特高壓直流輸電線路不停用再啟動(dòng)功能情況下的帶電作業(yè)安全性分析

彭 勇，雷興列，方玉群2，蘇梓銘，肖 賓，劉 凱

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007)

0 引 言

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程(線路部分)(以下簡(jiǎn)稱“安規(guī)”)及相關(guān)帶電作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為確保線路帶電作業(yè)工作的安全，一般要求“停用重合閘或直流線路再啟動(dòng)功能”[1]，其作為保障帶電作業(yè)安全的一項(xiàng)重要措施，已廣泛應(yīng)用到實(shí)際工作中。隨著中國(guó)特高壓輸電工程廣泛投運(yùn)，鑒于其重要性，帶電作業(yè)作為保障線路安全可靠運(yùn)行重要技術(shù)手段的地位顯得更為突出[2-3]，同時(shí)更高電壓等級(jí)的帶電檢修工作給作業(yè)人員帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和更大的心理壓力。開展帶電作業(yè)時(shí)“停用重合閘或直流線路再啟動(dòng)功能”這一保障措施成為很多線路運(yùn)檢單位開展特高壓線路帶電作業(yè)的必選項(xiàng)。然而，由于特高壓輸電線路較高壓及超高壓線路更長(zhǎng)，且是重要的跨區(qū)輸電通道，在帶電作業(yè)工作中，若經(jīng)常要求停用線路重合閘或直流線路再啟動(dòng)功能，則很難被電力調(diào)度部門許可。因?yàn)閺妮旊娤到y(tǒng)安全運(yùn)行的角度考慮，過(guò)多的停用重合閘或直流線路再啟動(dòng)功能將可能提高線路瞬時(shí)故障的跳閘率，降低輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平[4]，尤其是特高壓直流輸電工程還經(jīng)常存在因直流控制系統(tǒng)原因而無(wú)法操作停用線路再啟動(dòng)功能的情況。因此，很多線路運(yùn)檢單位經(jīng)常面臨著由于直流線路再啟動(dòng)功能不能停用導(dǎo)致帶電作業(yè)無(wú)法順利開展的難題。

下面針對(duì)不停用直流線路再啟動(dòng)功能的情況，開展了特高壓帶電作業(yè)安全性技術(shù)分析，解讀分析了開展帶電作業(yè)時(shí)停用直流線路再啟動(dòng)功能的作用，結(jié)合特高壓直流輸電線路最大操作過(guò)電壓水平，對(duì)帶電作業(yè)安全距離進(jìn)行了校核分析；并結(jié)合典型帶電作業(yè)項(xiàng)目，從帶電作業(yè)方式和使用工器具的角度具體分析了帶電作業(yè)的安全性，明確了在不停用直流線路再啟動(dòng)功能情況下能否安全開展帶電作業(yè)的具體作業(yè)項(xiàng)目，為特高壓直流線路帶電作業(yè)的安全開展提供了參考。

1 相關(guān)條款說(shuō)明及解讀

安規(guī)中帶電作業(yè)部分相應(yīng)條款說(shuō)明如下[1]：“帶電作業(yè)有下列情況之一者，應(yīng)停用重合閘或直流線路再啟動(dòng)功能，并不準(zhǔn)強(qiáng)送電，禁止約時(shí)停用或恢復(fù)重合閘及直流線路再啟動(dòng)功能。1)中性點(diǎn)有效接地的系統(tǒng)中有可能引起單相接地的作業(yè)；2)中性點(diǎn)非有效接地的系統(tǒng)中有可能引起相間短路的作業(yè)；3)直流線路中有可能引起單極接地或極間短路的作業(yè)；4)工作票簽發(fā)人或工作負(fù)責(zé)人認(rèn)為需要停用重合閘或直流線路再啟功能的作業(yè)。”許多帶電作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如DL/T 966《送電線路帶電作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》、DL/T 1242《±800 kV直流輸電線路帶電作業(yè)技術(shù)規(guī)范》、DL/T 881《±500 kV直流輸電線路帶電作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》、DL/T 392《1000 kV交流輸電線路帶電作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》中均有相關(guān)要求。

