500 kV輸電線路下方感應(yīng)電產(chǎn)生機理研究及防控

趙亞光，楊金波，王韌，吳盛，劉沖，青言，馬啟林，王紅彬

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司普洱供電局，云南 普洱 665000；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677704）

0 前言

送電線路附近存在工頻電場和磁場，由此引起靜電效應(yīng)和電磁影響。當(dāng)世界上出現(xiàn)500 kV及以上電壓的超高壓送電線路后，靜電效應(yīng)已成為人們關(guān)注的問題。隨著送電線路電壓等級的提高，靜電效應(yīng)變得越來越突出。由于輸電線路導(dǎo)線電流不斷變化，會在其周圍產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場遇到導(dǎo)體，會感應(yīng)出電勢，這種產(chǎn)生電動勢的過程叫電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)在靠近電力線路和電氣設(shè)備附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的電壓稱為感應(yīng)電壓[1-2]。當(dāng)人體在感應(yīng)電壓下與接地體在形成導(dǎo)電回路時會形成電流回路對人體造成傷害。隨著云南省經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)供電和居民用電量的增加，云南電網(wǎng)的網(wǎng)架架構(gòu)不斷擴大，500 kV 輸電線路數(shù)量和長度日益增加，由于受出線走廊、地形、地貌的限制，部分500 kV 輸電線路的設(shè)計和規(guī)劃沒有完全避開居民區(qū)[3]，從而因感應(yīng)電引起人身觸電事故時有發(fā)生。本文基于對該測試結(jié)果進行分析，提出感應(yīng)電產(chǎn)生的機理及降低感應(yīng)電壓對人體危害的措施，對以后類似問題的發(fā)生和處理提供借鑒。

1 感應(yīng)電測試

1.1 感應(yīng)電壓測試方法

在被測物接地和不接地兩種情況下對被測物體進行測試，以下為兩種測試方法：

測試方法1，被測物不接地時對感應(yīng)電壓進行測試，如圖1 所示[4]。

圖1 被測物體未接地時現(xiàn)場測試方法

測試方法2：將被測物體采取接地措施時，測試被測物體在采取接地措施后感應(yīng)電壓的大小，如圖2 所示[4]。

圖2 被測物體接地時現(xiàn)場測試方法

1.2 感應(yīng)電壓測量實例

一起500 kV 輸電線路感應(yīng)電測試：

某局一條500 kV 線路下方居民住房鐵皮屋頂有感應(yīng)電壓存在，為了核實感應(yīng)電壓的大小及產(chǎn)生原因，開展了現(xiàn)場實測。

分別在住戶家的廚房頂、廚房灶臺、牛棚屋頂、一樓灶臺、二樓灶臺、三樓屋頂進行測量，以驗證改造效果。以下為具體測試結(jié)果分析：

1.2.1 廚房頂

1）廚房頂未接地時測得其感應(yīng)電壓最大幅值約為352.00 V，如圖3 所示。

圖3 廚房頂未接地時感應(yīng)電壓

2）廚房頂接地時測得其感應(yīng)電壓最大幅值為526.67 mV，如圖4 所示。

圖4 廚房頂接地時感應(yīng)電壓

圖3 和圖4 兩張圖均為DL850 錄波器測得廚房頂部接地和不接地時的波形圖，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，這兩張圖均為正弦波形，且廚房頂不接地時的感應(yīng)電壓為接地時感應(yīng)電壓的669 倍。

