特高壓直流輸電線路不停用再啟動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.中國電力科學研究院有限公司，湖北 武漢 430074；2.國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007)

0 引 言

根據(jù)國家電網公司電力安全工作規(guī)程(線路部分)(以下簡稱“安規(guī)”)及相關帶電作業(yè)技術標準的要求，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功能”[1]，其作為保障帶電作業(yè)安全的一項重要措施，已廣泛應用到實際工作中。隨著中國特高壓輸電工程廣泛投運，鑒于其重要性，帶電作業(yè)作為保障線路安全可靠運行重要技術手段的地位顯得更為突出[2-3]，同時更高電壓等級的帶電檢修工作給作業(yè)人員帶來新的挑戰(zhàn)和更大的心理壓力。開展帶電作業(yè)時“停用重合閘或直流線路再啟動功能”這一保障措施成為很多線路運檢單位開展特高壓線路帶電作業(yè)的必選項。然而，由于特高壓輸電線路較高壓及超高壓線路更長，且是重要的跨區(qū)輸電通道，在帶電作業(yè)工作中，若經常要求停用線路重合閘或直流線路再啟動功能，則很難被電力調度部門許可。因為從輸電系統(tǒng)安全運行的角度考慮，過多的停用重合閘或直流線路再啟動功能將可能提高線路瞬時故障的跳閘率，降低輸電系統(tǒng)的安全運行水平[4]，尤其是特高壓直流輸電工程還經常存在因直流控制系統(tǒng)原因而無法操作停用線路再啟動功能的情況。因此，很多線路運檢單位經常面臨著由于直流線路再啟動功能不能停用導致帶電作業(yè)無法順利開展的難題。

下面針對不停用直流線路再啟動功能的情況，開展了特高壓帶電作業(yè)安全性技術分析，解讀分析了開展帶電作業(yè)時停用直流線路再啟動功能的作用，結合特高壓直流輸電線路最大操作過電壓水平，對帶電作業(yè)安全距離進行了校核分析；并結合典型帶電作業(yè)項目，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功能情況下能否安全開展帶電作業(yè)的具體作業(yè)項目，為特高壓直流線路帶電作業(yè)的安全開展提供了參考。

1 相關條款說明及解讀

安規(guī)中帶電作業(yè)部分相應條款說明如下[1]：“帶電作業(yè)有下列情況之一者，應停用重合閘或直流線路再啟動功能，并不準強送電，禁止約時停用或恢復重合閘及直流線路再啟動功能。1)中性點有效接地的系統(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)人或工作負責人認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)技術標準如DL/T 966《送電線路帶電作業(yè)技術導則》、DL/T 1242《±800 kV直流輸電線路帶電作業(yè)技術規(guī)范》、DL/T 881《±500 kV直流輸電線路帶電作業(yè)技術導則》、DL/T 392《1000 kV交流輸電線路帶電作業(yè)技術導則》中均有相關要求。

1.1 條文解讀

帶電作業(yè)時停用重合閘或直流線路再啟動功能一是可減少系統(tǒng)產生過電壓的概率，從而減小了帶電作業(yè)的危險性；二是若在帶電作業(yè)過程中，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，以避免萬一發(fā)生事故時不致擴大。實際上，該措施僅起到保障帶電作業(yè)工作安全的后備作用，其起到的關鍵作用主要體現(xiàn)在當帶電作業(yè)工作點發(fā)生安全事故的時候，例如作業(yè)過程中因最小安全距離不足而造成了相地之間發(fā)生放電，此時若不停用重合閘或直流線路再啟動功能，則線路再次復電后，將加劇對作業(yè)人員的傷害或者造成其他后果[4]。

大量實踐工作證明，該措施并不是防止帶電作業(yè)事故擴大的萬全措施，且過多地停用重合閘或直流線路再啟動功能會降低安全運行水平，對系統(tǒng)安全運行不利，特別是對輸送容量大、供電范圍廣的超特高壓電力系統(tǒng)。因此，對待這一措施必須謹慎，應具體問題具體分析[5]。

1.2 停用直流線路再啟動功能的作用分析

開展特高壓直流輸電線路帶電作業(yè)時，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)”項目時，停用直流線路再啟動功能主要是避免若出現(xiàn)帶電作業(yè)事故而引起擴大性后果。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)過程中極地或極間起到絕緣作用的介質為空氣間隙和絕緣工器具，因此有兩種原因會造成帶電作業(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。

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生操作過電壓的情況下發(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)最小安全距離等關鍵技術參數(shù)是依托特高壓直流示范工程開展的，其與線路操作過電壓水平直接相關。因此有必要結合不同線路的過電壓水平(包括考慮不停用直流線路再啟動功能時產生的操作過電壓)進行校核分析[7]，進一步明確帶電作業(yè)安全距離參數(shù)。而對于小概率事件，應不予考慮，因為帶電作業(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功能的主要作用是避免再啟動時產生的操作過電壓對作業(yè)位置處帶電作業(yè)空氣間隙絕緣的影響，若其產生的操作過電壓比引起事故的間隙擊穿電壓低或空氣絕緣能夠耐受，則沒有必要停用直流線路再啟動功能。

