配電網(wǎng)觸電事故預(yù)防與快速精準(zhǔn)保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及裝備

李波，李銳海，李政洋，毛文奇，彭向陽，謝鵬康，吳傳平，龍文德，陸佳政

(1.湖南防災(zāi)科技有限公司，湖南 長沙 410129；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；3.長沙信長電力科技有限公司，湖南 長沙 410009；4.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410007；5.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；6.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114；7.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，廣東 廣州 510460)

0 引言

人身觸電嚴(yán)重威脅人民群眾生命安全。據(jù)2016 年國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，配電網(wǎng)10 kV 與低壓400 V人身觸電導(dǎo)致我國每年超8 000 人死亡，大于全球礦難死亡人數(shù)(約2 000 人)。人身觸電事故釀成家庭慘劇，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和惡劣社會影響。尤其在農(nóng)村，配電網(wǎng)復(fù)雜老化，觸電成為農(nóng)村意外傷亡主要因素。?中共中央 國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見? 要求“健全農(nóng)村公共安全體系，持續(xù)開展農(nóng)村安全隱患治理”。因此，迫切需要開展防觸電傷亡技術(shù)與裝備研究。

人身觸電主要原因及研究現(xiàn)狀如下:1) 雷擊造成10 kV 導(dǎo)線斷線墜地、配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地、雷擊斷線帶電運(yùn)行，引發(fā)附近人員觸電傷亡[1－8]；目前國內(nèi)外配電網(wǎng)避雷器與絕緣子并聯(lián)，受桿塔尺寸限制，難以安裝；我國配電網(wǎng)無避雷線，雷擊導(dǎo)線電流幅值高達(dá)上百千安；而我國現(xiàn)有的避雷器規(guī)程(DL/T 815—2012) 規(guī)定的10 kV 配電網(wǎng)用ZnO電阻片通流能力僅65 kA[9]，雷擊損壞故障率高，導(dǎo)致雷擊斷線引發(fā)的人身觸電事故頻發(fā)。2) 吊車施工、釣魚等意外觸碰10 kV 導(dǎo)線造成觸電傷亡，現(xiàn)有的10 kV 配電網(wǎng)通過各相電壓幅值識別故障相序并引導(dǎo)開關(guān)動作，但單條10 kV 配電網(wǎng)線路供電面積達(dá)數(shù)十平方千米，線路接地、觸及人身，接地阻抗幾十到數(shù)兆歐姆不等，故障信號微弱，無法實(shí)現(xiàn)10 kV意外觸電準(zhǔn)確辨識與定位識別[10－15]。3)我國農(nóng)村配電網(wǎng)400 V 線路普遍存在絕緣老化破損與漏電現(xiàn)象，低壓400 V 線路正常漏電干擾信號高達(dá)100 mA，往往大于人身觸電信號30 mA 左右；國內(nèi)外現(xiàn)有漏電保護(hù)裝置通過對地泄漏電流幅值判斷400 V 觸電事故，無法有效區(qū)分人體觸電與干擾信號[16]，誤動跳閘頻繁，影響供電可靠性，在泄漏電流普遍偏高的農(nóng)村地區(qū)被大量退出運(yùn)行，觸電時無保護(hù)，引發(fā)大量觸電傷亡。

針對配電網(wǎng)觸電傷亡事故原因，本文分別研究了大通流防雷擊斷線絕緣子、配電網(wǎng)10 kV 高壓觸電故障快速轉(zhuǎn)移、400 V 觸電精準(zhǔn)動作等關(guān)鍵技術(shù)與裝備，并在國內(nèi)進(jìn)行了大范圍推廣。結(jié)果表明，應(yīng)用區(qū)域再未發(fā)生人身觸電傷亡事故，有效提升了配電網(wǎng)安全用電水平。

1 大通流防雷擊斷線絕緣子

針對10 kV 雷擊斷線引發(fā)的人身觸電傷亡問題，研制大通流防雷擊斷線絕緣子。

1.1 絕緣支撐與ZnO 防雷一體化結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)10 kV 避雷器與絕緣子并聯(lián)，需額外增加外掛點(diǎn)，安裝施工困難，因此設(shè)計(jì)絕緣支撐與ZnO防雷一體化結(jié)構(gòu)。

