帶電作業(yè)人員侵入110 kV電纜終端塔間隙方式對(duì)套管及應(yīng)力錐電場(chǎng)分布的影響研究

吳 田，王興宇，何光華，齊金龍，葛偉康

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002；2.國(guó)網(wǎng)無錫供電公司， 江蘇 無錫 214000)

0 引 言

隨著城市化水平的提高，以電纜為載體的輸電工程越來越受到人們的重視，并在城市電網(wǎng)架空入地中得到了推廣應(yīng)用[1-4]。電纜終端套管是一種連接架空線路和電纜的關(guān)鍵部件，作為城市電網(wǎng)輸電線路的重要組成部分，其安全性以及絕緣可靠性的維護(hù)對(duì)確保居民生產(chǎn)生活具有重要意義[5]。電纜應(yīng)力錐作為電纜終端優(yōu)化電場(chǎng)的核心結(jié)構(gòu)，其周圍電場(chǎng)分布復(fù)雜，易發(fā)生電場(chǎng)畸變甚至引起擊穿，且在金屬護(hù)套邊緣處的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)集中[6]，因此，應(yīng)力錐處的電場(chǎng)分布對(duì)于保證電纜線路及電纜終端的正常運(yùn)行有決定作用。

近年來，人們對(duì)電力的依賴性與供電可靠性的要求日益提高，停電作業(yè)會(huì)讓用戶長(zhǎng)時(shí)間停電，不滿足用電需求，因此，帶電作業(yè)的開展是有必要的。目前，對(duì)輸電線路帶電作業(yè)及其安全防護(hù)方面開展了很多研究，使得其關(guān)鍵技術(shù)飛速發(fā)展：吳田等對(duì)高壓、特高壓輸電線路的帶電作業(yè)方式、進(jìn)入路徑、安全檢測(cè)及防護(hù)等方面開展了研究[7-10]，為帶電作業(yè)的安全性提供了保障。電纜終端是輸電線路的關(guān)鍵部分，其電場(chǎng)分布對(duì)整個(gè)輸電線路的安全性起著保障的作用，應(yīng)力錐是電纜終端附件中電場(chǎng)極不均勻的部分，如今針對(duì)電纜終端及應(yīng)力錐的材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、局部放電機(jī)理、缺陷檢測(cè)[11]方法及識(shí)別上做了很多研究：謝晨等建立有限元數(shù)值仿真模型，通過仿真計(jì)算分析，對(duì)電纜終端的應(yīng)力錐材料、曲率等進(jìn)行了優(yōu)化，以改善電纜終端周圍空間的電場(chǎng)分布[12-13]；劉蓉等[14-17]對(duì)電纜終端缺陷的局部放電特性進(jìn)行了分析；劉剛等利用電纜終端缺陷識(shí)別，對(duì)電纜終端的制作方式提供了依據(jù)[18-19]，Roman F等對(duì)懸浮電位導(dǎo)體及帶電體之間的氣隙以及懸浮電位導(dǎo)體的放電特性進(jìn)行了研究[20-24]。

綜上所述，目前在輸電線路帶電作業(yè)以及電纜終端電場(chǎng)的研究比較全面，而對(duì)110 kV電纜帶電作業(yè)及其方式缺少研究。由于電纜終端塔結(jié)構(gòu)緊湊，且和現(xiàn)有的線路和變電站間隙的差異較大，因而針對(duì)電纜終端套管帶電作業(yè)時(shí)對(duì)套管及其應(yīng)力錐電場(chǎng)分布的影響進(jìn)行研究，為110 kV電纜終端套管帶電作業(yè)方式的選擇提供依據(jù)，對(duì)保證高壓電纜線路的供電可靠性具有非常重要的意義。

1 建模及計(jì)算方法

1.1 建模

電纜終端塔采用無錫110 kV單回路電纜終端桿模型，塔高26 m，終端平臺(tái)高9 m，仿真模型見圖1。電纜終端套管依據(jù)110 kV XLPE電纜整體預(yù)制干式絕緣戶外終端裝配圖建模，相間距離2 m，電纜線芯選擇截面積630 mm2。人體模型參照人機(jī)工程學(xué)中中國(guó)男性的平均測(cè)量尺寸，身高168 cm，頭部為橢球形，頭圍560 mm，身體厚度為212 mm，長(zhǎng)533 mm，腿長(zhǎng)834 mm，手臂長(zhǎng)550 mm，建模時(shí)所有尖角處用圓角處理。電纜終端塔周圍的無限空氣開區(qū)域采用一扇形區(qū)域模擬，大小為模型的4到5倍，半徑取為120 m，邊界施加0電位。

