±800 kV直流輸電線路帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電場特性分析

李智琦，劉 眾，張 巍，周晨夢，吳 靜，羅日成

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 常德供電分公司，湖南 常德 415000；2.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410114；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 長沙供電分公司，長沙 410007；4.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 直流運檢公司，湖北 宜昌 443001，5.國網(wǎng)湖南省電力公司 檢修公司，長沙 410015)

0 引言

為保障超/特高壓輸電線路持續(xù)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，常需對輸電線路進(jìn)行帶電維修和檢查[1]。當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)入等電位點進(jìn)行帶電作業(yè)時，作業(yè)人員需穿戴屏蔽服，并按照一定路徑進(jìn)入電場，再通過手持電位轉(zhuǎn)移棒接觸運行線路，從而使作業(yè)人員的人體電位與運行線路形成等電位，該過程即為電位轉(zhuǎn)移過程?！?00 kV特高壓直流輸電線路帶電體周圍電場強(qiáng)度(以下簡稱場強(qiáng))高，進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時，作業(yè)人員與導(dǎo)線間將產(chǎn)生放電現(xiàn)象[1]。電位轉(zhuǎn)移過程主要分為轉(zhuǎn)移前以及轉(zhuǎn)移后兩個階段，即在±800 kV線路帶電作業(yè)時，當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)入電場與導(dǎo)線間的距離達(dá)到一定范圍時，因局部場強(qiáng)過大導(dǎo)致導(dǎo)電手套或電位轉(zhuǎn)移棒尖端形成放電電流，該過程為轉(zhuǎn)移前階段的流注放電；穿戴屏蔽服的作業(yè)人員通過導(dǎo)電手套或者電位轉(zhuǎn)移棒等專業(yè)工具接觸極導(dǎo)線時，因作業(yè)人員與導(dǎo)線之間分布電容儲存的電荷會發(fā)生放電而產(chǎn)生的電流，稱為轉(zhuǎn)移后階段的電位轉(zhuǎn)移電流。如果帶電作業(yè)的安全防護(hù)措施考慮不周，電位轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生的放電電流和暫態(tài)能量極有可能威脅到作業(yè)人員的人身安全和輸電線路的運行安全[2]。

近年來，已有較多針對±800 kV輸電線路帶電作業(yè)的研究。文獻(xiàn)[3]運用有限元仿真軟件建立了±800 kV帶電作業(yè)的等比例模型，分析了電位轉(zhuǎn)移過程中典型位置的人體體表場強(qiáng)值，并提出了應(yīng)采取的屏蔽措施。文獻(xiàn)[1][4][5]研究了±800 kV輸電線路帶電作業(yè)技術(shù)參數(shù)、人員安全防護(hù)、工器具的研制及標(biāo)準(zhǔn)的制定，對電位轉(zhuǎn)移過程中的電位轉(zhuǎn)移電流進(jìn)行了測量，同時運用電磁計算軟件建立并計算了轉(zhuǎn)移電流值。文獻(xiàn)[6][7]建立了±800 kV帶電作業(yè)三維有限元模型，在計算了典型工作位置人體體表場強(qiáng)的同時，利用電磁分析軟件對轉(zhuǎn)移過程中的電流進(jìn)行了分析。上述研究成果研究了帶電作業(yè)過程典型位置處的人體體表場強(qiáng)，分析了電位轉(zhuǎn)移過程后階段的轉(zhuǎn)移電流而并未提及前期流注放電過程。對于特高壓直流電位轉(zhuǎn)移沒有明確的作業(yè)規(guī)范，不能全面評估電位轉(zhuǎn)移的風(fēng)險，更難以確保進(jìn)出等電位作業(yè)人員的安全。

為更加全面地評估電位轉(zhuǎn)移的安全性，需要系統(tǒng)地對電位轉(zhuǎn)移過程中人體與導(dǎo)線、人體與大地之間的電場特性加以研究。本文綜合分析了±800 kV帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移過程，針對電位轉(zhuǎn)移過程前后兩個階段建立了等效模型，即模型分為兩個部分：一個為電位轉(zhuǎn)移前階段流注放電過程，考慮到局部放電的過程，搭建流注放電模型，計算該放電過程中的流注發(fā)展場強(qiáng)變化、電流密度，并總結(jié)其變化規(guī)律；另一個為將轉(zhuǎn)移后階段等效為三導(dǎo)體系統(tǒng)，搭建出暫態(tài)響應(yīng)計算模型，計算該過程的電位分布和轉(zhuǎn)移電流變化情況。最終分析不同轉(zhuǎn)移距離下人體電位、放電電流以及放電能量確定了安全防護(hù)重點，以降低作業(yè)風(fēng)險，為保障作業(yè)人員的生命安全及輸電線路帶電作業(yè)的順利開展提供了一定的理論參考。

