變電站感應(yīng)電影響與防護(hù)探討

許加凱，趙斌財(cái)，張 曉，王思城

（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

變電站感應(yīng)電影響與防護(hù)探討

許加凱，趙斌財(cái)，張 曉，王思城

（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

通過定量計(jì)算和定性分析，查找變電站內(nèi)感應(yīng)電產(chǎn)生的原因。從作業(yè)地點(diǎn)和作業(yè)人員所處電位兩個(gè)方面對變電站感應(yīng)電進(jìn)行了分類，分析了感應(yīng)電對人體的影響，探討了感應(yīng)電安全防護(hù)措施。

感應(yīng)電；定量計(jì)算；定性分析；防護(hù)

0 引言

近年來，感應(yīng)電傷人事故時(shí)有發(fā)生，造成了不可挽回的損失，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。感應(yīng)電不僅威脅著電力作業(yè)人員的生命安全，更可能導(dǎo)致重大安全事故，造成重大財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。

強(qiáng)化檢修作業(yè)現(xiàn)場感應(yīng)電預(yù)防安全管控，提高作業(yè)人員對感應(yīng)電隱蔽性和危險(xiǎn)性的防范意識，對保證作業(yè)現(xiàn)場人身和設(shè)備安全具有重要的意義。

1 變電站內(nèi)感應(yīng)電分析

1.1 感應(yīng)電的來源

靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)是變電站內(nèi)感應(yīng)電產(chǎn)生的兩大要因。

靜電感應(yīng)。變電站內(nèi)帶電導(dǎo)體是產(chǎn)生靜電感應(yīng)的主要根源，帶電導(dǎo)體會在其鄰近空間產(chǎn)生高壓電場。處于電場中的對地絕緣的導(dǎo)體與帶電導(dǎo)體之間具有極間電容，與地之間具有對地電容。由于電容耦合效應(yīng)，對地絕緣的導(dǎo)體上產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓。帶電體、被感應(yīng)導(dǎo)體和地之間的分布電容關(guān)系是影響靜電感應(yīng)大小的主要影響因素。此外，也與帶電導(dǎo)體以及被感應(yīng)導(dǎo)體的電壓等級、幾何尺寸有關(guān)。

電磁感應(yīng)。由電磁感應(yīng)原理可知，當(dāng)交變電流流過線路，會在該線路周圍產(chǎn)生交變的磁場。如果停電檢修的線路與帶電線路交鏈，會在停電檢修線路上感應(yīng)出沿線路方向分布的電勢。這種由于停電檢修線路與帶電線路之間的互感效應(yīng)而產(chǎn)生的磁耦合為電磁感應(yīng)。帶電體中電流產(chǎn)生交變磁場的強(qiáng)弱、停電檢修線路和帶電線路之間的耦合系數(shù)、線路的對地絕緣程度是影響電磁感應(yīng)大小的主要因素。特別當(dāng)帶電線路流過故障電流時(shí)，停電檢修線路上的電磁感應(yīng)電壓尤為突出。

1.2 感應(yīng)電的定量計(jì)算

1.2.1 靜電感應(yīng)

變電站內(nèi)單間隔或多間隔停電檢修，而鄰近間隔帶電的檢修作業(yè)較多。由于停電檢修線路和帶電運(yùn)行的線路之間存在分布電容，會在鄰近間隔的檢修線路上產(chǎn)生較高的靜電感應(yīng)電壓。

如圖1所示，帶電運(yùn)行線路在任意一相停電檢修線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電流為

式中：Up為帶電運(yùn)行線路的額定相電壓；Xc為停電檢修線路和帶電運(yùn)行的線路之間的容抗。

圖1 靜電感應(yīng)示意

停電檢修線路和帶電運(yùn)行的線路之間的分布電容［1］C的計(jì)算公式為

式中：ε0為空氣的介電常數(shù)；d為停電檢修線路和帶電運(yùn)行線路之間的距離；r1為帶電運(yùn)行線路的半徑；r2為停電檢修線路的半徑。

圖1中停電檢修線路的A′相最靠近帶電設(shè)備線路，假設(shè)三相帶電線路電壓對稱，A′相的對地電容為CA′，A′相與A、B、C相之間的分布電容分別為CA′A、CA′B、CA′C，帶電運(yùn)行線路的相電壓分別為UA、UB、UC。根據(jù)耦合電容分壓原理，停電檢修線路A′相的靜電感應(yīng)電壓UpA′為

