±800 kV 同塔雙回線路帶電作業(yè)電場(chǎng)防護(hù)仿真分析

白劍鋒，張惺，溫智慧，趙蓉，高峰

(長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410131)

0 引言

隨著直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展, 我國(guó)目前已建成十余條特高壓直流輸電線路, ±800 kV 直流同塔雙回輸電線路可增大單位輸電走廊的輸送容量, 節(jié)省線路走廊和工程投資, 是解決線路通道問(wèn)題的優(yōu)選方案, 尤其在走廊特別緊張的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū), 其優(yōu)勢(shì)顯得更加突出[1-4]。由于±800 kV 直流線路對(duì)于供電的可靠性要求極高, 一般不存在停電作業(yè)的可能, 因此帶電作業(yè)是保障輸電線路可靠性運(yùn)行的重要措施[5-8]。然而作業(yè)人員電場(chǎng)安全防護(hù)是帶電作業(yè)領(lǐng)域中十分重要的問(wèn)題[9-10]。目前, 對(duì)于交流輸電線路帶電作業(yè)人員的安全防護(hù), 我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐已經(jīng)具有豐富的經(jīng)驗(yàn)[11-12]。而對(duì)于直流輸電線路的研究我國(guó)仍處于完善階段, 特別是針對(duì)特高壓直流同塔多回輸電線路, 相關(guān)帶電作業(yè)問(wèn)題仍在進(jìn)一步深入研究之中[13-15]。

為了研究±800 kV 同塔雙回線路帶電作業(yè)人員的電場(chǎng)安全防護(hù)情況, 本文利用COMSOL 軟件建立±800 kV 直流同塔雙回線路和人體仿真模型, 計(jì)算分析不同位置作業(yè)人員的體表電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況, 進(jìn)而確定帶電作業(yè)人員安全防護(hù)措施。研究結(jié)果可為±800 kV 直流同塔雙回線路帶電作業(yè)電場(chǎng)安全防護(hù)提供參考。

1 線路桿塔空間電場(chǎng)強(qiáng)度仿真分析

選取±800 kV 直流同塔雙回輸電線路某一桿塔, 采用CAD 構(gòu)建基本桿塔模型。由于桿塔結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜, 在仿真計(jì)算中對(duì)于計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求較高。為了方便分析又能夠準(zhǔn)確地了解輸電線路桿塔空間電場(chǎng)強(qiáng)度情況, 本文研究中不考慮桿塔角鋼結(jié)構(gòu), 只考慮整個(gè)桿塔的外形。因而采用簡(jiǎn)化的桿塔模型, 同時(shí)桿塔和地形在仿真中都做統(tǒng)一的接地處理?！?00 kV 直流輸電線路一般都是六分裂導(dǎo)線,所以其可以采用等效半徑的方式進(jìn)行建模, 以減少COMSOL 軟件拋分的計(jì)算量。

通過(guò)COMSOL 仿真得到桿塔空間電場(chǎng)分布情況, 如圖1 所示。通過(guò)圖1 可發(fā)現(xiàn), 一是導(dǎo)線附近具有很高的場(chǎng)強(qiáng), 那么對(duì)于在等電位作業(yè)的人員來(lái)說(shuō)需要特別注意安全防范；其二是在地電位作業(yè)時(shí), 有三處場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較高的地方, 分別為橫擔(dān)中部、橫擔(dān)端部以及桿塔中部靠近導(dǎo)線處。

圖1 桿塔空間電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況

2 作業(yè)人員的場(chǎng)強(qiáng)仿真分析

2.1 人體的仿真模型

由于實(shí)際人體模型相對(duì)復(fù)雜, 無(wú)法進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算, 為此通過(guò)構(gòu)建簡(jiǎn)化的人體模型用于實(shí)際的仿真計(jì)算分析。人體各部分的參數(shù)見(jiàn)表1。有研究表明人體的屬性與水最為接近, 因此在仿真計(jì)算中將人體模型用水作為仿真用的材料, 設(shè)置其介電常數(shù)為75, 其他參數(shù)項(xiàng)可以同水材料設(shè)置[2]。

表1 人體模型尺寸

2.2 地電位帶電作業(yè)

從桿塔電場(chǎng)強(qiáng)度仿真分析結(jié)果可知, 地電位作業(yè)中有三處電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較大, 為了分析在這三處帶電作業(yè)時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度情況, 分別進(jìn)行帶電作業(yè)人員在橫擔(dān)端部、橫擔(dān)中部和塔身中部的電場(chǎng)仿真。

表2 為地電位作業(yè)時(shí)人體的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值,方式1 為帶電作業(yè)人員在橫擔(dān)端部；方式2 為帶電作業(yè)人員在橫擔(dān)中部；方式3 為帶電作業(yè)人員在塔身中部。由表2 可知方式1 的最大場(chǎng)強(qiáng)在腳部達(dá)到354.5 kV/m, 方式 2 的最大場(chǎng)強(qiáng)在手部達(dá)到104.6 kV/m, 方式 3 的最大場(chǎng)強(qiáng)在手部達(dá)到136.4 kV/m。圖2 為三種情況下的帶電作業(yè)人員體表電場(chǎng)分布情況。