1 前階段流注放電過程分析

為分析帶電作業(yè)的電位轉(zhuǎn)移前的放電特性，首先建立流注放電模型，計算并分析電位轉(zhuǎn)移距離為0.3 m的放電特性。由于目前還未有特高壓直流輸電線路電位轉(zhuǎn)移放電特性相關(guān)試驗研究，因此本文將研究結(jié)果與已有的大氣壓下流注放電的理論和結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1.1 流體力學(xué)模型

帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移的放電幾何模型是由人員手持的電位轉(zhuǎn)移棒和分裂導(dǎo)線構(gòu)成。在分析放電過程中，綜合考慮計算的有效性，通常將分裂導(dǎo)線用等效半徑導(dǎo)線代替，可近似為板模型，電位轉(zhuǎn)移棒近似為棒模型，其放電過程可用棒-板結(jié)構(gòu)的放電過程解釋。本文采用的放電模型幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)是棒-板間隙放電的整體模型效果圖，其中A為棒極，B為板極。由于仿真模型具有二維軸對稱性，為減少網(wǎng)格劃分并提高運算速度，計算區(qū)域選取圖1(a)中的虛線框abcd區(qū)域，如圖1(b)所示，B4為對稱軸。其中，棒電極的長度為0.4 m，直徑4 mm，棒頭為半圓，曲率半徑為1 mm?？諝忾g隙的長度可以根據(jù)要求在0.3～0.6 m之間進(jìn)行變動。

電位轉(zhuǎn)移放電過程的流體力學(xué)模型由電子、正負(fù)離子的連續(xù)性方程(1)—(3)和電場的泊松方程(4)構(gòu)成[8-9]：

(1)

(2)

(3)

ε2φ=-q(np-ne-nn),E=-φ.

(4)

式中：下標(biāo)e，p，n分別表示電子、正離子和負(fù)離子；ne，np，nn分別為每立方米電子、正離子和負(fù)離子的數(shù)量；μ表示遷移率，m2/Vs；D表示擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；E表示電場強(qiáng)度，V/m；t表時間；ε表示空氣介電常數(shù)；φ表示電位，V；q表示單位電荷量，C；源項主要考慮電子碰撞電離速率Rion=αneueE；電子與空氣中帶電負(fù)性分子之間附著速率Ratt=ηneueE；電子從負(fù)離子分離速率Rdet=kdetnenn；電子與正離子復(fù)合速率Rep=βepnenp；正負(fù)離子復(fù)合速率Rpn=βpnnpnn。在以上表達(dá)式中輸運參數(shù)α為電子碰撞電離系數(shù)，m-1；η電子的附著系數(shù)，m-1；βep電子與正離子的復(fù)合系數(shù)，m3/s；βpn正負(fù)離子復(fù)合系數(shù)，m3/s。

1.2 場強(qiáng)變化

在一定條件下流注發(fā)展的快慢會對間隙中整體電弧放電發(fā)展過程產(chǎn)生影響。在0.3 m轉(zhuǎn)移距離下進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時，前期的流注放電階段沿著軸線的電場分布如圖2所示。圖2中軸向距離0 m處為板極，0.3 m處為棒極。隨著流注放電的繼續(xù)發(fā)展，流注頭部的電場強(qiáng)度減小，當(dāng)放電時間為40 ns時，流注頭部最大電場強(qiáng)度稍微上升，即流注頭部幾乎到達(dá)板極，此時可近似認(rèn)為流注貫穿整個放電間隙并且流注頭部最大電場強(qiáng)度為1.67×106V/m。

1.3 電流密度特性

不同時刻下棒極表面的電流密度如圖3所示，橫坐標(biāo)0 m為棒極軸線處。由圖3可知電流密度隨著時間的增加而增大，軸線處的電流密度最大并沿著電極表面向外逐漸減小，這是因為軸線處的場強(qiáng)最大并沿著電極表面向外逐漸減小。模型計算的電流密度趨勢與文獻(xiàn)[10]大氣壓下空氣放電研究結(jié)果基本一致。根據(jù)棒極電流密度計算可得到0.3 m的作業(yè)間隙平均放電電流為17.9 mA。