1.1 條文解讀

帶電作業(yè)時(shí)停用重合閘或直流線路再啟動(dòng)功能一是可減少系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)電壓的概率，從而減小了帶電作業(yè)的危險(xiǎn)性；二是若在帶電作業(yè)過(guò)程中，作業(yè)人員發(fā)生了意外事故，該措施可防止其遭受二次傷害，以避免萬(wàn)一發(fā)生事故時(shí)不致擴(kuò)大。實(shí)際上，該措施僅起到保障帶電作業(yè)工作安全的后備作用，其起到的關(guān)鍵作用主要體現(xiàn)在當(dāng)帶電作業(yè)工作點(diǎn)發(fā)生安全事故的時(shí)候，例如作業(yè)過(guò)程中因最小安全距離不足而造成了相地之間發(fā)生放電，此時(shí)若不停用重合閘或直流線路再啟動(dòng)功能，則線路再次復(fù)電后，將加劇對(duì)作業(yè)人員的傷害或者造成其他后果[4]。

大量實(shí)踐工作證明，該措施并不是防止帶電作業(yè)事故擴(kuò)大的萬(wàn)全措施，且過(guò)多地停用重合閘或直流線路再啟動(dòng)功能會(huì)降低安全運(yùn)行水平，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行不利，特別是對(duì)輸送容量大、供電范圍廣的超特高壓電力系統(tǒng)。因此，對(duì)待這一措施必須謹(jǐn)慎，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析[5]。

1.2 停用直流線路再啟動(dòng)功能的作用分析

開展特高壓直流輸電線路帶電作業(yè)時(shí)，在遇到“直流線路中可能引起單極接地或極間短路的作業(yè)”項(xiàng)目時(shí)，停用直流線路再啟動(dòng)功能主要是避免若出現(xiàn)帶電作業(yè)事故而引起擴(kuò)大性后果。下面從發(fā)生帶電作業(yè)事故的角度深入分析該措施的作用。

由于帶電作業(yè)過(guò)程中極地或極間起到絕緣作用的介質(zhì)為空氣間隙和絕緣工器具，因此有兩種原因會(huì)造成帶電作業(yè)事故，一是帶電作業(yè)空氣間隙被擊穿，二是帶電作業(yè)絕緣工器具發(fā)生閃絡(luò)。

1)帶電作業(yè)空氣間隙被擊穿

帶電作業(yè)空氣間隙被擊穿通常在是線路產(chǎn)生操作過(guò)電壓的情況下發(fā)生的，有兩種原因：帶電作業(yè)安全距離不足和小概率事件(即遇到了比帶電作業(yè)危險(xiǎn)率10-5還小的事件)。特高壓直流線路的外絕緣水平受污穢控制，桿塔塔頭間隙較大，帶電作業(yè)安全距離不足的情況一般不會(huì)發(fā)生。但由于前期研究獲取的帶電作業(yè)最小安全距離等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)是依托特高壓直流示范工程開展的，其與線路操作過(guò)電壓水平直接相關(guān)。因此有必要結(jié)合不同線路的過(guò)電壓水平(包括考慮不停用直流線路再啟動(dòng)功能時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓)進(jìn)行校核分析[7]，進(jìn)一步明確帶電作業(yè)安全距離參數(shù)。而對(duì)于小概率事件，應(yīng)不予考慮，因?yàn)閹щ娮鳂I(yè)允許小概率事件發(fā)生。

此種情況下，停用直流線路再啟動(dòng)功能的主要作用是避免再啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓對(duì)作業(yè)位置處帶電作業(yè)空氣間隙絕緣的影響，若其產(chǎn)生的操作過(guò)電壓比引起事故的間隙擊穿電壓低或空氣絕緣能夠耐受，則沒(méi)有必要停用直流線路再啟動(dòng)功能。

