660 kV直流輸電線路帶電作業(yè)研究

張志峰，王永豪

（國網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030032）

0 引言

2011年2月2 8日，由我國自主設(shè)計、建造的世界首條±660 kV銀東直流輸電線路雙極投入滿負(fù)荷運(yùn)行。根據(jù)投運(yùn)以來銀東線的停電情況，每年停電時間6 d左右，達(dá)到144 h，輸電量減少5.76×108 kW·h，每度電價格收入按照0.2元估算，將減少1.15億元，并且停電甩負(fù)荷過程對設(shè)備的沖擊也較大，影響設(shè)備的使用壽命。由此可見，進(jìn)行帶電作業(yè)在提高供電的可靠性、減少停電造成的損失、提高經(jīng)濟(jì)效益、保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行等發(fā)揮著舉足輕重的作用。

1 帶電作業(yè)的基礎(chǔ)研究

帶電作業(yè)是指在高壓電力設(shè)備上不停電進(jìn)行檢修、測試的一種作業(yè)方法?！?60 kV直流超高壓輸電線路較一般超高壓線路而言，具有運(yùn)行電壓更高，場強(qiáng)更大，桿塔尺寸大，絕緣子片數(shù)更多，輸送容量大，一直滿負(fù)荷運(yùn)行，線路走廊區(qū)域復(fù)雜的特點(diǎn)。另外，其導(dǎo)線型號、線路塔型、絕緣子長度、作業(yè)位置都與一般超高壓線路有根本性的差異，因此，需要針對±660 kV直流超高壓輸電線路開展帶電作業(yè)安全性及可行性研究。

1.1 帶電作業(yè)的絕緣配合

根據(jù)帶電作業(yè)絕緣配合導(dǎo)則的規(guī)定，220 kV及以下電壓等級的帶電作業(yè)絕緣配合采用慣用法，330 kV及以上電壓等級的帶電作業(yè)絕緣配合采用統(tǒng)計法?！?60 kV銀東直流輸電線路雙極運(yùn)行方式下有直流極對地短路和逆變站甩負(fù)荷產(chǎn)生的過電壓，其中最大過電壓出現(xiàn)情況是當(dāng)線路中點(diǎn)一極發(fā)生接地故障時，在健全極上產(chǎn)生的過電壓[1]。從安全角度考慮，直流線路帶電作業(yè)絕緣配合應(yīng)該采用簡化統(tǒng)計法根據(jù)直流線路最大操作過電壓進(jìn)行研究。根據(jù)運(yùn)行情況，當(dāng)接地電阻取5Ω，運(yùn)行電壓按照最高運(yùn)行電壓±680 kV選取，那么當(dāng)發(fā)生單極接地故障時，離線路中點(diǎn)±10 km范圍內(nèi)操作過電壓的標(biāo)幺值為1.75，±10 km范圍外過電壓的標(biāo)幺值為1.62[2]，銀東線全線長約1 333.257 km，從安全與經(jīng)濟(jì)方面考慮，可以根據(jù)操作過電壓的標(biāo)幺值為1.75來分析確定電氣間隙。

1.2 帶電作業(yè)的安全距離研究

帶電作業(yè)安全距離指的是為了保證人身安全，作業(yè)人員與帶電體之間所應(yīng)保持各種最小空氣間隙距離的總稱。包括最小間隙距離和工作人員允許的活動范圍，分為最小安全距離、最小相間安全距離、最小對地安全距離、最小安全作業(yè)距離、最小組合間隙距離。要確定帶電作業(yè)安全距離，就應(yīng)該從影響電氣間隙的因素著手，需要考慮海拔高度、桿塔結(jié)構(gòu)、電壓極性、放電間隙外形等，其中，間隙的外形影響較為顯著。帶電作業(yè)過程中由于工作位置及桿塔結(jié)構(gòu)的變化會產(chǎn)生各種不同的間隙類型。根據(jù)銀東線的桿塔特點(diǎn)，直線塔以銀東線1415號為例，耐張塔以銀東線1419號為例確定以下兩種典型情況，即圖1所示的直線塔帶電作業(yè)模型，圖2所示的耐張塔帶電作業(yè)模型。

圖1 直線塔帶電作業(yè)模型

圖2 耐張塔帶電作業(yè)模型

如圖1所示，模型中包括：位置1為側(cè)面塔身地電位工作人員與極導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，間隙距離S1；位置2為導(dǎo)線上方橫擔(dān)處地電位工作人員與極導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，間隙距離S2；位置3為等電位工作人員分別與側(cè)面塔身、上方橫擔(dān)的組成結(jié)構(gòu)，間隙距離分別為S1，S2；如圖2所示位置4為耐張塔導(dǎo)線掛點(diǎn)附近地電位，分析人員與其下方引流線間的間隙距離；位置5為耐張串中處于中間電位工作點(diǎn)，主要考慮組合間隙；位置6為耐張塔等電位工作點(diǎn)，分析工作人員與塔材間最近距離。不論直線塔還是耐張塔，工作人員在進(jìn)入等電位的過程中都會產(chǎn)生組合間隙，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析。

