張遠建，王 琴，康 坦，王 威，韓 臻，顧亞健

(江蘇興力工程管理有限公司，江蘇 南京 210000)

為了確保輸電線路的安全穩(wěn)定運行，帶電作業(yè)已經(jīng)成為較為廣泛的作業(yè)方法[1-2]，帶電作業(yè)雖然保證了電網(wǎng)的不間斷運行，但也增加了作業(yè)人員的危險性[3-4]。

電力系統(tǒng)從業(yè)人員生命安全和身體健康是供電企業(yè)安全生產(chǎn)工作的重中之重，但目前電力安全事故仍然時有發(fā)生，形勢比較嚴峻。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，某年一個月就發(fā)生了電力人身傷亡事故 5 起、死亡 6 人，造成了巨大經(jīng)濟損失和不良社會影響[5-6]。因此，帶電作業(yè)電場監(jiān)測與報警裝置成為研究熱點，多數(shù)學者對此進行了深入研究[7-9]。例如文獻[8]針對現(xiàn)有技術方法的缺陷提出基于電場過限確定安全距離的思路，通過仿真計算得到不同電壓等級輸電線路安全距離的臨界電場，但沒有考慮人體侵入的影響，此外，少數(shù)文獻考慮了人體侵入的影響[10]；但缺少對實際高壓輸電線路不同電壓等級下的差異性進行研究。

為此，本文分別建立35、110、220 kV等級輸電線路帶電作業(yè)的有限元模型，通過計算研究了臨界安全距離下的臨界電場，研究結果可為帶電作業(yè)人員的安全性操作提供參考。

1 帶電作業(yè)人體電場有限元計算模型

1.1 有限元計算原理

本文研究輸電線路帶電作業(yè)人體在臨界安全距離作業(yè)下的電場，選取準靜電場計算模型，計算域控制方程為：

(1)

式中，E為電場強度；D為電位移強度；U為電位值；ε0為真空絕對介電常數(shù)，取8.85×10-12F/m；ε1為介質的相對介電常數(shù)；e為體電荷密度。

1.2 輸電線路安全距離下人體模型

本文仿真計算中，分別以35、110、220 kV等級輸電線路為研究對象，研究輸電線路帶電作業(yè)人體在臨界安全距離作業(yè)下的電場。

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程—在帶電線路桿塔上作業(yè)與帶電導線最小安全距離》的規(guī)定，本文設置35、110、220 kV等級輸電線路臨界安全距離分別為1.0、1.5、3.0 m。

人體作業(yè)位置為導線側方入侵，輸電線路導線電壓分別設置為35、110、220 kV。

建模所用人體總體身高179 cm，人體腿長90 cm，腳高5 cm，身體長度60 cm，脖子和頭高 24 cm，如圖1所示。相比于輸電線路周圍空氣，空氣電導率為0，而人體近似為導體。因此，本文將人體視為均勻介質，電導率取為 0.1 S/m，相對介電常數(shù)取為106。

圖1 人體幾何模型Fig.1 Geometric model of human body

根據(jù)有限元原理的計算方法，對輸電線路帶電作業(yè)人體在臨界安全距離作業(yè)下的電場進行計算，計算完成后，本文選取人體從頭部到腳部的沿面區(qū)域作為不同輸電線路等級下的電場對比區(qū)域。電場對比路線如圖2所示。

圖2 電場對比區(qū)域示意Fig.2 Schematic diagram of electric field comparison area

3 臨界安全距離下計算結果及分析

本文計算得到35、110、220 kV輸電線路在臨界安全距離下的電勢和電場分布，同時分析了不同身體部位的電場差異性。

3.1 不同電壓等級下的計算結果

以35 kV輸電線路在側方侵入帶電作業(yè)人體時為例，其整體電場與電勢分布如圖3所示。

圖3 35 kV輸電線路整體電場與電勢分布Fig.3 Overall electric field and potential distribution of 35 kV transmission line

從圖3中可以看出，在輸電線路帶電作業(yè)時，人體表面存在局部電場畸變現(xiàn)象。為更加直觀地分析人體表面電場分布，本文給出在35、110、220 kV等級輸電線路時的人體電場分布局部圖，如圖4所示。

圖4 不同電壓等級下的人體電場分布Fig.4 Human electric field distribution under different voltage levels

從圖4中可以看出，在不同電壓等級的輸電線路帶電作業(yè)時，同樣在臨界安全距離下，人體表面電場分布有所差異。對于110 kV和220 kV等級輸電線路，其人體表面電場畸變相對35 kV較大。此外，對于相同等級的輸電線路，人體表面電場分布存在差異性。以220 kV等級輸電線路為例，電場較大的位置分別位于頭部，手腕部，肩部和腳部，且近電側(右半體)和遠電側(左半體)電場分布存在差異性。

