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；)

0 引言

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。

1 仿真模型及計算

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。

2 結果與分析

2.1 地電位作業(yè)時人體人體體表電場

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

2.2 等電位作業(yè)時人體體表電場

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。

2.3 中間電位作業(yè)時人體體表電場

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

2.4 作業(yè)方式的選擇及電場防護

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。

3 結論

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。