2 后階段暫態(tài)響應(yīng)過程分析

電位轉(zhuǎn)移過程中存在兩種放電電流：其一是電位轉(zhuǎn)移前的局部放電電流，其值一般較小，即流注放電電流，該流注放電過程已在上一章節(jié)做了具體分析；其二是作業(yè)人員由中間電位轉(zhuǎn)移至等電位的暫態(tài)過程中，電容儲存的電荷放電產(chǎn)生了脈沖電流，即轉(zhuǎn)移電流。為了分析電位轉(zhuǎn)移后階段電容暫態(tài)放電過程，本節(jié)采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)分析軟件建立了暫態(tài)響應(yīng)等效數(shù)學(xué)模型，計算并分析了轉(zhuǎn)移距離為0.3 m時作業(yè)人員的人體電位和脈沖電流的變化規(guī)律。

2.1 暫態(tài)響應(yīng)計算模型

帶電作業(yè)人員按照指定路徑進(jìn)入電位轉(zhuǎn)移的作業(yè)位置點，此時作業(yè)人員位于導(dǎo)線和桿塔之間，即為懸浮電位狀態(tài)，其平面位置示意圖如圖4所示。此時作業(yè)人員、導(dǎo)線以及鐵塔構(gòu)成了一個三導(dǎo)體系統(tǒng)，已有研究表明此三導(dǎo)體系統(tǒng)間的空氣隙間可等效為空間電容，其電容值與間隙的距離有關(guān)[11-12]。

作業(yè)人員進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移瞬間的等效電路圖如圖5所示，圖5中C1表示人與導(dǎo)線間等效電容；C2表示人體對桿塔、大地之間的等效電容；C3表示導(dǎo)線對大地的等效電容；R1表示人體和導(dǎo)線間的絕緣電阻；R2表示人體和桿塔之間的絕緣電阻，R3表示導(dǎo)線和大地之間的電阻，且R2?R1，R1+R2≈R3(忽略人體短接部分的絕緣電阻)。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，給出R1和R2的數(shù)值分別取500 kΩ和2 GΩ。

在電位轉(zhuǎn)移后期暫態(tài)響應(yīng)過程中，作業(yè)人員的懸浮電位V1取決于電容大小，而在等電位后穩(wěn)態(tài)時作業(yè)人員的電位取決于絕緣電阻大小，其表達(dá)式如式(5)(6)所示，式中U3為線路的工作電壓[13]，即本文為±800 kV。

(5)

(6)

作業(yè)人員由轉(zhuǎn)移棒進(jìn)入等電位點瞬間等效為圖5中開關(guān)S閉合時的情況，該過程是由人體與極導(dǎo)線間等效電容所儲能的電荷放電產(chǎn)生了轉(zhuǎn)移電流，因此在計算電位轉(zhuǎn)移中人體電位以及轉(zhuǎn)移電流大小的關(guān)鍵是計算等效電容值。本文采用三導(dǎo)體系統(tǒng)的等效集總電容求解，圖6中導(dǎo)線的自電容為C11；人體的自電容為C22；導(dǎo)線和人體之間的互電容分別為C12，C21；U1和U2分別表示導(dǎo)線、人體的電壓降。假設(shè)系統(tǒng)集總電容矩陣表示為CJ=[C11C12C21C22]，即感應(yīng)電荷Q1和Q2可用集總電容與電壓降表示為：

Q1=(C11+C12)U1-C12U2,

(7)

Q2=(C12+C22)U2-C12U1.

(8)

以復(fù)豐線路直線塔為例，對作業(yè)人員與導(dǎo)線間的距離(即轉(zhuǎn)移距離為0.3～0.6 m的情況下)進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移暫態(tài)響應(yīng)過程研究，忽略導(dǎo)線和大地間電容C3產(chǎn)生的影響。極導(dǎo)線對地電位為800 kV，采用Ansoft軟件可計算出的作業(yè)人員采用吊籃法作業(yè)方式進(jìn)入電場后轉(zhuǎn)移距離為0.3～0.6 m時的人體周圍的電位分布。通過人體電位大小可求得各個轉(zhuǎn)移距離下的導(dǎo)體間電容見表1，由表1中數(shù)據(jù)可知，隨著轉(zhuǎn)移距離的增大，C1遞減而C2增加，符合電容的基本定義。本研究所使用的轉(zhuǎn)移棒是由銅質(zhì)材料制成，其自阻可忽略不計，根據(jù)文獻(xiàn)[2][5]的研究結(jié)果，本文取電感為0.01 mH和接觸電阻為100 Ω。