如圖1 所示，防雷絕緣子由ZnO 防雷段與絕緣段串聯(lián)，環(huán)氧芯棒貫穿整支絕緣子，承受導(dǎo)線重力。雷擊大電流下，ZnO 電阻小，限制雷擊過電壓，防止絕緣子擊穿；雷擊大電流過后，ZnO 電阻急劇增大，熄滅工頻續(xù)流，防止導(dǎo)線燒斷墜地。該結(jié)構(gòu)可同時取代絕緣子與避雷器，安裝方便，成本降低30%以上。

圖1 絕緣支撐與ZnO 防雷一體化結(jié)構(gòu)

1.2 120 kA 小尺寸大通流ZnO 電阻片

依據(jù)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)全國雷電幅值分布特性(如圖2 所示)，發(fā)現(xiàn)仍有10%雷電流超過65 kA。

圖2 雷電流幅值分布特性

在PSCAD 仿真軟件中建立了配電網(wǎng)雷擊電磁暫態(tài)仿真模型(如圖3 所示)，獲得雷擊過電壓與過電流分布規(guī)律，揭示配電網(wǎng)65 kA 避雷器雷擊炸裂與導(dǎo)線雷擊斷線事故頻發(fā)原因。突破原規(guī)程，率先提出配電網(wǎng)防雷絕緣子ZnO 電阻100 kA 大通流能力參數(shù)指標(biāo)(多雷區(qū)和高供電可靠性線路的避雷器通流能力應(yīng)達(dá)到100 kA 以上)，為防止配電網(wǎng)雷擊跳閘斷線提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖3 配電網(wǎng)雷擊暫態(tài)仿真模型

配電網(wǎng)點(diǎn)多面廣，設(shè)備量巨大，經(jīng)濟(jì)性要求高。110 kV 以上主網(wǎng)用ZnO 電阻直徑高達(dá)85 mm，成本高昂，難以應(yīng)用于配電網(wǎng)。目前ZnO 電阻片的研究主要聚焦于提升電位梯度，應(yīng)用于超/特高壓領(lǐng)域，尚未研制出配電網(wǎng)用大通流小尺寸ZnO電阻片?，F(xiàn)有配電網(wǎng)用ZnO 電阻微觀結(jié)構(gòu)不均勻、孔隙率高，通流能力極難提升。為此，發(fā)明了ZnO電阻大通流熔融配方，增強(qiáng)燒結(jié)時Bi2O3液態(tài)流動性，促進(jìn)晶粒均勻分布；兩種晶體表面能差越小，結(jié)合越緊密，Bi2O3存在四種晶格，其中α－Bi2O3與ZnO 晶粒之間表面能最接近。提出α－Bi2O3燒結(jié)形成曲線，增大Bi2O3與ZnO 晶體接觸面積，促進(jìn)晶界層與晶粒緊密結(jié)合，降低微觀孔隙率(如圖4所示)，率先攻克配電網(wǎng)用52 mm 直徑120 kA 大通流環(huán)形小尺寸ZnO 電阻片難題。

圖4 電子掃描顯微鏡放大100 萬倍下的ZnO 電阻微觀結(jié)構(gòu)

發(fā)明4/10 μs、120 kA 大通流防雷擊斷線人身傷亡絕緣子。2014 年以來，在湖南、廣東、海南等多省多雷區(qū)上千條配電網(wǎng)線路應(yīng)用五十多萬支，應(yīng)用線路未再發(fā)生雷擊斷線引發(fā)的人身觸電傷亡事故，保證了人民生命安全與可靠供電，攻克了預(yù)防雷擊斷線引發(fā)的觸電傷亡難題。

2 10 kV 故障轉(zhuǎn)移防觸電裝置

施工等意外觸碰高壓導(dǎo)線造成人員觸電傷亡，10 kV 配網(wǎng)線路點(diǎn)多面廣，10 kV 觸電信號辨識與快速開關(guān)動作難度極大。