由式（3）和式（4）可知，靜電感應(yīng)電壓的大小與停電檢修線路和帶電運(yùn)行線路之間的距離有關(guān)，與線路長度無關(guān)。

1.2.2 電磁感應(yīng)

變電站內(nèi)單間隔或多間隔停電檢修時(shí)，帶電運(yùn)行線路對停電檢修線路所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)有兩個(gè)來源［2］，即帶電運(yùn)行線路的不平衡零序電流I0對停電檢修線路產(chǎn)生的零序感應(yīng)電壓U0；帶電運(yùn)行線路的三相平衡電流Ia、Ib和Ic對停電檢修線路產(chǎn)生的電壓Uma、Umb和Umc。

帶電運(yùn)行的線路L1會在其周圍產(chǎn)生交變磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，若處于該磁場中的停電檢修線路L2與L1二者平行或存在交角，則線路L2中會產(chǎn)生沿L2分布的感應(yīng)電壓［3］，電磁感應(yīng)電壓Um可表示為式中：ω為帶電運(yùn)行線路的角頻率；λ為屏蔽系數(shù)，通常為1；M為兩線路間的互感系數(shù)；Ij為帶電線路j中通過的電流；lj為帶電線路j和檢修線路的平行感應(yīng)長度，km。

根據(jù)式（5），停電檢修線路A′相總的電磁感應(yīng)電壓UmA′為

由式（6）可知，電磁感應(yīng)電壓UmA′的大小與帶電線路中通過的電流大小、線路間平行感應(yīng)長度成正比。

3）感應(yīng)電壓計(jì)算。

綜合考慮靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩種因素，停電檢修線路A′相的感應(yīng)電壓UA′為

由式（7）可知，感應(yīng)電壓的大小與帶電運(yùn)行線路的電壓和電流大小、停電檢修線路和帶電運(yùn)行線路之間的距離及二者的平行感應(yīng)長度等因素相關(guān)。

1.3 感應(yīng)電定性分析

變電站內(nèi)單間隔或多間隔停電檢修，而鄰近間隔線路帶電的檢修作業(yè)，在停電間隔線路上共有4種不同的感應(yīng)參量：靜電感應(yīng)電壓、靜電感應(yīng)電流、電磁感應(yīng)電壓、電磁感應(yīng)電流，分別表征停電檢修線路兩端不同接電狀態(tài)時(shí)的感應(yīng)量［4-5］。這些參量的大小與間隔布局位置、導(dǎo)線的排列、運(yùn)行方式、線路長度等因素有關(guān)。

1）若停電檢修線路不接地，如圖2所示，被檢修線路上將會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓的靜電耦合分量占主導(dǎo)，感應(yīng)電壓值各處相等。

2）若停電檢修線路單端接地，如圖3所示，接地點(diǎn)將流過感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流的靜電耦合分量占主導(dǎo)。該線路另一端會產(chǎn)生較高的電磁耦合電壓。此時(shí)接地端感應(yīng)電壓為0，非接地端最大；感應(yīng)電流接地端最大，非接地端為0。

3）若停電檢修線路兩端接地，如圖4所示，則接地點(diǎn)會產(chǎn)生電磁耦合電流。此時(shí)，兩端感應(yīng)電壓為0，中間最大，其最大幅值與兩端接地間距有關(guān)。間距越大，感應(yīng)電壓越大；感應(yīng)電流兩端最大，中點(diǎn)為0。

圖2 不接地感應(yīng)電壓與電流關(guān)系

圖3 一端接地感應(yīng)電壓與電流關(guān)系

圖4 兩端接地感應(yīng)電壓與電流關(guān)系

2 變電站內(nèi)感應(yīng)電作業(yè)類型

2.1 按作業(yè)地點(diǎn)分類

根據(jù)作業(yè)地點(diǎn)不同，變電站內(nèi)涉及感應(yīng)電的作業(yè)主要包括鄰近設(shè)備／線路帶電的作業(yè)、運(yùn)行設(shè)備上的作業(yè)、移動／傳遞導(dǎo)電物體和組合電器上的作業(yè)。

