電磁耦合效應對通信光纜檢修的影響研究

楊新偉，劉偉娜

(河南師范大學 電子與電氣工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

電磁耦合效應對通信光纜檢修的影響研究

楊新偉，劉偉娜

(河南師范大學 電子與電氣工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

同塔多回輸電線路下方存在與之平行排列的架空通訊光纜，電磁感應作用下懸掛光纜鋼芯線上會產生電磁感應電流，對光纜檢修人員的安全構成威脅。運用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP，搭建500 kV/220 kV同塔四回混壓輸電線路，以及其下方平行排列架空光纜模型，分析計算運行電流、土壤電阻率、平行長度、通訊光纜桿塔高度以及光纜偏移輸電線路桿塔中心線距離對人體電流的影響。計算結果表明：人體電流與運行電流、土壤電阻率、平行長度以及通訊桿塔高度成正比，與通訊光纜偏移輸電線路桿塔中心線的距離成反比；一般情況下，人體電流不會超過10mA(人體擺脫電流閾值)，但是會超過0.5 mA(人體感知電流)，研究結果能為實際工程提供參考。

同塔四回；通訊光纜；電磁耦合；電磁感應電流；人體電流

隨著中國電力建設的不斷發(fā)展，輸電線路的輸送容量不斷增大。為了降低輸電線路對輸電走廊的占用，降低單位電容量線路的造價成本，同塔多回輸電線路被廣泛應用。

由于同塔多回輸電線路間的靜電耦合和電磁感應作用，同塔多回輸電線路之間會產生感應電壓和感應電流。文獻[1-8]分析同塔雙回輸電線路之間的感應電壓和感應電流；文獻[9-11]研究同塔四回輸電線路之間的感應電壓和感應電流；文獻[12]分析同塔四回混壓輸電線路感應電壓和感應電流分量的影響因素，計算了不同檢修方式下，流過檢修人員的人體電流情況。文獻[13]研究500 kV高壓線路正常運行時，下方并行排列的0.38 kV低壓線路檢修人員可能面臨的感應電壓和感應電流放電對檢修人員的傷害。由于同塔多回輸電線路下方可能存在與之并行排列的架空通訊光纜，為防止架空光纜因受到自身重力而損壞，光纜一般用掛鉤懸掛在一根鋼芯線上，因此，同塔多回輸電線路會在鋼芯線上產生感應電壓和感應電流，感應電壓和感應電流的存在會對檢修人員的安全構成威脅。

筆者利用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP[14]建立500 kV/220 kV同塔四回輸電線路和懸掛通信光纜的鋼芯線模型，計算不同因素對檢修人員人體電流的影響，得出的結論能為通訊光纖懸掛線檢修人員的人身安全提供參考。

1 模型建立

1.1 桿塔及線路參數(shù)

以某同塔四回輸電線路為原型，該線路下方的通信光纜與輸電線路間位置分布如圖1所示。

500 kV/220 kV同塔四回輸電線路通過靜電耦合和電磁耦合作用，會在其下方通信光纜懸掛鋼芯線上的感應電壓和感應電流[13-20]，筆者關心的主要問題是這種因靜電、電磁耦合效應作用于通信光纜懸掛線上的感應電壓和感應電流對光纜檢修人員人生安全的影響。線路參數(shù)如表1所示。兩回500 kV輸電線路分布在桿塔上層，兩回220 kV的輸電線路分布在桿塔下層，如圖2所示。

G1和G2表示兩根避雷線，A1，B1，C1和A2，B2，C2分別表示500 kV第I回線路和第II回線路，500 kV線路采用四分裂導線；a1，b1，c1和a2，b2，c2分別表示220 kV第I回線路和第II回線路，220 kV線路采用二分裂導線。d為鋼芯懸掛線偏離桿塔中心線的距離。

1.2 仿真模型的建立

ATP-EMTP主要用于電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真，但是該文中感應電壓和感應電流的計算屬于穩(wěn)態(tài)的范疇。因此，選用ATP-EMTP軟件中LCC模塊搭建屬于穩(wěn)態(tài)范疇的π型等效模型。在LCC模塊中輸入桿塔、線路以及土壤電阻率等參數(shù)之后可得如圖3所示的ATP仿真模型。

圖1 同塔四回輸電線路與通訊光纜的位置分布

導線型號外徑/cm直流電阻/(Ω/km)分裂間距/cm分裂導線根數(shù)6XJL/G1A?300/402．7630．072324562XJL/LBA?300/402．3940．09614402OPGW?17?150?31．6600．33000JLB40?1501．5750．29500