針對以上問題，提出變電站內(nèi)觸電故障相快速接地—轉(zhuǎn)移故障電流防觸電新思路，檢測10 kV 單相暫態(tài)接地觸電故障，判斷故障相/線，將10 kV變電站對應(yīng)故障相短路接地(如圖5 所示)，使得故障點(diǎn)電壓電流降低至近零安全值，防止10 kV 意外碰線觸電傷亡。

圖5 10 kV 觸電故障轉(zhuǎn)移裝置結(jié)構(gòu)

人身觸電屬于高阻接地，配網(wǎng)經(jīng)常不對稱運(yùn)行，電壓最低相不一定是故障相，傳統(tǒng)通過電壓幅值識別故障相的選相方法精度低。

開展不同接地電阻下的單相接地試驗(yàn)，獲得了各相電壓幅值與變化率的變化趨勢。

由圖6 可知，當(dāng)C 相發(fā)生單相接地時，在0～500 Ω 的低阻抗范圍內(nèi)，故障相電壓的幅值最低。隨著接地電阻升高至500 Ω 以上，故障相的滯后相UA幅值最低。因此，通過相電壓幅值確定故障相的方法并不適合高阻接地運(yùn)行的情況。對電壓幅值求積分，得到單相接地時各相電壓變化率隨接地電阻變化趨勢，如圖7 所示，在不同接地電阻下，故障相電壓變化率始終保持最大。

圖6 單相接地相電壓幅值變化趨勢

圖7 單相接地故障各相電壓幅值變化率

發(fā)明獨(dú)特的配電網(wǎng)觸電故障電壓變化率精準(zhǔn)選相方法:1) C 相為單相接地故障相，故障相前一相UB的相電壓幅值始終最高；2) 在接地電阻大于500 Ω 時，高阻接地故障相電壓幅值的變化率最大。

基于以上技術(shù)，研制10 kV 觸電故障電流轉(zhuǎn)移防觸電裝置。在配電網(wǎng)智能化實(shí)驗(yàn)室開展10 kV 動物活體觸電試驗(yàn)，2 000 次試驗(yàn)全部精準(zhǔn)快速切除，試驗(yàn)動物未出現(xiàn)傷殘。10 kV 故障轉(zhuǎn)移防觸電裝置在湖南、江西等省份應(yīng)用300 多套，成功避免千余起10 kV 觸電意外事故。

3 400 V 人體觸電電流波形特征識別的新型精準(zhǔn)漏電保安器

3.1 人體觸電波形特征識別技術(shù)

傳統(tǒng)漏電保安器將工頻漏電流幅值作為動作判據(jù)，誤動頻繁。開展動物活體與本項(xiàng)目研究人員的觸電模擬實(shí)驗(yàn)，獲取活體觸電電流波形，發(fā)現(xiàn)觸電電流基波與高次諧波變化規(guī)律，如圖8 所示。將提取得到的線路零序電流進(jìn)行分解，如公式(1) 所示，I表示漏電電流，I0表示泄漏電流的直流，I1表示基波，I2表示2 次諧波幅值，In表示n次諧波幅值，ω表示泄漏電流角速度，Φ1、Φ2、Φn分別表示1、2、n次諧波的相位角。

圖8 活體觸電典型電流波形

在人體觸電的前3 個周期內(nèi)，人體漏電電流的基波幅值不斷上升，3～7 次諧波呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，因此提出矢量合成的人體觸電電流波形識別算法:求取觸電前后基波和各次諧波突變量并進(jìn)行比較，若I1上升后基本穩(wěn)定不變，I3—I7諧波電流先上升后下降，則判斷人身觸電事故發(fā)生。

3.2 人體觸電特征識別的新型漏電保護(hù)動作裝置

目前一部分漏電保安器在農(nóng)村應(yīng)用中頻繁誤動，為保障供電，被大量退出運(yùn)行。人員觸電時得不到保護(hù)，導(dǎo)致低壓400 V 人身觸電傷亡事故頻發(fā)。研發(fā)了人體特征電流精準(zhǔn)動作漏電保安器，正常漏電流不誤動，保證供電；人身觸電時精準(zhǔn)識別并切除故障，防止低壓人身觸電傷亡事故。

