何光華,王興宇,徐 駿,吳 田,黎 鵬
(1.國網(wǎng)無錫供電公司,江蘇 無錫 214000;2.三峽大學電氣與新能源學院,湖北 宜昌,443002;)
隨著城市化水平提高,城市電網(wǎng)的電纜化水平越來越高且提出了高可靠性的運行要求,我國經(jīng)濟發(fā)展和電力建設對110 kV及以上高壓交聯(lián)電纜的需求很大,近幾年其增長比例為20%到25%。高壓電纜終端長期暴露在戶外,積污[1-2]、污閃[3-4]、絕緣子產(chǎn)品家族性缺陷、安裝調(diào)試不當以及運行維護不到位等多種因素,會使電纜終端支柱絕緣子產(chǎn)生缺陷和故障[5-6]。電纜終端絕緣子主要起絕緣、支撐電纜終端的作用,嚴重的缺陷甚至使電纜終端發(fā)生位移導致故障,影響電纜線路安全可靠運行[7-9]。目前,高壓電纜線路運維、檢修、消缺和修復工作必須要在線路停運之后才能進行,對電纜線路的供電可靠性造成極大的影響。
帶電作業(yè)是確保電力設備運行可靠性和安全的重要的技術手段,為確保作業(yè)人員的安全,目前國內(nèi)外在輸電線路帶電作業(yè)的間隙距離、作業(yè)方法、工器具以及安全防護等方面開展了大量研究。電場防護是開展帶電作業(yè)的關鍵參數(shù),近年來國內(nèi)學者在電場測量、仿真及防護等方面開展了大量的研究工作:劉會家等學者對超特高壓輸電線路帶電作業(yè)方式進行了分析,為帶電作業(yè)的開展、進入路徑及作業(yè)人員的安全防護提供了參考[10-16]。宮瑞磊等采用時域有限元對電纜終端的電場進行了計算[17], Miller C J對帶電作業(yè)過程中典型作業(yè)工況下的電場進行了測量[18],G?csei G和羅日成等[19-20]對電場的安全防護進行了研究。
綜上所述,目前在架空輸電線路帶電作業(yè)的研究比較全面,對電纜線路帶電作業(yè)方式及人員防護方面的研究較少。由于電纜終端結構緊湊,且和現(xiàn)有的線路和變電站間隙的差異較大,另外國內(nèi)對110 kV電纜帶電作業(yè)及其方式缺少研究,因而基于電纜終端帶電作業(yè)時的人體電場分布研究,為110 kV電纜終端帶電作業(yè)方式的選擇提供依據(jù),對保證高壓電纜線路的供電可靠性具有非常重要的意義。
目前在110 kV及以上設備開展帶電作業(yè)時,可以采用地電位、中間電位和等電位等3種作業(yè)方式,因而針對110 kV電纜終端塔上的終端絕緣子在3種帶電作業(yè)方式下的人體體表電場進行了分析,仿真模型見圖1。電纜終端塔用無錫110 kV單回路電纜終端桿模型,塔高26 m,電纜終端平臺高9 m,電纜線從終端處引出接地。電纜終端依據(jù)110 kV XLPE電纜整體預制干式絕緣戶外終端裝配圖建模,相間距離2 m,選擇電纜線芯630 mm2。
圖1 電纜終端帶電作業(yè)整體模型及典型站位
人體模型參照人機工程學中中國男性的平均測量尺寸,身高168 cm,頭部為橢球形,頭圍560 mm,身體厚度為212 mm,長533 mm,腿長834 mm,手臂長550 mm,建模盡量用球形和圓柱,所有尖角處用圓角處理[20]。
用一扇形區(qū)域模擬周圍的無限空氣開區(qū)域,包住整個模型,大小為模型的4到5倍,半徑為120 m,邊界施加0電位模擬無限空氣域[21]。
模型中主要材料及其相關參數(shù)見表1。