2)帶電作業(yè)絕緣工器具發(fā)生閃絡

若帶電作業(yè)絕緣工器具在極地或極間作為主絕緣介質時發(fā)生了閃絡，有兩種原因：工具的有效絕緣長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度不足的情況一般不會發(fā)生，而絕緣工器具本身的絕緣性能不足又有兩種情況，即工器具本身質量問題和作業(yè)過程中氣象條件變化引起的絕緣性能降低。工器具本身的質量問題可通過預防性試驗予以保障，而作業(yè)過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，若直流線路再啟動功能未停用，由于絕緣工器具不能及時安全退出且其絕緣性能降低不可能短時恢復，甚至會進一步下降，再啟動后產生的過電壓乃至正常運行電壓都極有可能再次造成工器具閃絡，反復閃絡將大大降低工器具的機械性能，進而造成事故擴大，則該情況下應停用直流線路再啟動功能。

綜上分析，若要進一步明確不停用直流線路再啟動功能情況下開展帶電作業(yè)的安全性：一是需要根據(jù)不同線路的過電壓水平進一步校核帶電作業(yè)安全距離，評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，需要結合具體的作業(yè)項目、工藝和使用工具的種類來分析帶電作業(yè)的安全性。

2 不停用直流線路再啟動功能下帶電作業(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)過電壓水平；然后進行真型塔典型作業(yè)工況帶電作業(yè)間隙放電試驗，得出放電特性曲線；最后根據(jù)帶電作業(yè)絕緣配合方法，結合試驗結果和線路過電壓水平，計算確定帶電作業(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電壓絕緣特性經驗式為

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)間隙結構的操作沖擊放電試驗數(shù)據(jù)，計算求取其間隙系數(shù)K，得出該帶電作業(yè)間隙結構的操作沖擊放電電壓計算式及擬合曲線[8]。

2)直流線路帶電作業(yè)絕緣配合

在中國現(xiàn)在普遍采用比試驗得到的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%放電電壓的標準偏差，一般偏嚴考慮取6%[9]。

因此，當作業(yè)間隙的耐受電壓不小于直流線路的最大操作過電壓，即可保證帶電作業(yè)間隙不會發(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電壓。

實際上，當線路輸送容量、線路長度和設備參數(shù)不同時，線路的操作過電壓水平會有較大差別[10]，因此在試驗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，應根據(jù)該線路的實際過電壓倍數(shù)或幅值來計算分析。

2.2 校核分析

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

研究表明，當直流線路最大過電壓為一極線路中點發(fā)生接地故障時，最大過電壓水平出現(xiàn)在健全極線路中點附近[8-9]，而特高壓直流線路最大操作過電壓水平一般在1.75 p.u.(1 p.u.=816 kV)以下，安全系數(shù)A按照1.05考慮，校核計算±800 kV特高壓直流輸電線路操作過電壓倍數(shù)在1.60～1.75 p.u.之間時，帶電作業(yè)最小安全距離值的范圍為5.9～6.8 m?？梢姡瑤щ娮鳂I(yè)最小安全距離等關鍵技術參數(shù)值與線路操作過電壓倍數(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度為6.6 m。上述帶電作業(yè)安全距離等技術參數(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)最大操作過電壓水平取1.75 p.u.，均大于后來投運的±800 kV特高壓直流輸電線路的操作過電壓水平[11-15]。因此，安規(guī)中的±800 kV電壓等級帶電作業(yè)安全距離等關鍵技術參數(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)，對塔頭尺寸進行校核，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)時不停用直流線路再啟動功能，一般典型桿塔結構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)項目的安全性分析

3.1 安全評估原則

按照檢修對象進行分類，輸電線路帶電作業(yè)典型項目包括有絕緣子類、導地線類、金具類和附屬設施類。結合特高壓直流線路帶電作業(yè)典型項目，從帶電作業(yè)工器具使用、作業(yè)方式的角度評估不停用直流線路再啟動功能時開展帶電作業(yè)的安全性，由1.2節(jié)分析可知，評估的主要原則是判斷在作業(yè)過程中，是否采用絕緣工器具作為極地或極間主絕緣介質進行使用，即各典型項目作業(yè)過程中的關鍵工具，有無使用在極地或極間的絕緣承力工具。

3.2 帶電作業(yè)典型項目分析

對于絕緣子類典型作業(yè)項目，若不停用直流線路再啟動功能，在開展帶電更換直線串復合絕緣子和耐張整串絕緣子項目時又必須使用絕緣承力工具用于轉移導線機械荷載，存在工器具絕緣失效造成極地短路觸發(fā)再啟動功能的風險。而在開展帶電更換耐張串橫擔(導線)側1～3片絕緣子及耐張串任意單片絕緣子項目時，在保證良好絕緣子片數(shù)的情況，使用的金屬承力工具無引起極地短路的風險，不會對原有的絕緣造成影響。

對于導地線類、金具類和附屬設施類典型作業(yè)項目，若不停用直流線路再啟動功能，由于作業(yè)過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時間位于地電位桿塔構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)再啟動功能的風險。

圖1 ±800 kV特高壓輸電線路典型桿塔結構尺寸

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

4 結 論

1)在不停用直流線路再啟動功能的情況下，考慮特高壓直流輸電線路的最大操作過電壓水平，對帶電作業(yè)安全距離進行校核計算分析，結果表明：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功能的情況下，對輸電線路4類典型作業(yè)項目進行安全性分析，結果表明：在各類典型項目中，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目，因存在絕緣性能失效的可能性，從而可能導致極地之間反復擊穿閃絡，以至事故擴大。因此開展該類帶電作業(yè)項目應停用直流線路再啟動保護功能，

表1 帶電作業(yè)典型項目分析

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