1）鄰近設(shè)備／線路帶電的作業(yè)。

鄰近設(shè)備／線路帶電的作業(yè)是變電站檢修維護(hù)時(shí)的主要作業(yè)方式。

鄰近間隔帶電的停電檢修作業(yè)，如斷路器檢修、隔離開關(guān)更換、絕緣子瓷瓶涂刷防污閃涂料等，靠近鄰近間隔的邊相感應(yīng)電較強(qiáng)。

變電站構(gòu)架上的工作，如鳥巢拆除、進(jìn)出線絕緣子更換、阻波器拆除等，這些工作需要使用斗臂車或人工攀爬到高處作業(yè)，距離高壓進(jìn)出線較近，感應(yīng)電較強(qiáng)。

單母線停電檢修作業(yè)，此時(shí)相鄰母線帶電，在停電母線下方或周圍作業(yè)時(shí)，對地絕緣的導(dǎo)電體將產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

2）運(yùn)行設(shè)備上的作業(yè)。

SF6電氣設(shè)備運(yùn)行中經(jīng)常因泄漏造成告警、閉鎖信號，經(jīng)常需要檢修人員進(jìn)行帶電補(bǔ)氣工作。

對運(yùn)行中的互感器設(shè)備定期進(jìn)行維護(hù)試驗(yàn)，是一項(xiàng)常規(guī)性技術(shù)監(jiān)督工作，如油浸式互感器取油樣，SF6互感器運(yùn)行中的氣體含水量檢測等。

上述兩項(xiàng)工作均需要在帶電運(yùn)行設(shè)備上進(jìn)行，人體距離帶電部位較近，易受到感應(yīng)電威脅。

3）移動／傳遞導(dǎo)電物體。

這類作業(yè)主要包括：起重、運(yùn)輸車輛起吊、運(yùn)輸金屬物體，如組合電器加裝鋼結(jié)構(gòu)棚時(shí)吊裝鋼梁；地面作業(yè)人員在強(qiáng)電場中觸摸停電設(shè)備上的金屬部件；用絕緣繩索傳遞大件金屬物品等。導(dǎo)電物體在強(qiáng)電場環(huán)境中處于中間懸浮電位，人體接觸后，通過人體對地放電。

4）組合電器上的作業(yè)。

GIS設(shè)備的母線和外殼是一對同軸的兩個(gè)電極，當(dāng)電流通過母線時(shí)，在外殼產(chǎn)生感應(yīng)電壓。電力標(biāo)準(zhǔn)［6-7］規(guī)定GIS設(shè)備外殼和支架上的感應(yīng)電壓，正常運(yùn)行條件下不應(yīng)大于24V，故障條件不應(yīng)大于100 V。若站外發(fā)生短路，母線上將流過很大的短路電流，此時(shí)在外殼上的感應(yīng)電壓會更加顯著，可能對人體安全構(gòu)成威脅。

2.2 按作業(yè)人員所處電位分類

根據(jù)作業(yè)人員處于電位的不同［7］，變電站內(nèi)可能產(chǎn)生感應(yīng)電的作業(yè)分為地電位作業(yè)和中間電位作業(yè)。

1）地電位作業(yè)時(shí)的感應(yīng)電。

如圖5所示，作業(yè)人員位于地面或接地構(gòu)架上，人體電位與大地保持同一電位。對于220 kV及以下線路和設(shè)備，此時(shí)人體與接地體處于同一電位，作業(yè)人員所處位置電場強(qiáng)度低，不需要采取電場保護(hù)措施。

但是，對地絕緣的導(dǎo)電體在電場中因電容耦合靜電感應(yīng)而積累一定量的電荷而處于一定電位［8］。如果處于地電位的作業(yè)人員用手去觸摸，導(dǎo)電體上的感應(yīng)電荷將通過人體對地放電。

2）中間電位作業(yè)時(shí)的感應(yīng)電。

圖5 地電位作業(yè)時(shí)感應(yīng)電示意

如圖6所示，作業(yè)人員站在對地絕緣的平臺上，采用絕緣工器具進(jìn)行作業(yè)。

圖6 中間電位作業(yè)時(shí)感應(yīng)電示意

根據(jù)靜電感應(yīng)原理，人體因?qū)Φ仉娙蓠詈隙幱趹腋≈虚g電位，與接地體和帶電體之間均存在電位差。一旦接觸接地體，人體將通過接觸點(diǎn)對地放電，如處于地電位的作業(yè)人員直接接觸處于中間電位的作業(yè)人員傳遞工器具。