表1 電場仿真材料屬性參數(shù)
對于9 m高的電纜終端,等電位作業(yè)時需要借助絕緣梯、絕緣斗臂車或可升降的絕緣平臺。進入等電位作業(yè)位置后,為了減小對作業(yè)間隙的短接,作業(yè)人員的腳部與電纜終端的頂部(高壓引線位置)齊平并采用下蹲姿勢,以電纜終端的中心線為水平的零點,獲得距離電纜終端0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m等幾個水平距離下的人體體表電場。
地電位作業(yè)站位見圖 2,人體位于A相,水平距離電纜終端1m,豎直方向3個站位:1)肩部與電纜終端平臺平齊,2)頭部低于平臺,3)終端塔底部。
圖2 地電位作業(yè)站位示意圖
中間電位作業(yè)時,人體與B相電纜終端平行,頭部平行于電纜終端的末端,站位從緊貼電纜終端開始,水平方向遠離終端;豎直方向上,在人指尖距電纜終端1 m處有3個站位:1)頭部平行電纜終端末端(鋁護套),2)手部平行電纜終端末端,3)頭部平行于應力錐。
計算的初始化條件是在電纜線芯施加額定相電壓,在工作相施加110 kV相電壓幅值89 kV,非工作相施加-44 kV電壓,應力錐施加0 kV電壓,電纜屏蔽層接地,施加0電位。在地電位作業(yè)時人體施加0電位;中間電位作業(yè)時人體采用自由耦合,懸浮電位;等電位作業(yè)時人體施加電壓89 kV。
電纜終端帶電消缺地電位作業(yè),站位1時整體的電場分布見圖 3。由圖 3(b)可知,地電位作業(yè)人員在該站位和作業(yè)姿勢下頭部電場最大,且最大值為2.08 kV/m。
圖3 地電位作業(yè)站位1時人體電場分布
位于A相不同位置帶電作業(yè)時,人體各部位電場值見圖 4(圖中的位置是頭頂?shù)降孛娴木嚯x)及表2,可知,在靠近電纜終端的過程中,電場值上升,最大值由頭部轉移到手部,站位3時,手部電場最大值達到77.91 kV/m。
從整體趨勢來看,人體各部位電場都呈上升趨勢,手指部位的電場上升幅度最大。頭部作為進入強場區(qū)方向上的人體突出部位在站位3時的電場也達到42.29 kV/m。當?shù)仉娢蛔鳂I(yè)人員在電纜終端平臺底部采用絕緣操作桿作業(yè)時,距離高壓端較遠時,人體體表各部位的電場處于較低水平。
圖4 人體各部位電場
表2 不同站位人體不同部位電場比較
等電位作業(yè)時接觸帶電體,由圖 5 (圖中位置是人與電纜終端的距離)及表3可知,緊貼電纜終端處,腳部電場達到最大值940.98 kV/m,遠離終端的過程中,電場呈下降趨勢。
圖5 人體各部位電場
表3 不同站位人體不同部位電場值對比
從整體趨勢來看,膝蓋的電場值最低,曲線最為平滑,雖然有所波動,但整體電場在200 kV/m左右;背部的電場隨人與電纜終端的距離的增大先上升后下降;貼近終端時頭部電場最小,在距離電纜終端0.1 m處達到峰值之后呈下降趨勢;手部電場也是隨人與電纜終端的距離的增大先減小后上升,最小值在距離電纜終端0.3 m處,電場值為519.88 kV/m。因此等電位作業(yè)以下蹲姿勢進行時,一方面可以減小短接的空氣間隙,還可以避免人體體表電場和間隙電場的畸變。