1.2.2 廚房灶臺

1）經(jīng)測得廚房灶臺未接地時感應(yīng)電壓最大幅值為74.667 V。

圖5 廚房灶未接地時感應(yīng)電壓

2）經(jīng)測得廚房灶臺接地時感應(yīng)電壓最大幅值為5.5167 V。

圖6 廚房灶臺接地時的感應(yīng)電壓

從圖5 和圖6 可以看出感應(yīng)電壓均為正弦波，廚房灶臺不接地時的感應(yīng)電壓是接地時的14 倍。

1.2.3 牛棚屋頂

1）經(jīng)測得牛棚屋頂未接地時感應(yīng)電壓最大幅值為137.50 V。

圖7 牛棚未接地時的感應(yīng)電壓

2）經(jīng)測得牛棚屋頂接地時感應(yīng)電壓最大幅值為2.05 V。

圖8 牛棚屋頂接地時的感應(yīng)電壓

從圖7 和圖8 的數(shù)值可以計算出牛棚屋頂未接地時的感應(yīng)電壓是接地時感應(yīng)電壓的67 倍。

1.2.4 感應(yīng)電壓對比

因住房樓頂和灶臺是通過煙囪連接在一起的。將一樓灶臺、二樓灶臺和樓頂三個地方均不接地情況下和均接地情況下測得的感應(yīng)電壓進行對比，結(jié)果如下：

1）一樓灶臺、二樓灶臺和樓頂均不接地時感應(yīng)電壓最大幅值大于1.0 kV，如圖9 所示。

圖9 一樓灶臺、二樓灶臺和樓頂均不接地時感應(yīng)電壓

2）一樓灶臺接地時感應(yīng)電壓最大幅值為2.12 V，如圖10 所示。

圖10 一樓灶臺接地時感應(yīng)電壓

3）二樓灶臺接地時感應(yīng)電壓最大幅值為2.0533 V，如圖11 所示。

圖11 二樓灶臺接地時感應(yīng)電壓

4）三樓頂接地時感應(yīng)電壓最大幅值為3.1 V，如圖12 所示。

圖12 三樓頂接地時感應(yīng)電壓

由于一樓灶臺、二樓灶臺、三樓灶臺為居民住房離感應(yīng)電最近的地方，且三層樓通過一根貫穿于房屋內(nèi)的烤爐金屬煙囪連接在一起，當(dāng)三者不接地時感應(yīng)電壓屬于等電位狀態(tài)，從DL850 錄波器所得波形圖上可以讀出一樓灶臺、二樓灶臺、三樓灶臺不接地時的感應(yīng)電壓大于1.0 kV。當(dāng)一樓灶臺、二樓灶臺、三樓灶臺分別接地時采用DL850 錄波器測得的波形圖中可以讀出感應(yīng)電壓分別為2.12 V、2.0533 V 和3.1 V，均比較小，將測得的數(shù)據(jù)經(jīng)計算得出一樓灶臺、二樓灶臺、三樓灶臺不接地時的感應(yīng)電壓至少為接地時最大感應(yīng)電壓的323 倍。從數(shù)據(jù)上可以看出，通過接地可以大大降低居民住房感應(yīng)電壓的大小。

圖13 測居民住房各處感應(yīng)電大小柱狀圖（單位：mV）

圖13 可以看出感應(yīng)電壓下降了1000 V，良好的接地可以極大程度降低感應(yīng)電壓。

圖13 可以看出鐵皮屋頂和導(dǎo)線視為儲能電容，如果將1000 V 的交變電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔冸娏鞑⒗秒姵貎Υ嫫饋聿⑼ㄟ^逆變器轉(zhuǎn)換可以為居民提供源源不斷的電能。

圖13 可以看出加裝接地線可以降低感應(yīng)電壓，但是感應(yīng)電壓依然存在，為了更好的降低感應(yīng)電壓可以在房屋周圍埋設(shè)接地網(wǎng)。

1.2.5 感應(yīng)電壓結(jié)果分析

經(jīng)過測量，并對數(shù)據(jù)進行分析。住戶家的廚房頂、廚房灶臺、牛棚屋頂、一樓灶臺、二樓灶臺、三樓屋頂在接地時的感應(yīng)電壓均小于不接地時的感應(yīng)電壓。在未裝設(shè)接地線時感應(yīng)電壓均大于33 V，不符合參考文獻[5]的要求，在裝設(shè)完接地線后感應(yīng)電壓均小于33 V，符合參考文獻[5]的要求。證明接地線的安裝對降低感應(yīng)電的效果突出[5]。

從圖中得出，離導(dǎo)線越近感應(yīng)電壓越大，在沒有接地情況下最大值大于1000 V，人體一般電阻為1000 Ω，流經(jīng)人體的電流為：

人體承受的最大電流為50 mA，這個電流至少為人體可承受電流的20 倍，會造成人身觸電傷亡事故的發(fā)生[6-7]。

2 感應(yīng)電壓檢測結(jié)果

本次測量使用高精度的DL850 示波器對感應(yīng)電壓進行測量?，F(xiàn)場實測結(jié)果表明，改造后500 kV 建太甲線#47 桿塔下被測部位的感應(yīng)電壓已經(jīng)降至5.5167 V，改造效果良好。參考文獻[5]規(guī)定，在干燥條件下人體感知電壓下限值為33 V，潮濕條件下感知電壓下限值為16 V，經(jīng)本次改造后，居民住房及附近物體上檢測出的感應(yīng)電壓遠遠低于規(guī)程規(guī)定的數(shù)值，所以居民在生活中觸碰物體時，理論上不會出現(xiàn)麻電現(xiàn)象。