圖2 線路分布

圖3 ATP仿真模型

2 計算結果及分析

光纜需要定期進行維護與檢修。國標規(guī)定的人體電阻約為1 000 Ω，仿真模型直接用一個1 000 Ω的電阻與用于支撐光纜的水泥桿塔并聯(lián)，如圖3所示。懸掛光纜鋼芯線通過金屬構件直接通過水泥桿塔 接地，輸電線路通過耦合效應在懸掛鋼芯線上產生的感應電壓會在以鋼芯線、桿塔、人體以及大地構成的回路中形成感應電流。人體對電流的感知情況如表2所示[21]?？紤]線路運行電流、土壤電阻率、平行長度、通訊光纜桿塔高度以及偏移中心線的距離等因素對流過檢修人員電流的影響。

表2 交流電下人體生理效應

2.1 運行電流的影響

根據(jù)圖3中的計算模型，保持土壤電阻率為ρ=500 Ω·m、通信光纜桿塔高度為8 m，通信導線偏移桿塔中心線距離為10 m，平行長度為200 m不變。同塔四回輸電線路中兩回500 kV線路的運行電流一般為2 000 A，兩回220 kV線路的運行電流一般為800 A，以200 A為梯度，計算輸電線路上不同運行電流時流過光纜檢修人員的人體電流，計算結果如表3所示。

表3 人體電流與運行電流的關系

由表3可知，當500 kV輸電線路上的運行電流保持不變時，流過檢修人員的人體電流隨著220 kV輸電線路上運行電流的增大而增大，當220 kV輸電線路上的運行電流保持不變時，流過檢修人員的人體的電流隨著500 kV輸電線路上運行電流的增大而先減小后增大。當兩回220 kV線路運行電流不變時，設兩回220 kV線路運行電流在光纜鋼芯懸掛線上某一點(設為A)處的合成場強為E220，當兩回500 kV輸電線路運行電流在A點的合成場強E500與E220之間的夾角為大于90°時，隨著兩回500 kV線路運行電流的增大，E500也隨之變大，A點總的合成場強E合先變小后變大，如圖4所示。當E500與E220之間的夾角小于90°時還會出現(xiàn)其他情況，夾角的變化的主要受線路相序分布的影響。

圖4 合成場強的變化

2.2 土壤電阻率的影響

根據(jù)圖3中的計算模型，計算不同土壤電阻率對流過檢修人員人體電流的影響。計算過程中，保持兩回500 kV輸電線路上運行電流為2 000 A，220 kV輸電線路上運行電流為800 A；平行長度為200 m，通訊光纜桿塔高度為8 m，通訊光纜偏移桿塔中心線距離為10 m。計算土壤電阻率為500，1 000，1 500和2 000 Ω·m時所對應的人體電流，計算結果如圖5所示。由圖5可知，流過檢修人員的人體電流隨著土壤電阻率的增大而增大。

感應電流經(jīng)水泥桿塔入地過程中會出現(xiàn)分流現(xiàn)象，其等效示意如圖6所示。設流過檢修人員的電流為ir，通信光纜桿塔與人體并聯(lián)部分的電阻為Rt，檢修人員雙手與水泥桿塔接觸位置以上部分水泥桿塔的接地電阻為Rt1，人體電阻為Rr，表示接地電阻，則流過檢修人員的電流為

(1)

式(1)對r求導可得

(2)

2.3 平行長度的影響

500 kV運行電流為2 000 A，220 kV線路的運行電流設為800 A；通訊光纜桿塔高度為8 m，通信光纜偏移桿塔中心線距離為10 m，土壤電阻率為500 Ω·m保持不變，計算平行長度為50，100，150和200 m時，由于實際情況中的平行長度不會太長，而且光纜桿塔間的檔距小于200 m是實際可行的，因此，平行長度可以通過調節(jié)仿真模型LCC中光纜桿塔間的檔距實現(xiàn)，流過檢修人員的人體電流，計算結果如圖7所示，可知流過檢修人員的人體電流隨著平行長度的增加而增大，當光纜懸掛鋼芯線與輸電線路的平行長度超過150 m時，流過檢修人員的人體電流大于3 mA。