表1 不同轉(zhuǎn)移距離時間隙電容

2.2 人體電位

作業(yè)人員在到達(dá)指點轉(zhuǎn)移位置過程中人體是處于懸浮電位的，當(dāng)準(zhǔn)備進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時周圍會產(chǎn)生電暈放電、弧光放電等現(xiàn)象，這些局部放電不僅會給等效電路圖5中的電容C1放電和C2充電提供一個通道，還會改變極導(dǎo)線與人之間的電壓特性。作業(yè)人員在轉(zhuǎn)移距離為0.3 m處采用轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時，根據(jù)模型可計算得到人體電位變化情況如圖7所示，可見在電位轉(zhuǎn)移過程中人體電位呈現(xiàn)振蕩式變化，大約經(jīng)過1 μs的振蕩時間后與極導(dǎo)線電位保持一致，實現(xiàn)等電位。

2.3 轉(zhuǎn)移電流

作業(yè)人員在與極導(dǎo)線間轉(zhuǎn)移距離為0.3 m處進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移后的轉(zhuǎn)移電流計算結(jié)果如圖8所示，電流波形呈脈沖式變化，隨著時間變化振蕩衰減為零，該過程衰減時間極短，大約為1 μs，電流最大為301.07 A。其電流形態(tài)變化與文獻(xiàn)[5]中試驗實測的結(jié)果相符。

3 轉(zhuǎn)移距離的影響

本節(jié)對0.3～0.6 m范圍內(nèi)進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時人體電位和放電電流的變化情況進(jìn)行分析。

3.1 人體電位分析

不同轉(zhuǎn)移距離下作業(yè)人員采用轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移后人體電位的變化情況如圖9所示，作業(yè)人員與極導(dǎo)線之間的電位差如圖10所示。由圖9與圖10可見，在該電位轉(zhuǎn)移過程中各轉(zhuǎn)移距離下人體電位均呈現(xiàn)振蕩式變化，都大約經(jīng)過1 μs的振蕩時間后作業(yè)人員的人體電位逐漸達(dá)到極導(dǎo)線的電位值，最終實現(xiàn)等電位；但作業(yè)人員與導(dǎo)線之間的電位差隨著轉(zhuǎn)移距離減小而增大，轉(zhuǎn)移距離為0.6 m時電位差最大，該值大約為160 kV。由此可見不同轉(zhuǎn)移距離對人體電位幅值有明顯的影響而對實現(xiàn)等電位速率的影響并不明顯。

3.2 放電電流分析

在電位轉(zhuǎn)移前階段流注放電過程中，不同轉(zhuǎn)移距離下流注放電貫穿時帶電作業(yè)人員與導(dǎo)線之間形成等離子通道，此時放電電流密度如表2所示?？梢婋S著轉(zhuǎn)移距離增大，電流密度逐漸減小，這是因為在空氣放電過程中作業(yè)人員與導(dǎo)線之間產(chǎn)生放電電流主要是由電子和正離子的定向移動形成的，當(dāng)放電距離增大后，發(fā)生碰撞電離次數(shù)增多，電子頭部的半徑增大，電子的移動速度減小，因此放電電流會隨著轉(zhuǎn)移距離的增大而減小。又因為在面積不變情況下放電電流與放電電流密度成正比，所以隨著轉(zhuǎn)移距離增大，電流密度逐漸減小。

表2 不同距離下電流密度大小

根據(jù)轉(zhuǎn)移前流注放電過程電流密度大小可以計算出當(dāng)轉(zhuǎn)移距離分別為0.3 m，0.4 m，0.5 m，0.6 m時對應(yīng)的放電電流大小為17.9 mA，14.7 mA，9.04 mA，5.08 mA，即隨著轉(zhuǎn)移距離的增加，放電電流減小。目前還未有對該帶電作業(yè)放電電流的試驗測量，因此參考關(guān)于直流輸電線路電暈電流放電相關(guān)文獻(xiàn)的電流測量結(jié)果均為毫安級別，即本文放電電流結(jié)果與其量級相符合[14]。

在電位轉(zhuǎn)移后階段暫態(tài)響應(yīng)過程中，不同轉(zhuǎn)移距離下轉(zhuǎn)移電流變化情況如圖11所示。即當(dāng)轉(zhuǎn)移距離分別為0.3 m，0.4 m，0.5 m及0.6 m時，與之對應(yīng)的電位轉(zhuǎn)移電流幅值分別為301.07 A，313.02 A，326.08 A和334.95 A。由圖11顯而易見的是轉(zhuǎn)移電流大小隨著轉(zhuǎn)移距離的增加而增大。參照電工學(xué)基本原理，進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時，作業(yè)人員與導(dǎo)線距離越遠(yuǎn)，該“拉弧”過程所產(chǎn)生的脈沖電流就會越大?？梢娨陨纤媒Y(jié)果符合電工學(xué)基本原理[2]。