2)帶電作業(yè)絕緣工器具發(fā)生閃絡(luò)

若帶電作業(yè)絕緣工器具在極地或極間作為主絕緣介質(zhì)時(shí)發(fā)生了閃絡(luò)，有兩種原因：工具的有效絕緣長(zhǎng)度不足和工具本身的絕緣性能不足。特高壓帶電作業(yè)絕緣工具有效絕緣長(zhǎng)度不足的情況一般不會(huì)發(fā)生，而絕緣工器具本身的絕緣性能不足又有兩種情況，即工器具本身質(zhì)量問(wèn)題和作業(yè)過(guò)程中氣象條件變化引起的絕緣性能降低。工器具本身的質(zhì)量問(wèn)題可通過(guò)預(yù)防性試驗(yàn)予以保障，而作業(yè)過(guò)程中氣象條件等變化引起的絕緣性能下降則難以規(guī)避。

此種情況下，若直流線路再啟動(dòng)功能未停用，由于絕緣工器具不能及時(shí)安全退出且其絕緣性能降低不可能短時(shí)恢復(fù)，甚至?xí)M(jìn)一步下降，再啟動(dòng)后產(chǎn)生的過(guò)電壓乃至正常運(yùn)行電壓都極有可能再次造成工器具閃絡(luò)，反復(fù)閃絡(luò)將大大降低工器具的機(jī)械性能，進(jìn)而造成事故擴(kuò)大，則該情況下應(yīng)停用直流線路再啟動(dòng)功能。

綜上分析，若要進(jìn)一步明確不停用直流線路再啟動(dòng)功能情況下開展帶電作業(yè)的安全性：一是需要根據(jù)不同線路的過(guò)電壓水平進(jìn)一步校核帶電作業(yè)安全距離，評(píng)估最小安全距離是否滿足要求；二是從帶電作業(yè)工器具使用的角度，需要結(jié)合具體的作業(yè)項(xiàng)目、工藝和使用工具的種類來(lái)分析帶電作業(yè)的安全性。

2 不停用直流線路再啟動(dòng)功能下帶電作業(yè)安全距離校核

2.1 校核依據(jù)

研究確定超/特高壓輸電線路帶電作業(yè)安全距離的方法是：首先分析確定線路帶電作業(yè)過(guò)電壓水平；然后進(jìn)行真型塔典型作業(yè)工況帶電作業(yè)間隙放電試驗(yàn)，得出放電特性曲線；最后根據(jù)帶電作業(yè)絕緣配合方法，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和線路過(guò)電壓水平，計(jì)算確定帶電作業(yè)最小安全距離值。

1)帶電作業(yè)間隙操作沖擊放電特性

IEC 60071-2《Insulation Coordination Part 2 Application Guide》推薦的空氣間隙緩波前過(guò)電壓絕緣特性經(jīng)驗(yàn)式為

U50=KU50RP

(1)

U50RP=500d0.6

(2)

式中：U50為間隙的操作沖擊50%放電電壓；d為空氣間隙距離；K為間隙系數(shù)；U50RP為相應(yīng)電壓波形及間隙距離下棒-板間隙操作沖擊50%放電電壓。研究中，可根據(jù)各帶電作業(yè)間隙結(jié)構(gòu)的操作沖擊放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算求取其間隙系數(shù)K，得出該帶電作業(yè)間隙結(jié)構(gòu)的操作沖擊放電電壓計(jì)算式及擬合曲線[8]。

2)直流線路帶電作業(yè)絕緣配合

在中國(guó)現(xiàn)在普遍采用比試驗(yàn)得到的U50低3σ的電壓值作為帶電作業(yè)間隙的耐受電壓，以Uw表示。

Uw=U50(1-3σ)

(3)

式中：σ為帶電作業(yè)間隙50%放電電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差，一般偏嚴(yán)考慮取6%[9]。