3 電磁場測試

以500 kV 建太甲線047 號塔下方距塔兩米處為監(jiān)測原點，沿塔基至村民房屋最近方向分別在2 m、3 m、4 m、5 m、7 m、9 m、14 m、19 m 處設(shè)置8 個監(jiān)測電，在村民家院子、廚房、一樓、二樓、三樓各設(shè)置一個監(jiān)測點，應(yīng)用NBM550 工頻電磁場測試儀在接地網(wǎng)運行和斷開兩種情況下分別對工頻電場和工頻磁場進行測試，所測試結(jié)果如下：

圖14 測距離桿塔遠方無接地時磁感應(yīng)強度柱狀圖

從圖14 可以發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強度在無接地的情況下對著與桿塔距離的距離增加而呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖15 測距離桿塔遠方接地時感應(yīng)電壓柱狀圖

從圖15 可以發(fā)現(xiàn)離桿塔的增大磁感應(yīng)強度呈現(xiàn)下降趨勢，與圖14 相比居民住房三樓磁感應(yīng)強度在接地的情況下略微下降。

圖16 測距離桿塔遠方無接地時電場強度柱狀圖

從圖16 可以發(fā)現(xiàn)電場強度隨著與桿塔距離增大呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢，在居民住房三樓不接地的情況下達到最大為1.005 kV/m。

圖17 測距離桿塔遠方接地時電場強度柱狀圖

從圖17 可以發(fā)現(xiàn)電場強度隨著與桿塔距離增大呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢，這些數(shù)值與圖16 無差距在接地的情況下居民住房三樓與離桿塔最近的14 m 和19 m 處的電場強度確有明顯下降。

經(jīng)測量最大電場為1.005 kV/m，磁感應(yīng)強度為0.3625 μT，未超過規(guī)程規(guī)定值。結(jié)合感應(yīng)電壓柱狀圖與電場強度和磁感應(yīng)強度柱狀圖發(fā)現(xiàn)：在不接地情況下感應(yīng)電壓最大處電場強度最大，而磁感應(yīng)強度卻不是最大；在接地情況下感應(yīng)電壓降低，電場強度和磁場強度同樣降低，但是電場強度降低程度更大。綜合以上結(jié)論可以得出居民住房屋頂感應(yīng)電壓主要由旁邊經(jīng)過的500 kV 超高壓輸電線路產(chǎn)生的電場和磁場引起的，但是電場引起的成分更高些，也就是前言中提到的500 kV 輸電線路對附近導(dǎo)體感應(yīng)電壓的靜電效應(yīng)主要是由導(dǎo)線電流產(chǎn)生的電場強度引起的。為了降低感應(yīng)電壓應(yīng)該從鐵皮屋頂周圍的電場采取措施。針對降低電場強度加裝屏蔽措施。即在居民住房加裝金屬網(wǎng)，將輻射到房屋的電場屏蔽掉，屏蔽網(wǎng)感應(yīng)的電壓可以通過引下線接地或與電能收集裝置相連形成儲能電源，實現(xiàn)能源的回收再利用。

3.1 感應(yīng)電壓測試原因分析

房屋結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線關(guān)系分析：居民房屋采用鐵皮屋頂，與導(dǎo)線距離十幾米，這樣鐵皮屋頂和導(dǎo)線的關(guān)系相當(dāng)于一個棒- 板結(jié)構(gòu)的不均勻充放電電容器模型，相當(dāng)于一個大的儲能元件，不斷進行儲能，能量得不到存儲，但是能量一直在。電容器極板也就是鐵皮屋頂上面有大量的電荷使得鐵皮屋頂?shù)碾娢桓哂诘仉娢?。?jù)有關(guān)資料證明，人體觸電是工頻電流的問題，這個放電電流遠遠大于人體可承受的電壓，這樣人體就有觸電身亡的風(fēng)險。當(dāng)存在一個接地裝置時，電容器上的能量就會對地釋放。從而鐵皮金屬屋頂形成感應(yīng)電壓，由于屋頂未接地，當(dāng)人接觸到鐵皮屋頂時就會發(fā)生觸電事故。

3.2 感應(yīng)電產(chǎn)生機理

由上圖可以得出以下模型，A、B、C 三相代表三根架空輸電線路，D 代表房屋頂部，E 代表接地體，C1、C2、C3 為A、B、C 三相導(dǎo)線對鐵皮屋頂?shù)碾娙荩珻4 為房屋頂部對地面的電容。由于三相輸電線路對鐵皮屋頂有電容，鐵皮屋頂就會存在電位，當(dāng)居民觸摸到鐵皮屋頂?shù)臅r候就會通過人體對地進行放電，人體就會有觸電的風(fēng)險。鐵皮屋頂在導(dǎo)線之下，故根據(jù)現(xiàn)場實際情況建立導(dǎo)線-鐵皮屋頂模型[8]：