當作業(yè)人員在地面由升降絕緣平臺進入作業(yè)位置的過程中,體表各部位電場的變化見圖 6,由圖 6(圖(a)中的位置是手與電纜終端的水平距離,圖(b)中位置是頭與地面的垂直距離)及表4可知,中間電位作業(yè)時電場最大值始終位于指尖,手指作為人體突出部位,畸變電場較大;腳部電場最小,最大值不超過10 k V/m;頭部電場值水平方向不超過7 kV/m,豎直方向最大值為8.49 kV/m。因而,中間電位作業(yè)時電場比等電位時小,安全性相對較高。
圖6 中間電位作業(yè)位移時人體的電場
表4 中間電位作業(yè)人體各部位電場
在3種作業(yè)方式下,地電位和中間電位的最小距離為1 m,等電位和中間電位下的最小安全距離為1.2 m。通過對110 kV電纜終端塔進行校驗,安全間隙均滿足要求。在作業(yè)過程中為了避免作業(yè)人員的誤操作而侵占過多的作業(yè)間隙,可以安裝絕緣限位裝置。
在作業(yè)間隙滿足相關規(guī)范的要求的基礎上,作業(yè)人員的電場特點及防護則尤為重要。等電位作業(yè)方式下人體體表電場最大,其次為地電位,最小為中間電位。一般認為,人體在均勻電場中,電場梯度在25 kV/m時,沒有不正常反應,人體皮膚對表面局部場強的“電場感知水平”為240 kV/m,即為人體能承受的最大電場強度。所以,在中間電位和地電位作業(yè)時,人體各部位電場值均沒超過人體的感知水平。在中間電位和地電位作業(yè)時可以通過增加與帶電體的距離來減小體表的電場強度,還可以增大作業(yè)的安全距離,提高作業(yè)的安全性。
雖然110 kV電纜終端采用地電位和中間電位作業(yè)時的電場水平?jīng)]有超過電場的感知水平,但仍然超過了相關標準給出的極低頻電磁場的暴露水平限值,如ICNIRP[22]給出的極低頻電場的居民和職業(yè)的暴露水平分別為5 kV/m和10 kV/m。而ICNIRP要求的職業(yè)暴露的時間為不大于8 h。根據(jù)現(xiàn)有的計算,在3種作業(yè)方式下,作業(yè)人員的體表均可能超過ICNIRP給出的職業(yè)暴露電場水平。
因而在110 kV電纜終端附近帶電作業(yè)時,推薦作業(yè)人員穿戴屏蔽服,屏蔽服技術要求及屏蔽后人體電場最大值按照國家標準GB/T 6568-2008《帶電作業(yè)用屏蔽服裝》[23]規(guī)定,帶電作業(yè)用屏蔽服屏蔽效率不小于40 dB,公式為
(1)
式中:E1為沒有屏蔽時接收電極上的電場,E2為經(jīng)屏蔽后的電場,當?shù)入娢蛔鳂I(yè)人體電場為1 000 kV/m,屏蔽效率為40 dB時,屏蔽后的電場為10 kV/m,滿足要求。
根據(jù)110 kV XLPE電纜整體預制干式絕緣戶外終端實際結構參數(shù),建立正常運行時的三維計算模型,并搭建了不同帶電作業(yè)方式的三維仿真模型,得到以下結論。
1)地電位作業(yè)時,手指作為人體突出部位,電場最高,地電位作業(yè)人體電場未超過人體能承受的最大電場240 kV/m。
2)等電位作業(yè)采用下蹲姿勢,膝蓋電場最小,未超過人體能承受最大電場,但等電位作業(yè)人體電場值極高,緊貼終端時腳部電場最大值可達到940.98 kV/m,因此電纜終端帶電消缺作業(yè)等電位作業(yè)時應穿屏蔽服。
3)中間電位作業(yè)時,手指距離電纜終端1 m處,頭部平行應力錐時電場最大,值為25.46 kV/m,電場值很小,不超過人體所能承受的最大電場。
4)3種作業(yè)方式下,作業(yè)人員的體表均可能超過ICNIRP給出的職業(yè)暴露電場水平,作業(yè)時推薦穿戴屏蔽服。