圖5 人體電流與土壤電阻率的關系

圖6 感應電流分流

2.4 通訊光纜桿塔高度的影響

根據(jù)圖3中的計算模型，計算通訊光纜桿塔高度對檢修人員人體電流的影響。保持兩回500 kV輸電線路上的運行電流為2 000 A，兩回220 kV線路上的運行電流為800 A；通信光纜偏移桿塔中心線距離為10 m，土壤電阻率為500 Ω·m不變。計算通信光纜桿塔高度為6，8，10和12 m時的人體電流，計算結果如圖8所示。

由圖8可知，流過檢修人員的人體電流隨著桿塔高度的增大而增大，桿塔高度為6 m時，流過檢修人員的人體電流為3.4 mA，桿塔高度為12 m時，流過檢修人員的人體電流為3.49 mA。輸電線路桿塔的呼稱高度已經(jīng)確定，通訊桿塔高度改變時，相當于縮短了光纜懸掛鋼芯線與輸電線路間的距離，因此，光纜懸掛鋼芯線周圍的磁場強度變大，電磁感應電流增大，電磁感應電流在檢修人員上流過的分量也相應變大，計算結果與之相吻合，驗證了該文的正確性。

圖7 人體電流與平行長度的關系

圖8 人體的電流與通訊光纜桿塔高度的關系

2.5 通訊光纜偏移桿塔中心線的影響

根據(jù)圖3中的計算模型，計算通訊光纜偏移桿塔中心線的距離對流過檢修人員人體電流的影響。保持兩回500 kV線路上的運行電流為2 000 A，兩回220 kV線路上的運行電流設為800 A；通訊光纜桿塔高度為8 m，土壤電阻率為500 Ω·m不變，計算通信光纜偏移桿塔中心線的距離不同值時流過檢修人員的人體電流，計算結果如圖9所示。

由圖9可知，流過人體的電流隨著通信光纜偏移桿塔中心線距離的增大而減小。光纜懸掛鋼芯線周圍的磁場與它到輸電線路的關系成反比，通信光纜偏移桿塔中心線的距離越遠，則光纜剛性懸掛線周圍的磁場越小，電磁感應電流越小，流過檢修人員的電流分量也隨之減小。因此，流過檢修人員人體電流與通信光纜偏移桿塔中心線的距離成反比。

圖9 人體電流與通訊光纜偏移桿塔中心線距離的關系

3 結語

筆者對500 kV/220 kV同塔四回混壓輸電線路下方平行排列架空光纜的情況進行了建模，分析了電磁感應作用對檢修人員的影響，可得出以下結論：

1)當兩回220 kV線路上的運行電流不變時，流過檢修人員的人體電流隨著兩回500 kV線路上運行電流的增大而先減小后增大；

2)上述幾種情況下的人體電流均超過了人體的感知電路閾值(0.5 mA)，但是流過檢修人員的電流沒有超過人體的擺脫閾值電流(10 mA)；

3)盡量避免架空光纜與高壓架空輸電線路的平行排列長度；如果無法避免，則可以在鋼芯懸掛線進行特殊的處理，例如利用與電纜屏蔽鎧甲類似的原理，可在鋼芯懸掛線外布設屏蔽層，在水泥桿塔處使屏蔽層接地，此法可有效降低流過檢修人員的人體電流。

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Research on electromagnetic coupling effects to communication optical cable maintenance

YANG Xin-wei, LIU Wei-na

(College of Electronic & Electrical Engineering，Henan Normal University，Xinxiang 453007, China)

The communication optical cable is located under 500 kV/220 kV four-circuit mixed-voltage transmission lines on the same tower. Electromagnetic induced current was produced on the steel core line to suspend communication cable, which is a threat to personal safety. An equivalent model which included four-circuit mixed-voltage transmission lines and communication optical cable was built by ATP/EMTP. Then the effect of factors on human current were considered, such as operation current, soil resistivity, parallel length, the height of communication optical cable tower and the distance between the central line and the communication optical cable. The results show that operation current, soil resistivity, parallel length and the tower height are positive proportional to human current, and the distance from tower central line is negative proportional to human current. The calculation results provide guidance for practical engineering application.

four-circuit transmission lines on the same tower；electromagnetic coupling; communication optical cable；electromagnetic induced current；human current

2016-07-29

楊新偉(1982—)，男，碩士，講師，主要從事電磁場數(shù)值計算與分析、直線電機設計、高壓電器優(yōu)化設計等; E-mail： yangxw@htu.cn

TM913.7

A

1673-9140(2016)04-0195-07