chǎng)最大值Tab.6 Maximum electric field intensities of human body at position 3

1.3.4 下相導(dǎo)線等電位處人體體表電場(chǎng)

處于位置4的等電位作業(yè)人員體表電場(chǎng)分布如圖7所示，不同身體部位的電場(chǎng)最大值見表7。

圖7 位置4人體表面不同部位電場(chǎng)分布Fig.7 Electric fields of different parts of human body at position 4

表7 位置4人體表面不同部位電場(chǎng)最大值Tab.7 Maximum electric field intensity of human body at position 4

2 35 kV雙回直線塔電場(chǎng)仿真

2.1 35 kV雙回直線塔參數(shù)及模型

典型35 kV雙回直線塔的兩回導(dǎo)線采用上、中、下垂直排列，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-150/25，相間距離為3.0 m，橫擔(dān)長(zhǎng)度2.0 m，采用3片玻璃絕緣子，絕緣距離為1 m。

電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算點(diǎn)的位置如圖8所示。各計(jì)算點(diǎn)的位置說明列于表8中。人體模型與單回線路計(jì)算相同。

圖8 電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算取值點(diǎn)圖Fig.8 Calculation point of electric field strength

表8 電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算點(diǎn)說明Tab.8 Description of electric field intensities calculation points

2.2 雙回線路桿塔空間電場(chǎng)計(jì)算

在塔上無人作業(yè)條件下，雙回直線鐵塔和導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖9所示。

圖9 雙回線路桿塔與導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.9 Electric fields on the surface of tower and conductor of double circuit line

35 kV雙回線路在由上到下正序加載運(yùn)行方式下。將圖9中各計(jì)算點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算值列于下表9中。與單回線路類似，電場(chǎng)最大值出行在導(dǎo)線表面，均超過240 kV/m，因此選取相應(yīng)的典型作業(yè)位置的人體體表電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。

2.3 作業(yè)人員在不同位置的體表電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)

根據(jù)帶電作業(yè)時(shí)作業(yè)人員在塔桿和導(dǎo)線間的4個(gè)典型位置，選取測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。4個(gè)典型位置分別為：位置5：人在下相導(dǎo)線上方橫擔(dān)處。位置6：

表9 各計(jì)算點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算值Tab.9 Calculation value of electric field intensities at each calculation point

人在下相導(dǎo)線等電位處。位置7：人在中相導(dǎo)線上方橫擔(dān)處。位置8：人在中相導(dǎo)線等電位處。

2.3.1 下相導(dǎo)線上方橫擔(dān)處人體體表電場(chǎng)

處于位置5的地電位作業(yè)人員體表電場(chǎng)分布如圖10所示，不同身體部位的電場(chǎng)最大值見表10。

圖10 位置5地電位人員的體表電場(chǎng)Fig.10 Electric fields of human body surface at position 5

表10 位置5人體表面不同部位電場(chǎng)最大值Tab.10 Maximum electric fields of human body at position 5

由計(jì)算結(jié)果可知：場(chǎng)強(qiáng)最大處出現(xiàn)在靠近導(dǎo)線手臂處，人體軀干離導(dǎo)線距離較遠(yuǎn)處場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較小。

2.3.2 下相導(dǎo)線等電位處人體體表電場(chǎng)

處于位置6的等電位作業(yè)人員體表電場(chǎng)分布如圖11所示，不同身體部位的電場(chǎng)最大值見表11。

圖11 位置6等電位人員體表電場(chǎng)Fig.11 Electric fields of human body surface at position 6

表11 位置6人體表面不同部位電場(chǎng)最大值Tab.11 Maximum electric fields of human body surface at position 6

由計(jì)算結(jié)果可知：場(chǎng)強(qiáng)最大處出現(xiàn)在靠近導(dǎo)線手臂處，雙腿處場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較小。

2.3.3 中相導(dǎo)線橫擔(dān)處人體體表電場(chǎng)

處于位置7的地電位作業(yè)人員體表電場(chǎng)分布如圖12所示，不同身體部位的電場(chǎng)最大值見表12。

圖12 位置7地電位人員的體表電場(chǎng)Fig.12 Electric fields of human body surface at position 7

表12 位置7人體表面不同部位電場(chǎng)最大值Tab.12 Maximum electric fields of human body surface at position 7

由計(jì)算結(jié)果可知：場(chǎng)強(qiáng)最大處出現(xiàn)在靠近導(dǎo)線手臂及軀干下部，遠(yuǎn)離導(dǎo)線的手臂及頭部場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較小。

2.3.4 中相導(dǎo)線等電位處人體體表電場(chǎng)

處于位置8的等電位作業(yè)人員體表電場(chǎng)分布如圖13所示，不同身體部位的電場(chǎng)最大值見表13。

圖13 位置8等電位人員的體表電場(chǎng)Fig.13 Electric fields of human body surface at position 8

由計(jì)算結(jié)果可知：場(chǎng)強(qiáng)最大處出現(xiàn)在靠近導(dǎo)線手臂處，遠(yuǎn)離導(dǎo)線的軀干和四肢場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較小。

表13 位置8人體表面不同部位電場(chǎng)最大值Tab.13 Maximum electric fields of human body surface at position 8