針對±660 kV直流超高壓試驗(yàn)示范工程，國網(wǎng)武漢高壓研究所已經(jīng)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作，初步提出了±660 kV直流超高壓輸電線路的帶電作業(yè)安全距離[3]。前已敘及±660 kV直流輸電線路帶電作業(yè)出現(xiàn)的最大操作過電壓標(biāo)幺值為1.75，基于此結(jié)論可以初步確定桿塔空氣間隙見表1。

表1 各種典型模型對應(yīng)的最小安全距離m

耐張塔作業(yè)人員沿著絕緣子串進(jìn)入電場或者處于中電位更換絕緣子情況下，當(dāng)海拔在1 000 m以下時，考慮由人體短接和低零值絕緣子后，良好的絕緣子應(yīng)該保證總長度不低于4.7 m。結(jié)合銀東線實(shí)際情況，本線路采用的瓷質(zhì)絕緣子的公稱結(jié)構(gòu)高度為0.24 m，則良好絕緣子片數(shù)應(yīng)大于20片，當(dāng)海拔高于1 000 m時，需要相應(yīng)增加，應(yīng)不小于22片。±660 kV直流輸電線路的耐張塔絕緣子串片數(shù)平均在65片，能夠保證帶電作業(yè)的安全。

2 帶電作業(yè)人員的安全防護(hù)

由于±660 kV直流輸電線路場強(qiáng)較大，為保證作業(yè)人員安全，需要對其電磁環(huán)境進(jìn)行分析。

2.1 電流的防護(hù)

當(dāng)作業(yè)人員的人體被串接于閉合電路中，就會通過電流，大小為I=U/Zt，Zt為人體總阻抗，包括皮膚阻抗和內(nèi)阻抗，其中內(nèi)阻抗為阻性，皮膚阻抗為阻容網(wǎng)絡(luò)，隨電壓、頻率、電流持續(xù)時間、接觸壓力、接觸面積、皮膚溫度和濕度變化而變化，人體阻抗因人而異，一般按1 000Ω計算。電擊對人體造成損傷主要是流經(jīng)人體的電流大小，分為暫態(tài)電擊和穩(wěn)態(tài)電擊，穩(wěn)態(tài)電擊時，人體生理反應(yīng)分為感知、震驚、擺脫、呼吸痙攣和心室纖維性顫動。在產(chǎn)生感知反應(yīng)條件下，男性的電流閾值為1.1 mA，女性為0.8 mA。而心室纖維性顫動是造成人身死亡的根本原因，男、女性產(chǎn)生心室纖維性顫動生理反應(yīng)時的電流閾值均為100 mA[4]，綜合考慮，我國規(guī)定人體的電流安全限值為1 mA。

2.2 電場的防護(hù)

帶電作業(yè)人員在進(jìn)行帶電作業(yè)過程中，隨著到達(dá)工作位置路徑的變化，體表的電場強(qiáng)度在逐漸變化；同時由于身體部位不同，體表場強(qiáng)也不同，身體的某些尖端部位場強(qiáng)較高，比如鼻尖、頭部、手腳指等，因此需要以這些部位為基礎(chǔ)，結(jié)合最高場強(qiáng)出現(xiàn)的工況進(jìn)行具體分析。在建立的典型模型的基礎(chǔ)上，地電位條件下，當(dāng)作業(yè)位置處于導(dǎo)線正上方的地電位中，體表場強(qiáng)較大；而等電位條件下，體表場強(qiáng)達(dá)到最大。對于交流電場，我國已經(jīng)有了深入研究，因?yàn)楫?dāng)交流電場強(qiáng)度高于240 kV/m時，人體皮膚會開始感知，出現(xiàn)不適，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定交流線路的帶電作業(yè)需要將電場強(qiáng)度控制在240 kV/m以內(nèi)，屏蔽服內(nèi)部場強(qiáng)控制在15 kV/m以內(nèi)。直流線路產(chǎn)生的是合成電場，這是與交流線路的根本區(qū)別。合成電場強(qiáng)度的計算需要利用Deutecsh假設(shè)，根據(jù)逐步鏡像法計算出的標(biāo)稱場強(qiáng)值繪制電場線，然后通過電場線積分法求出合成場強(qiáng)[5]，根據(jù)計算結(jié)果可知，雙極運(yùn)行方式下，合成場強(qiáng)分布關(guān)于線路中心對稱。當(dāng)走廊寬度68 m邊緣處的地面合成場強(qiáng)將小于15 kV/m[6]。根據(jù)±660 kV直流輸電線路實(shí)際情況測量結(jié)果顯示，手部場強(qiáng)比其他部位更高，在場強(qiáng)最高的條件下將超過500 kV/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人體感知水平，必須采取屏蔽措施，但是當(dāng)直流電場與交流電場的電場值相等時，人體對交流電場的感知更敏感。因此，從安全角度考慮，帶電作業(yè)人員的場強(qiáng)限定值的標(biāo)準(zhǔn)，直流可以采用交流的規(guī)定。