(b)應(yīng)力錐模型

仿真采用三維模型，其求解歸結(jié)為三維靜電場(chǎng)邊值問題，其電位的拉普拉斯方程為

(1)

2φ=ρ/ε=0

(2)

式中，φ為計(jì)算區(qū)域內(nèi)電位函數(shù);ρ為求解區(qū)域內(nèi)自由分布電荷密度;ε為相對(duì)介電常數(shù)。

邊界條件一般為3類：

φ|Γ=Φ

(3)

(4)

(5)

仿真時(shí)作業(yè)相電纜線芯施加110 kV相電壓幅值，即89 kV，非作業(yè)相施加-44 kV電壓，應(yīng)力錐以及電纜終端塔施加0電位。地電位作業(yè)時(shí)，人體模型設(shè)置0電位，等電位作業(yè)時(shí)設(shè)為89 kV電壓，中間電位作業(yè)時(shí)人體模型為懸浮電位，采用自耦合。

1.2 子模型法

由于終端塔和應(yīng)力錐的尺度差異大，整體模型的分析節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多和耗時(shí)長(zhǎng)，為了獲得帶電作業(yè)方式對(duì)電纜終端套管應(yīng)力錐的電場(chǎng)分布的影響，同時(shí)確保應(yīng)力錐電場(chǎng)的計(jì)算精度，因而采用子模型法優(yōu)化套管應(yīng)力錐附近的網(wǎng)格剖分尺度[25-27]。

子模型分析分為5步：1)分析粗糙模型；2)生成子模型；3)生成切割邊界插值；4)分析子模型；5)驗(yàn)證切割邊界距離應(yīng)力集中區(qū)域是否足夠遠(yuǎn)。粗糙模型和之前整體分析一樣，粗化了各個(gè)零件的剖分尺寸，節(jié)點(diǎn)數(shù)為718 188，約為整體模型節(jié)點(diǎn)數(shù)的一半。與粗糙模型相同剖分尺寸的情況下，子模型節(jié)點(diǎn)數(shù)只有粗糙模型的10%左右。子模型的切割邊界選在A相電纜終端上空氣包的面上的節(jié)點(diǎn)，分析時(shí)再施加其余的載荷。

1.3 計(jì)算工況

針對(duì)110 kV電纜終端塔上的電纜終端套管在3種情況下電場(chǎng)進(jìn)行了分析：1)正常運(yùn)行及其地電位作業(yè)；2)等電位作業(yè)；3)中間電位作業(yè)。正常運(yùn)行工況不考慮電纜的缺陷、外部環(huán)境以及作業(yè)人員的影響。

由于作業(yè)人員距離電纜終端越遠(yuǎn)對(duì)電場(chǎng)的影響越小，因而地電位作業(yè)時(shí)模擬較為嚴(yán)苛的情形，即直接接觸電纜終端作業(yè)，并且手部覆蓋傘群。由于高壓電纜終端正常運(yùn)行時(shí)鋁護(hù)套周圍電場(chǎng)較高，熱縮管處時(shí)常發(fā)生事故，高壓引線端也是需要關(guān)注的位置，因此電纜終端的帶電作業(yè)站位選擇在高壓引線(即導(dǎo)電端子處)、應(yīng)力錐以及電纜鋁護(hù)套處。并且為了解短接間隙過程中應(yīng)力錐及體表電場(chǎng)的變化，設(shè)置了人體模型距離應(yīng)力錐1 m、0.5 m、0.3 m、0.2 m以及接觸作業(yè)時(shí)的工況，距離為手端部到電纜線芯中心線。

為了減小對(duì)作業(yè)間隙的短接，等電位作業(yè)時(shí)以下蹲姿勢(shì)在電纜終端套管高壓引線處從接觸作業(yè)到遠(yuǎn)離0.1 m，0.2 m，0.3 m，0.4 m，0.5 m。以電纜線芯的中心線為水平零點(diǎn)，作業(yè)距離為腳與線芯中心線的距離。