3 35 kV線路電場(chǎng)特點(diǎn)與人員安全防護(hù)

綜合以上計(jì)算分析可知，35 kV交流單、雙回線路帶電作業(yè)時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度位于導(dǎo)線表面處，約為370 kV/m，其隨著與導(dǎo)線的間距的增大快速減小，在鐵塔表面處的電場(chǎng)強(qiáng)度均小于10 kV/m。鐵塔表面的電場(chǎng)最大值一般出現(xiàn)在導(dǎo)線登高處或?qū)Ь€正上方、正下方橫擔(dān)處。對(duì)于雙回線路，中相導(dǎo)線附近電場(chǎng)較大。因此地電位作業(yè)條件下的空間電場(chǎng)強(qiáng)度與輸電線路下方的居民電場(chǎng)強(qiáng)度要求基本相當(dāng)。

當(dāng)作業(yè)人員沿桿塔攀爬至作業(yè)位置時(shí)，人體表面總的場(chǎng)強(qiáng)值大小大致與人和塔桿場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn)的距離成反比，距離越近，場(chǎng)強(qiáng)越大。而人體表面場(chǎng)強(qiáng)的具體分布與離人體距離最近的導(dǎo)線有直接關(guān)系，距離導(dǎo)線最近的軀干或手臂處場(chǎng)強(qiáng)最大，遠(yuǎn)離導(dǎo)線的部分軀干場(chǎng)強(qiáng)迅速減少，而人的頸部、手腕等部分由于受到頭部、拳頭的屏蔽作用，場(chǎng)強(qiáng)較小。地電位作業(yè)人員的體表電場(chǎng)一般在5～15 kV/m之間。等電位作業(yè)人員的體表場(chǎng)強(qiáng)略微高于地電位作業(yè)人員，但其最大值不超過30 kV/m，相比導(dǎo)線表面電場(chǎng)均大幅下降。為了盡可能降低作業(yè)人員體表電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)作業(yè)人員采用直接作業(yè)法時(shí)，除直接接觸的手部外，身體的其他部位應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離導(dǎo)線。

GB/T 6568—2008規(guī)定，帶電檢修人員未穿戴防護(hù)服裝時(shí)不應(yīng)暴露在大于240 kV/m的電場(chǎng)環(huán)境中[11]。根據(jù)上文的仿真計(jì)算結(jié)果表面，作業(yè)人員可能接觸的最大電場(chǎng)出現(xiàn)在等電位作業(yè)時(shí)的人體手指處，但仍遠(yuǎn)小于240 kV/m的限值。對(duì)于500 kV及以下線路帶電作業(yè)常用的I型屏蔽服其屏蔽效率為40 dB，即屏蔽服裝內(nèi)部電場(chǎng)為外部電場(chǎng)的1/100。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算結(jié)果表明，作業(yè)人員無論是處于地電位還是等電位，其體表場(chǎng)強(qiáng)未超過人體允許裸露的限制，因此可以不用穿戴屏蔽服裝進(jìn)行電場(chǎng)防護(hù)。

綜合考慮35 kV線路的作業(yè)間隙、電場(chǎng)防護(hù)要求與國內(nèi)外帶電作業(yè)基本原則的35 kV線路帶電作業(yè)宜采用配網(wǎng)不停電作業(yè)的方法開展，即絕緣手套作業(yè)法和絕緣桿作業(yè)法，依靠絕緣平臺(tái)、絕緣工具與空氣間隙作為主絕緣，絕緣防護(hù)用具、絕緣遮蔽用具、絕緣隔離用具作為輔助絕緣[10]。因?yàn)榻^緣用具的阻斷作用，此時(shí)無需考慮電位轉(zhuǎn)移電流的影響。

4 結(jié)論

本文通過模擬仿真計(jì)算，對(duì)35 kV線路帶電作業(yè)電場(chǎng)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

1)35 kV線路桿塔上的最大電場(chǎng)位于導(dǎo)線表面處，其隨著與導(dǎo)線的間距的增大快速減小至塔身表面的10 kV/m以下。

2)作業(yè)人員身體表面的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值大小大致與人和塔桿場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn)的距離成反比，距離越近，場(chǎng)強(qiáng)越大。而人體表面場(chǎng)強(qiáng)的具體分布與離人體距離最近的導(dǎo)線有直接關(guān)系，距離導(dǎo)線最近的軀干或手臂處場(chǎng)強(qiáng)最大，遠(yuǎn)離導(dǎo)線的部分軀干場(chǎng)強(qiáng)迅速減少，而人的頸部、手腕等部分由于受到頭部、拳頭的屏蔽作用，場(chǎng)強(qiáng)較小。

3)作業(yè)人員在35 kV單回和雙回線路直線桿上按照4種典型工況進(jìn)行作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員在作業(yè)位置處體表的電場(chǎng)強(qiáng)度均在限值以內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，不用穿戴帶電作業(yè)屏蔽服裝。

4)35 kV線路帶電作業(yè)宜采用配網(wǎng)不停電作業(yè)的方法開展，即絕緣手套作業(yè)法和絕緣桿作業(yè)法。