因此，當(dāng)作業(yè)間隙的耐受電壓不小于直流線路的最大操作過(guò)電壓，即可保證帶電作業(yè)間隙不會(huì)發(fā)生擊穿，保證作業(yè)人員的安全。即：

Uw≥AUmax

(4)

式中：Uw為帶電作業(yè)間隙的耐受電壓；A為安全系數(shù)，不小于1；Umax為直流線路最大操作過(guò)電壓。

實(shí)際上，當(dāng)線路輸送容量、線路長(zhǎng)度和設(shè)備參數(shù)不同時(shí)，線路的操作過(guò)電壓水平會(huì)有較大差別[10]，因此在試驗(yàn)獲取典型工況下帶電作業(yè)間隙的放電特性的前提下，在最終確定帶電作業(yè)最小安全距離時(shí)，應(yīng)根據(jù)該線路的實(shí)際過(guò)電壓倍數(shù)或幅值來(lái)計(jì)算分析。

2.2 校核分析

帶電作業(yè)過(guò)程中若不停用直流線路再啟動(dòng)功能，則在評(píng)估帶電作業(yè)安全性時(shí)，需考慮由直流輸電保護(hù)系統(tǒng)在故障或操作發(fā)生后動(dòng)作所產(chǎn)生的操作過(guò)電壓，由于其產(chǎn)生的操作過(guò)電壓低于單極接地故障在健全極線路上產(chǎn)生的操作過(guò)電壓水平。因此，從嚴(yán)考慮，校核計(jì)算帶電作業(yè)安全距離應(yīng)考慮單極接地故障產(chǎn)生的最大操作過(guò)電壓。

研究表明，當(dāng)直流線路最大過(guò)電壓為一極線路中點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，最大過(guò)電壓水平出現(xiàn)在健全極線路中點(diǎn)附近[8-9]，而特高壓直流線路最大操作過(guò)電壓水平一般在1.75 p.u.(1 p.u.=816 kV)以下，安全系數(shù)A按照1.05考慮，校核計(jì)算±800 kV特高壓直流輸電線路操作過(guò)電壓倍數(shù)在1.60～1.75 p.u.之間時(shí)，帶電作業(yè)最小安全距離值的范圍為5.9～6.8 m。可見，帶電作業(yè)最小安全距離等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)值與線路操作過(guò)電壓倍數(shù)成正比。

安規(guī)中明確在海拔高度為1000 m及以下地區(qū)，±800 kV特高壓直流輸電線路帶電作業(yè)時(shí)人身與帶電體的安全距離為6.8 m，絕緣承力工具、絕緣繩索最小有效絕緣長(zhǎng)度為6.6 m。上述帶電作業(yè)安全距離等技術(shù)參數(shù)是依托向家壩—上海±800 kV特高壓直流輸電示范工程研究提出的，帶電作業(yè)最大操作過(guò)電壓水平取1.75 p.u.，均大于后來(lái)投運(yùn)的±800 kV特高壓直流輸電線路的操作過(guò)電壓水平[11-15]。因此，安規(guī)中的±800 kV電壓等級(jí)帶電作業(yè)安全距離等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)是能夠滿足其他±800 kV特高壓直流輸電線路的帶電作業(yè)安全要求的，而且還留有一定的裕度。

以±800 kV特高壓直流輸電線路典型的“羊角型”、“L型串直線塔”桿塔為例(如圖1所示)，對(duì)塔頭尺寸進(jìn)行校核，典型塔頭空氣間隙距離一般在10 m以上，比帶電作業(yè)最小安全距離的數(shù)值大。所以，即使帶電作業(yè)時(shí)不停用直流線路再啟動(dòng)功能，一般典型桿塔結(jié)構(gòu)塔頭間隙大小也能滿足帶電作業(yè)安全距離的要求。