2.3 離子流的防護(hù)

由于直流輸電線路雙極運(yùn)行中在空間會產(chǎn)生定向的電場，離子流是空間電荷在直流線路附近電場中定向移動形成的。這是直流線路的特殊之處，帶電作業(yè)范圍內(nèi)離子流的研究和防護(hù)也是重點(diǎn)。離子流的計算要用弦截迭代法根據(jù)合成場強(qiáng)的計算值獲得。根據(jù)計算結(jié)果可知，雙極運(yùn)行方式下，離子流分布關(guān)于線路中心對稱。當(dāng)走廊寬度68 m時，邊緣處的地面離子流密度遠(yuǎn)小于100 nA/m2。導(dǎo)線下方離子流密度將控制在100 nA/m2以內(nèi)[5]。同樣，人體對直流電流的感知要低于對交流電流的感知，帶電作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了屏蔽服內(nèi)長期通過人體的電流不得大于50μA，從安全角度考慮，這一規(guī)定也可以作為直流帶電作業(yè)參考。

3 作業(yè)人員的防護(hù)用具

通過對直流輸電線路周圍的合成場強(qiáng)及離子流環(huán)境的分析可知，要保證±660 kV直流線路帶電作業(yè)人員的體表場強(qiáng)及流過人體電流值處于安全范圍內(nèi)，必須采用屏蔽服。從我國現(xiàn)有的屏蔽服來看，±500 kV及以下電壓等級使用的屏蔽服沒有面部保護(hù)，已經(jīng)不能適應(yīng)±660 kV直流線路帶電作業(yè)要求，隨著大家對特高壓線路及直流線路的研究，目前國網(wǎng)電力科學(xué)研究院已經(jīng)研發(fā)出±660 kV直流線路專用屏蔽服[3]，為±660 kV直流輸電線路帶電作業(yè)提供了保證。

3.1 屏蔽服

屏蔽服使處于等電位中的工作人員體表形成等電位屏蔽面，成套的屏蔽服包括帽子、上衣、褲子、襪子、手套、鞋及其相應(yīng)的連接線和連接頭。通過對±660 kV直流線路的合成電場及離子流等電磁環(huán)境研究，再利用三維有限元法計算工作人員體表的電場分布及強(qiáng)度可知，當(dāng)人員處于地電位及進(jìn)入電場過程中時，其體表的場強(qiáng)一般低于200 kV/m，而當(dāng)人員進(jìn)入等電位后，處于分裂導(dǎo)線外的頭部、手部等尖端部位場強(qiáng)一般為450～800 kV/m。±660 kV直流線路帶電作業(yè)用的屏蔽服需要加裝屏蔽面罩，從人對直流的感知度小于交流方面考慮，將我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的交流屏蔽服參數(shù)運(yùn)用于直流線路，更符合安全要求。適用于±660 kV直流輸電線路屏蔽服的主要參數(shù)：屏蔽服內(nèi)體表場強(qiáng)不大于15 kV/m，面罩的內(nèi)部最大場強(qiáng)不大于240 kV/m，屏蔽效率要保證不小于40 dB，整套屏蔽服最遠(yuǎn)端間電阻不得高于20Ω，流經(jīng)工作人員的電流不大于50μA，屏蔽服衣料熔斷電流應(yīng)高于5 A，且任何部位溫度控制在50℃之內(nèi)[7]。

3.2 電位轉(zhuǎn)移棒

當(dāng)工作人員即將進(jìn)入電場時，隨著電位轉(zhuǎn)移，電弧可能會威脅工作人員的安全。在帶電作業(yè)過程中，將電位轉(zhuǎn)移棒連接在屏蔽服上，當(dāng)與帶電體距離達(dá)到0.5 m左右時，將電位轉(zhuǎn)移棒的掛鉤部連接于導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)電位轉(zhuǎn)移，此時工作人員已經(jīng)處于等電位中，使得進(jìn)入電場更加安全。