為更加準確地分析不同電壓等級的輸電線路帶電作業(yè)時人體表面臨界電場分布的差異性，本文給出沿左右人體表面電場監(jiān)測路徑的電場分布，如圖5所示。

從圖5的分析中，可以得到以下結論。

(1)隨著電壓等級的升高，人體表面在臨界安全距離下的電場值有逐漸增大的趨勢。例如，以右半體為例，通過計算可知，35、110、220 kV輸電線路在臨界安全距離下人體表面電場平均值分別為0.77、1.83、2.20 kV/m，220 kV電壓等級下平均臨界電場較35 kV下的增加了184.69%。

(2)不同身體部分的表面電場差異性較大，表面電場最大值一般出現(xiàn)在左腳底位置。其中，220 kV電壓等級下的電場最大值最大，可達19.41kV/m。

(3)近電側(右半體)臨界表面電場平均值略大于遠電側(左半體)。以220 kV電壓等級為例，近電側與遠電側的平均臨界場強分別為2.20、1.72 kV/m。

2.2 不同身體部位電場差異性分析

為進一步分析人體不同位置時的電場差異性，本文統(tǒng)計了頭頂、右肩部、左肩部、右手腕、左手腕、右腳腕和左腳腕7個位置的電場值，見表1。

圖5 監(jiān)測路徑下的不同電壓等級下的人體電場分布Fig.5 Human electric field distribution under different voltage levels under monitoring path

表1 不同身體部位電場差異性Tab.1 Difference of electric field in different body parts

從表1中可以得出：①人體不同位置的電場差異性較大，以220 kV電壓等級下的電場計算結果為例，最小值位于左肩部，僅為1.07 kV/m，最大值位于左腳腕處，可達14.71 kV/m，二者相差13.71倍。②不同電壓等級下的最大電場出現(xiàn)的位置相同，均為左腳腕處。而最小電場出現(xiàn)的位置有差異，對于35 kV和110 kV等級輸電線路的最小電場，均出現(xiàn)在頭頂處，而220 kV等級輸電線路的最小電場出現(xiàn)在左肩部。③在進行帶電作業(yè)人體電場監(jiān)測與報警設備研制時，需要考慮報警器穿戴位置進行報警閾值的設定。

2.3 基于穿戴式近電感知裝置的試驗驗證

為了驗證本文提出的不同身體位置的報警閾值，以基于一種穿戴式近電感知裝置、35 kV等級的電壓為例，進行了試驗驗證，為保證試驗人員安全，本文使用模擬人體的假人進行穿戴試驗，向高壓端入侵的方式與仿真設置的一致。其中穿戴式近電感知裝置如圖6所示。

電場探頭通過電磁感應，探測穿戴位置(例如手腕腳腕)附近電場強度信號，檢測主板對該信號進行濾波放大處理后，計算得到電場強度大??；檢測主板識別旋鈕對應的電壓等級檔位，根據(jù)所穿戴的身體位置設置報警閾值。

以35 kV等級的電壓為例，頭頂、右肩部、左肩部、右手腕、左手腕、右腳腕和左腳腕處的電場閾值分別設置為0.25、2.50、1.57、4.01、1.60、2.12、4.14 kV/m；檢測主板將計算得到的電場強度大小預先設定的閾值進行對比，從而判斷是否越限，如果越限，則蜂鳴器報警。

根據(jù)穿戴不同身體位置的試驗結果，可以得到不同穿戴位置的報警距離和與實際安全距離的報警偏差，如圖7所示。

圖7 報警距離及偏差Fig.7 Alarm distance and deviation

從圖7中可以看出，穿戴不同身體位置時的報警距離均在1 m附近浮動，誤差絕對值最大值為0.09 m，最大誤差僅為8.26%，雖然有一定的報警誤差，但是誤差范圍較小，說明根據(jù)穿戴位置設置不同的報警閾值符合實際情況，值得在工程應用中采用。但由于偏差的存在，在實際應用中對報警閾值設置10%的裕度較為合理。

3 結論

本文建立了帶電作業(yè)人體在35、110、220 kV等級輸電線路作業(yè)的有限元模型，研究輸電線路帶電作業(yè)人體在臨界安全距離作業(yè)下的電場，主要得出以下結論。

(1)隨著電壓等級的升高，人體表面在臨界安全距離下的電場值有逐漸增大的趨勢。例如，220 kV電壓等級下平均臨界電場較35 kV下的增加了184.69%。

(2)近電側(右半體)臨界表面電場平均值略大于遠電側(左半體)，以220 kV電壓等級為例，近電側與遠電側的平均臨界場強分別為2.20、1.72kV/m。

(3)人體不同位置的電場差異性較大，以220 kV電壓等級下的電場計算結果為例，最小值位于左肩部，僅為1.07 kV/m，最大值位于左腳腕處，可達14.71 kV/m，二者相差13.71倍。

(4)基于穿戴式近電感知裝置的試驗驗證表明，根據(jù)穿戴位置設置不同的報警閾值符合實際情況，值得在工程應用中采用。但由于偏差的存在，在實際應用中對報警閾值設置10%的裕度較為合理。