圖18 鐵皮屋頂未接地時的示意圖

圖19 鐵皮屋頂接地時的示意圖

圖20 鐵皮屋頂未接地時與導(dǎo)線的機理圖

圖21 鐵皮屋頂接地時與導(dǎo)線的機理圖

由上圖可知，存在電壓U1、U2、U3、U4。消除了鐵皮屋頂?shù)碾妷篣4，具體內(nèi)容如下：

當(dāng)鐵皮屋頂不接地時上圖中物體D 的電位和電荷Q關(guān)系的一般靜電方程式如下[1]：

當(dāng)鐵皮屋頂接地時，圖中物體D 的電位和電荷Q的關(guān)系的一般靜電方程式如下[1]：

房屋屋頂為帶電體，人站在絕緣體上發(fā)生觸電的示意圖如下圖所示[9]。

圖22 人站在絕緣體上觸碰鐵皮屋頂?shù)挠|電示意圖

沒有接地的鐵皮屋頂在電場中為懸浮電位的絕緣體，鐵皮屋頂對地存在著一個電位，當(dāng)人體接觸到的一瞬間，鐵皮屋頂就會對地面瞬間放電，人體會有電擊的感覺。由于暫態(tài)放電電流，經(jīng)大量測量表明總是非周期性的，它的變化可用具有波前很陡的雙指數(shù)脈沖表示[1]。

式中：Ri-絕緣物體固有的泄露電阻，Ω；R-人體的電阻，Ω；C0-絕緣物體的對地電容，F(xiàn)0

圖23 人站在絕緣體上觸碰鐵皮屋頂?shù)挠|電示意圖

人站在地面觸電示意圖如下圖所示[9]：當(dāng)人站在地面上人就會形成與地接觸的導(dǎo)體，這樣人體在感應(yīng)電壓下就會發(fā)生觸電。人體電阻為R，鐵皮上電壓為U 故流過人體的電流為：

3.3 感應(yīng)電防控措施

1）使用導(dǎo)電性良好的金屬導(dǎo)體將鐵皮屋頂進行屏蔽并將房屋頂接地，這樣房屋頂部的電壓就會通過接地體流入大地[10]。

2）將屋頂?shù)碾娏饕聛磉B接蓄電池進行充電，可以給用戶提供用電電源，蓄電池需要接地。

3）通過對感應(yīng)電產(chǎn)生的機理進行分析，鐵皮屋頂在導(dǎo)線的電磁場環(huán)境下容易產(chǎn)生極大的電壓并且對人體容易造成觸電傷亡的危害，在這種情況下應(yīng)該將鐵皮屋頂換成其他非金屬類屋頂，如絕緣漆處理的屋頂[11]。

4）通過COMSOL 仿真計算軟件建立通電導(dǎo)線周圍電磁場及電磁場通過鐵皮屋頂感應(yīng)產(chǎn)生電壓的動態(tài)模型，確定導(dǎo)線通過電流和導(dǎo)線與鐵皮屋頂之間的距離、鐵皮屋頂?shù)拿娣e的關(guān)系模型，這三者在不同參數(shù)下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小，為工程建設(shè)和居民住房建設(shè)提供參考依據(jù)。

5）輸電線路管理部門向鐵皮屋頂附近管理單位發(fā)放觸電相關(guān)知識，讓他們明白帶電體附近金屬部門感應(yīng)電最高電壓大于1.0 kV，容易引發(fā)觸電，讓居民做好安全防范意識[12]。

6）通過測量證實在接地良好的情況下現(xiàn)場存在的感應(yīng)電壓在規(guī)程允許范圍之內(nèi)，但在日常生活中依然會發(fā)生人身觸電事件，在此情況之下居民平時不要裸體接觸導(dǎo)電體。

7）在房屋周圍選擇核實地點埋設(shè)接地網(wǎng)，地網(wǎng)的大小可以自己決定，選用水平導(dǎo)體不小于25 平方毫米[7]的圓柱導(dǎo)體，垂直接地極不小于25 平方毫米[7]的接地網(wǎng)，接地網(wǎng)埋深不小于0.6 米[7]。

4 結(jié)束語

進行感應(yīng)電壓、電場和磁場的測試，通過測試數(shù)據(jù)驗證感應(yīng)電產(chǎn)生的原因，得出感應(yīng)電壓產(chǎn)生機理，提出人體觸電的方式。采取措施降低電場和磁場的大小來減小感應(yīng)電對人體的傷害。