通過放電電流和電位轉(zhuǎn)移電流變化規(guī)律可知電位轉(zhuǎn)移距離越大時轉(zhuǎn)移電流就越大，對作業(yè)人員的人身安全是不利的；轉(zhuǎn)移距離越小時放電電流會更大，極容易造成弧光放電，這對作業(yè)也是不利的。因此電位轉(zhuǎn)移過程中存在一個最佳的轉(zhuǎn)移距離。

3.3 轉(zhuǎn)移能量分析

電位轉(zhuǎn)移過程中的間隙放電伴隨著能量的釋放，釋放的能量大小是作業(yè)人員人身安全的一個重要評價因素，過高的能量可能燒蝕作業(yè)人員佩戴的導(dǎo)電手套或屏蔽服[2]。適用于帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移過程中放電系統(tǒng)產(chǎn)生的能量計算公式可用式(10)得出：

(9)

(10)

式中，J(t)為棒極表面電流密度；S為棒極表面有效面積；i(t)為流入棒極的電流，與棒極表面的電流密度有關(guān)；r為軸對稱模型中柱坐標(biāo)r分量；u為棒極和板極間的電勢差。

電位轉(zhuǎn)移點距離輸電導(dǎo)線的位置不同，產(chǎn)生的脈沖電流和暫態(tài)能量的大小也不同。電位轉(zhuǎn)移距離的選取一般視綜合情況而定，通常取0.4～0.5 m[5]。本文計算了0.3～0.6 m不同轉(zhuǎn)移距離下的能量大小，計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同轉(zhuǎn)移距離下的能量

當(dāng)電位轉(zhuǎn)移時作用于導(dǎo)電手套的暫態(tài)能量達(dá)到1.0 J，導(dǎo)電手套可能會被燒蝕，轉(zhuǎn)移電流由此流入人體，會危害作業(yè)人員的生命安全[2]。由表2可知，本模型計算得到的不同轉(zhuǎn)移距離下釋放的能量均約為1.0 J，隨著轉(zhuǎn)移距離的增大，釋放的能量有所增加。當(dāng)轉(zhuǎn)移距離大于0.5 m時，轉(zhuǎn)移能量已高于1.0 J。由于轉(zhuǎn)移距離的增加，間隙間的電勢差增大，因此計算得到的能量越高。而流注放電貫穿間隙時，轉(zhuǎn)移至等電位過程仍未完全完成，轉(zhuǎn)移能量勢必增加，可能會大于表2中的能量值。

在電位轉(zhuǎn)移過程中，手持電位轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時，放電發(fā)展形成的弧根在轉(zhuǎn)移棒上，避免了導(dǎo)電手套被燒蝕。因此，為防止導(dǎo)電手套被燒蝕，在±800 kV輸電線路上進(jìn)行帶電作業(yè)時，作業(yè)人員宜持電位轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移。

4 結(jié)論

文章采用數(shù)值計算方法對±800 kV特高壓輸電線路帶電作業(yè)時，作業(yè)人員電位轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，得到以下結(jié)論。

1)在電位轉(zhuǎn)移前期的放電過程中，隨著流注放電發(fā)展，流注頭部場強(qiáng)逐漸降低，即將貫穿間隙時流注頭部場強(qiáng)稍微增大；轉(zhuǎn)移棒端放電電流密度隨著時間的增加而增大。

2)在電位轉(zhuǎn)移后期的暫態(tài)響應(yīng)過程中，電流電壓變化都呈振蕩式的衰減，轉(zhuǎn)移后電壓電流振蕩衰減時間均約為1 μs。

3)作業(yè)人員的人體電位隨著轉(zhuǎn)移距離的減小而增大，其波形均呈現(xiàn)振蕩式變化，大約經(jīng)過1 μs的振蕩時間后實現(xiàn)等電位；轉(zhuǎn)移距離對人體電位幅值的影響較為明顯而對實現(xiàn)等電位速率的影響并不明顯。

4)電位轉(zhuǎn)移前的放電電流隨著轉(zhuǎn)移距離的減小而增大，但電位轉(zhuǎn)移后的轉(zhuǎn)移電流隨著轉(zhuǎn)移距離的增大而增大，因此作業(yè)人員進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移過程存在一個最佳的轉(zhuǎn)移距離。

5)在距離輸電導(dǎo)線水平距離0.3～0.6 m處進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時，轉(zhuǎn)移暫態(tài)能量隨著轉(zhuǎn)移距離的增大而增加；±800 kV直流輸電線路帶電作業(yè)時宜使用電位轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移。