3 具體帶電作業(yè)項(xiàng)目的安全性分析

3.1 安全評(píng)估原則

按照檢修對(duì)象進(jìn)行分類，輸電線路帶電作業(yè)典型項(xiàng)目包括有絕緣子類、導(dǎo)地線類、金具類和附屬設(shè)施類。結(jié)合特高壓直流線路帶電作業(yè)典型項(xiàng)目，從帶電作業(yè)工器具使用、作業(yè)方式的角度評(píng)估不停用直流線路再啟動(dòng)功能時(shí)開展帶電作業(yè)的安全性，由1.2節(jié)分析可知，評(píng)估的主要原則是判斷在作業(yè)過(guò)程中，是否采用絕緣工器具作為極地或極間主絕緣介質(zhì)進(jìn)行使用，即各典型項(xiàng)目作業(yè)過(guò)程中的關(guān)鍵工具，有無(wú)使用在極地或極間的絕緣承力工具。

3.2 帶電作業(yè)典型項(xiàng)目分析

對(duì)于絕緣子類典型作業(yè)項(xiàng)目，若不停用直流線路再啟動(dòng)功能，在開展帶電更換直線串復(fù)合絕緣子和耐張整串絕緣子項(xiàng)目時(shí)又必須使用絕緣承力工具用于轉(zhuǎn)移導(dǎo)線機(jī)械荷載，存在工器具絕緣失效造成極地短路觸發(fā)再啟動(dòng)功能的風(fēng)險(xiǎn)。而在開展帶電更換耐張串橫擔(dān)(導(dǎo)線)側(cè)1～3片絕緣子及耐張串任意單片絕緣子項(xiàng)目時(shí)，在保證良好絕緣子片數(shù)的情況，使用的金屬承力工具無(wú)引起極地短路的風(fēng)險(xiǎn)，不會(huì)對(duì)原有的絕緣造成影響。

對(duì)于導(dǎo)地線類、金具類和附屬設(shè)施類典型作業(yè)項(xiàng)目，若不停用直流線路再啟動(dòng)功能，由于作業(yè)過(guò)程中未在極地或極間使用絕緣承力工具，故這幾類帶電作業(yè)項(xiàng)目均可以安全開展。但需要注意的是，作業(yè)人員采用吊籃法進(jìn)入等電位后，宜與塔上電工配合將吊籃收回，以避免吊籃及其配套絕緣繩長(zhǎng)時(shí)間位于地電位桿塔構(gòu)架和高電位線路之間，避免因天氣突變使得絕緣繩索性能急劇下降而造成短路觸發(fā)再啟動(dòng)功能的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 ±800 kV特高壓輸電線路典型桿塔結(jié)構(gòu)尺寸

分析特高壓直流帶電作業(yè)典型項(xiàng)目可否不停用直流線路再啟動(dòng)功能，如表1所示。

4 結(jié) 論

1)在不停用直流線路再啟動(dòng)功能的情況下，考慮特高壓直流輸電線路的最大操作過(guò)電壓水平，對(duì)帶電作業(yè)安全距離進(jìn)行校核計(jì)算分析，結(jié)果表明：特高壓直流線路塔頭空氣間隙尺寸一般均滿足帶電作業(yè)最小安全距離的要求。

2)在不停用直流線路再啟動(dòng)功能的情況下，對(duì)輸電線路4類典型作業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行安全性分析，結(jié)果表明：在各類典型項(xiàng)目中，若極地之間使用有絕緣承力工具，如帶電更換整串絕緣子項(xiàng)目，因存在絕緣性能失效的可能性，從而可能導(dǎo)致極地之間反復(fù)擊穿閃絡(luò)，以至事故擴(kuò)大。因此開展該類帶電作業(yè)項(xiàng)目應(yīng)停用直流線路再啟動(dòng)保護(hù)功能，

表1 帶電作業(yè)典型項(xiàng)目分析

3)其他未在極地之間使用有絕緣承力工具的作業(yè)項(xiàng)目，如導(dǎo)地線類、金具類和附屬設(shè)施類典型作業(yè)項(xiàng)目，可以不停用直流線路再啟動(dòng)保護(hù)功能。