表2 地電位作業(yè)時(shí)人體表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度

圖2 地電位作業(yè)人體電場(chǎng)分布情況

2.3 等電位帶電作業(yè)

等電位作業(yè)是指帶電作業(yè)人員身體與導(dǎo)線同處在一個(gè)電位, 是一個(gè)等勢(shì)體。人體在分裂輸電導(dǎo)線中進(jìn)行作業(yè)時(shí)存在四種方式, 如圖3 所示, 分別為帶電作業(yè)人員站立在導(dǎo)線上、匍匐在導(dǎo)線上、倚靠在導(dǎo)線上、坐在導(dǎo)線上。

圖3 等電位作業(yè)時(shí)的仿真圖

針對(duì)上述四種等電位作業(yè)方式進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖4 所示。表3 為仿真的數(shù)值結(jié)果, 方式A為站立在導(dǎo)線上, 方式B 為匍匐于導(dǎo)線上, 方式C為倚靠在導(dǎo)線上, 方式D 為坐在導(dǎo)線上?？芍绞紸 的最大場(chǎng)強(qiáng)在頭部達(dá)到1 314.3 kV/m, 方式B最大場(chǎng)強(qiáng)在手部達(dá)到114.6 kV/m, 方式C 最大場(chǎng)強(qiáng)在頭部達(dá)到1 967.7 kV/m, 方式D 最大場(chǎng)強(qiáng)在腳部達(dá)到1 949.2 kV/m。

圖4 帶電作業(yè)人在地電位作業(yè)的體表電場(chǎng)分布

表3 等電位作業(yè)的人體不同部位電場(chǎng)強(qiáng)度

3 帶電作業(yè)人員電場(chǎng)防護(hù)措施

3.1 電場(chǎng)防護(hù)理論

GB/T 6568—2008 《帶電作業(yè)用屏蔽服裝》 規(guī)定作業(yè)人員局部裸露部位最大場(chǎng)強(qiáng)要小于240 kV/m, 屏蔽服內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)要小于15 kV/m。人體對(duì)不同強(qiáng)場(chǎng)的敏感程度見(jiàn)表4[16]。對(duì)于直流電場(chǎng)而言, 人體的敏感性要小于交流電場(chǎng)。

表4 人體對(duì)不同強(qiáng)場(chǎng)的敏感程度

屏蔽服的屏蔽效率是衡量屏蔽服性能的一項(xiàng)重要指標(biāo), 屏蔽效率η計(jì)算方式如下[17]:

式中,Ew為屏蔽服外電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng), 單位kV/m；Er為屏蔽服內(nèi)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng), 單位kV/m。

3.2 地電位作業(yè)防護(hù)分析

地電位帶電作業(yè)時(shí), 人員體表場(chǎng)強(qiáng)最大值為354.5 kV/m, 要使屏蔽服內(nèi)電場(chǎng)小于15 kV/m, 則要求屏蔽服的屏蔽效率ηgw滿足:

帶電作業(yè)人員需要穿著屏蔽效率大于27.5 dB的屏蔽服。

地電位作業(yè)時(shí), 面部最大場(chǎng)強(qiáng)為90.6 kV/m,小于局部裸露部位最大場(chǎng)強(qiáng)值240 kV/m, 因此不穿戴面罩也可滿足要求。

3.3 等電位作業(yè)防護(hù)分析

等電位帶電作業(yè)人員的體表場(chǎng)強(qiáng)可以達(dá)到1 967.7 kV/m, 要使屏蔽服內(nèi)電場(chǎng)小于15 kV/m,那么屏蔽服的屏蔽效率ηew滿足:

即帶電作業(yè)人員需要穿屏蔽效率大于42.3 dB的屏蔽服。

等電位作業(yè)時(shí), 面部最大場(chǎng)強(qiáng)為895.6 kV/m,要滿足局部裸露部位最大場(chǎng)強(qiáng)值小于240 kV/m 的要求, 那么佩戴的面罩屏蔽效率ηem滿足:

即帶電作業(yè)人員需在面部佩戴屏蔽效率大于11.4 dB 的屏蔽罩, 方滿足要求。

4 總結(jié)

本文針對(duì)±800 kV 直流同塔雙回輸電線路, 開(kāi)展了等電位作業(yè), 地電位作業(yè)的電場(chǎng)防護(hù)仿真分析, 具體結(jié)論如下:

1) 地電位作業(yè)時(shí), 需要穿著屏蔽效率大于27.5 dB 的屏蔽服, 方能滿足要求；

2) 在等電位作業(yè)時(shí), 需穿著屏蔽效率大于42.3 dB 的屏蔽服, 并且在面部佩戴屏蔽效率大于11.4 dB 的屏蔽罩, 方能滿足要求；

3) 在帶電作業(yè)時(shí)要減小手腳的動(dòng)作幅度, 避免造成電場(chǎng)畸變、增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。