3 感應(yīng)電對人體的影響

對于人體阻抗的取值，《IEEE交流變電站接地安全導(dǎo)則》［9］選用1 000Ω，《電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》［10］一直采用1 500Ω。人體電阻與被感應(yīng)物體與地之間的容抗相比，小得多，在強(qiáng)電場中可視作導(dǎo)體。

感應(yīng)電電擊對人體造成傷害主要是流經(jīng)人體電流的大小，可分為穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流和暫態(tài)感應(yīng)電流。

穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流是由于被感應(yīng)物體本身積蓄的電荷放電的結(jié)果。人體對穩(wěn)態(tài)電擊的生理反應(yīng)及男性和女性對應(yīng)這些生理反應(yīng)的電流閾值如表 1所示［8，11－12］。

表1 穩(wěn)態(tài)電擊的電流閾值 mA

穩(wěn)態(tài)電擊對人體造成損傷的主要因素是流經(jīng)人體的電流數(shù)值，IEC對交流電通過對人體生理效應(yīng)的推薦值［11］，如表2所示。我國規(guī)定［12］10mA為人體安全電流限值。

表2交流電通過人體生理效應(yīng)推薦值 mA

暫態(tài)感應(yīng)電流是被感應(yīng)物體的電容電流［8］。暫態(tài)電擊是人體接觸處于中間電位的導(dǎo)體，積累在導(dǎo)體上的電荷瞬間對人體放電所產(chǎn)生，人體對暫態(tài)電擊產(chǎn)生生理反應(yīng)的能量閾值如表3所示。由于作用時(shí)間短，且被感應(yīng)物體不能積累足夠大能量，因此暫態(tài)感應(yīng)電流對人體的危害較?。?3］。

表3人體對暫態(tài)電擊產(chǎn)生生理反應(yīng)的能量閾值

4 變電站感應(yīng)電的安全防護(hù)

組織作業(yè)人員學(xué)習(xí)感應(yīng)電產(chǎn)生的原理及預(yù)防措施，通過現(xiàn)場勘查和事故預(yù)想提高對感應(yīng)電的危險(xiǎn)性預(yù)判，結(jié)合《電力安全工作規(guī)程》［14］和生產(chǎn)實(shí)際制定感應(yīng)電防觸電措施。

在變電站內(nèi)構(gòu)架上或鄰近構(gòu)架的高空作業(yè)車上作業(yè)，以及單間隔或部分設(shè)備停電檢修作業(yè)時(shí)，若鄰近構(gòu)架或間隔帶電，需要采取防感應(yīng)的措施。

在變電站內(nèi)可能產(chǎn)生感應(yīng)電的場所進(jìn)行檢修消缺、電氣試驗(yàn)等工作，應(yīng)戴絕緣手套，使用絕緣工具，同時(shí)與周圍帶電體保持足夠的安全距離。 對變電站內(nèi)設(shè)備不停電或需帶電進(jìn)行的作業(yè)，應(yīng)采取加裝工作接地線、穿靜電感應(yīng)防護(hù)服等防靜電感應(yīng)措施。

5 結(jié)語

從變電站內(nèi)靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，結(jié)合作業(yè)地點(diǎn)和作業(yè)人員所處電位，采取相應(yīng)的感應(yīng)電防護(hù)組織措施和技術(shù)措施，加強(qiáng)作業(yè)現(xiàn)場安全管控，能夠有效降低感應(yīng)電的危害，確保作業(yè)現(xiàn)場人身和設(shè)備安全。

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Analysis and Prevention of Induced Electricity in Substations

X U Jiakai，Z HAO Bincai，Z HANG Xiao，W ANG Sicheng
（State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang，261021，China）

Based on quantitative calculation and qualitative analysis，the reason of the produce of induced electricity in substations is researched.The induced electricity is classified in aspects of the operating position and the electric potential of the operating personnel.Effects of the induced electricity on human beings are also analyzed.Finally，some safety prevention measures are explored.

induced electricity；quantitative calculation；qualitative analysis；prevention

TM63

B

1007－9904（2017）06－0073－04

2016－12－07

許加凱（1987），男，工程師，從事變電站設(shè)備檢修工作。