低壓400 V 精準(zhǔn)動作漏電保安器于湖南等省應(yīng)用4 萬余套，應(yīng)用區(qū)域投運(yùn)率達(dá)100%，未發(fā)生400 V 低壓觸電傷亡事故，攻克低壓400 V 防人身觸電難題。

4 優(yōu)勢分析

人身觸電傷亡防治關(guān)鍵技術(shù)與系列裝備突破大通流防雷擊斷線絕緣子、10 kV 單相接地故障轉(zhuǎn)移防觸電裝置、400 V 觸電精準(zhǔn)動作等系列難題，在小尺寸防雷ZnO 通流能力、高壓觸電選相正確率與開關(guān)接地動作時間、低壓400 V 觸電信號識別準(zhǔn)確率等方面均優(yōu)于國內(nèi)外同類先進(jìn)技術(shù)，同時經(jīng)濟(jì)性能好，發(fā)展前景廣闊，具有很強(qiáng)的市場競爭力。

1) 10 kV 防雷擊斷線能力。國內(nèi)外配網(wǎng)避雷器通流能力 65 kA，每年雷擊跳閘率 0.68次/100 km，雷擊斷線故障頻發(fā)；與絕緣子并聯(lián)安裝，施工復(fù)雜。本文所研發(fā)的裝備在相同尺寸與成本下通流能力120 kA，性能提升85%，雷擊跳閘率降至每年0.06 次/100 km；安裝施工簡便，經(jīng)濟(jì)性能好。

2) 10 kV 意外碰線觸電防護(hù)。高阻選相準(zhǔn)確率低，難以防止觸碰高壓導(dǎo)線的人身傷亡。本文所研發(fā)裝備在2 000 余次試驗(yàn)中全部準(zhǔn)確動作，有效防止觸碰10 kV 導(dǎo)線的觸電傷亡，優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。

3) 400 V 低壓觸電防護(hù)。國內(nèi)外漏電保安器拒動/誤動頻繁，投運(yùn)率低，觸電時無法動作，導(dǎo)致傷亡多。本文所研發(fā)的設(shè)備一般漏電流不動作，投運(yùn)率100%，保證正常供電；人身觸電時精準(zhǔn)識別切除，防止低壓400 V 人身觸電傷亡，屬于國內(nèi)外首創(chuàng)。

5 結(jié)語

本文針對低壓400 V 與10 kV 人身觸電傷亡事故，分析了事故發(fā)生原因，研制了相應(yīng)的防治技術(shù)與裝備。

1) 針對10 kV 雷擊斷線易造成人身觸電傷亡，提出了絕緣支撐與ZnO 防雷一體化結(jié)構(gòu)，研制100 kA以上大通流ZnO 電阻，大幅降低雷擊跳閘率的同時，有效防止了10 kV 雷擊斷線引發(fā)的人身觸電傷亡。

2) 率先提出變電站觸電故障相快速接地—轉(zhuǎn)移故障處電流防觸電新思路，試驗(yàn)揭示高壓觸電各相電壓變化規(guī)律，發(fā)明獨(dú)特的觸電電壓變化率精準(zhǔn)選相方法，準(zhǔn)確辨識與切除觸電故障，大幅降低了意外觸碰10 kV 高壓導(dǎo)線引發(fā)的人身觸電傷亡風(fēng)險(xiǎn)。

3) 提出人體觸電特征識別漏電保護(hù)方法，揭示人體觸電電流特征，發(fā)明觸電電流矢量合成精準(zhǔn)識別方法，漏電干擾信號不誤動，確保裝置投運(yùn)率100%，減少了400 V 人身觸電傷亡事故。

現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，系列防人身觸電裝置可有效預(yù)防與快速精準(zhǔn)切除配電網(wǎng)觸電事故，應(yīng)用線路未再發(fā)生人身觸電傷亡，有效提升了配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性。