4 進(jìn)入電場的方式分析與比較

我國的第一條±660 kV直流超高壓試驗(yàn)示范工程，直線塔為“T”型，絕緣子采用“V”型連接，耐張塔為“干”字型，絕緣子采用雙聯(lián)“L”型。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來進(jìn)一步研究作業(yè)人員進(jìn)入電場的方式。

帶電作業(yè)進(jìn)入電場方式較多，銀東線直線塔為“V”型絕緣子串，方式可選擇絕緣吊籃法、絕緣軟梯法、吊椅法等。進(jìn)入耐張塔可選擇絕緣軟梯法、沿絕緣子串法等。不同的方法適合不同的作業(yè)要求及條件，需要根據(jù)作業(yè)點(diǎn)、工作效率、安全性等綜合考慮。絕緣吊籃法需要準(zhǔn)備工作較多，但工作人員體力消耗少，適于較長的絕緣子串。絕緣軟梯法對工作人員的體能要求高，若從橫擔(dān)下降至導(dǎo)線，人頭部與橫擔(dān)將會形成“棒—板”結(jié)構(gòu)的不均勻電場，安全度有所下降，但如果處理檔距中央缺陷，從地面沿軟梯進(jìn)入電場可能更方便。絕緣滑軌吊椅法對絕緣導(dǎo)軌的剛度要求高，從目前情況來看，對于±660 kV直流線路這種結(jié)構(gòu)較大的桿塔不建議采用。耐張塔中常見的沿絕緣子進(jìn)入電場方法較為簡單，但需要保證滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的良好絕緣子片數(shù)要求。

5 作業(yè)方式的內(nèi)容和工具

依據(jù)±660 kV銀東直流線路特點(diǎn)，桿塔結(jié)構(gòu)尺寸較大，噸位大，檔距較長，大部分處于高海拔地區(qū)，線路走廊區(qū)域情況較為復(fù)雜，導(dǎo)線首次采用4×JL/G3A-1000/45型大截面導(dǎo)線，絕緣子較長，直線串均為復(fù)合絕緣子，長度可達(dá)9.2 m，這些變化都要求作業(yè)工器具具備更強(qiáng)的機(jī)械性能。

5.1 絕緣拉吊工具

隨著桿塔重量的增加，導(dǎo)線、金具型號的變化，拉吊工具不僅需要保證絕緣長度，滿足電氣要求，還需要提高荷載能力，滿足機(jī)械性能要求。對于電氣性能，用于±660 kV直流輸電線路的絕緣長度不得低于5.3 m；機(jī)械性能方面，破壞荷載需要提高到允許荷載的3倍甚至更高。

5.2 耐張絕緣子卡具

±660 kV直流超高壓輸電線路采用鋁截面達(dá)1 000 mm2的大截面導(dǎo)線，相應(yīng)的耐張塔采用U550BP/240H型的絕緣子，額定機(jī)電破壞負(fù)荷達(dá)到550 kN，那么與之配套的絕緣子卡具材料的選擇需要向質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的方向發(fā)展，如鈦合金材料。生產(chǎn)工藝也要隨之進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)該融入液壓系統(tǒng)，降低帶電作業(yè)人員的工作強(qiáng)度。

5.3 托瓶工具

±660 kV直流超高壓輸電線路的耐張絕緣子串大多采用60片—76片550 kN瓷質(zhì)絕緣子，公稱結(jié)構(gòu)高度為0.24 m，其串長約14.4～18.24 m，加上金具最長約20 m。這種托瓶架的總長度約20 m，結(jié)構(gòu)需要考慮分段式，材料要滿足機(jī)械強(qiáng)度及剛度要求，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行研究和試驗(yàn)，才能滿足帶電作業(yè)的要求。

6 結(jié)論

我國在高壓、超高壓輸電線路已有50余年的帶電作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，直流輸電線路帶電作業(yè)實(shí)踐，初步試驗(yàn)分析，±660 kV直流超高壓輸電線路進(jìn)行帶電作業(yè)是可行的，采取必要的安全措施和作業(yè)人員防護(hù)措施，作業(yè)的安全性是能夠得到保障的?！?60 kV直流輸電線路帶電作業(yè)的安全防護(hù)和工器具還需進(jìn)一步研究改進(jìn)。從目前發(fā)展形勢來看，結(jié)合直流線路特點(diǎn)，高強(qiáng)度材料的研發(fā)，高海拔地區(qū)帶電作業(yè)技術(shù)研究，直升機(jī)帶電作業(yè)研究及其配套工器具的研發(fā)將是未來直流線路中努力的方向。

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