中間電位作業(yè)考慮安全距離，距離電纜終端套管1 m處，在高壓引線，應(yīng)力錐以及鋁護(hù)套處作業(yè)；在距應(yīng)力錐處1 m，1.1 m，1.2 m和1.5 m等位置作業(yè)。以電纜線芯的中心線為水平零點(diǎn)，距離為線芯中心線到手的距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 子模型法下應(yīng)力錐電場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果

子模型法基于圣維南定理，未運(yùn)用子模型法計(jì)算時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 485 890，此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)已接近飽和，因此為了更加精細(xì)的網(wǎng)格劃分，把作業(yè)相的電纜終端單獨(dú)取出作子模型分析，調(diào)整了子模型剖分尺寸得到了最優(yōu)的結(jié)果云圖見圖2，得到的子模型法和直接求解對(duì)比見表1。

圖2 地電位作業(yè)下電場(chǎng)分布Fig.2 The electric field distribution of live working under ground potential working

表1 結(jié)果對(duì)比Table 1 Result comparison

應(yīng)用子模型法能夠以較短的計(jì)算時(shí)間，更細(xì)的網(wǎng)格得到更好的結(jié)果分布，并且計(jì)算結(jié)果和直接求解很相近。在求解精度相同時(shí)，子模型的計(jì)算效率遠(yuǎn)高于全模型直接求解的效率。

2.2 電纜終端正常運(yùn)行及地電位作業(yè)

采用子模型法對(duì)電纜終端塔及終端套管正常運(yùn)行以及地電位作業(yè)時(shí)的電場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，為了評(píng)估帶電作業(yè)對(duì)應(yīng)力錐電場(chǎng)的影響，計(jì)算得到應(yīng)力錐在不同工況及位置的電場(chǎng)最大值見表2，電纜終端正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)力錐的電場(chǎng)最大值位于XLPE與應(yīng)力錐界面交界處以及應(yīng)力錐曲面的根部，接觸作業(yè)時(shí)電場(chǎng)最大值達(dá)到了3 100 kV/m，并且應(yīng)力錐曲面以及端部電場(chǎng)下降，變化只有10 kV/m，影響僅1%左右，強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)值基本不變，可以忽略。短接間隙過程中，在距離電纜終端0.5 m時(shí)應(yīng)力錐電場(chǎng)值上升約2%。

表2 電纜終端正常運(yùn)行及地電位作業(yè)時(shí)各部位的電場(chǎng)值Table 2 The electric field value of each position during normal operation and ground potential working

在電纜終端套管的高低壓端作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員的體表電場(chǎng)值最大，在應(yīng)力錐處作業(yè)時(shí)體表電場(chǎng)值最小，為403.10 kV/m，整體呈“U”形分布；遠(yuǎn)離電纜終端體表電場(chǎng)減小，在0.3 m處體表最大電場(chǎng)為226.94 kV/m，不超出人體體表電場(chǎng)限值240 kV/m，可以看出，當(dāng)作業(yè)人員手部不超出套管傘群時(shí)體表電場(chǎng)明顯下降，并且最大值位于手部，因此帶電作業(yè)時(shí)手部不宜覆蓋或超過傘群。相較于地電位作業(yè)的其余工況，接觸應(yīng)力錐作業(yè)時(shí)高壓引線處電場(chǎng)值最小，約2 000 kV/m，而在高壓引線處作業(yè)時(shí)會(huì)使高壓引線的電場(chǎng)值增大；短接間隙的過程中，距離電纜終端套管1 m處作業(yè)時(shí)高壓引線電場(chǎng)值最大。

作業(yè)人員地電位作業(yè)接觸電纜終端作業(yè)時(shí)，其體表電場(chǎng)超過帶電作業(yè)人體體表電場(chǎng)限值240 kV/m，因此建議穿戴屏蔽服做好電場(chǎng)防護(hù)。

2.3 等電位作業(yè)

等電位作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐及體表電場(chǎng)值見表3，等電位作業(yè)時(shí)對(duì)應(yīng)力錐電場(chǎng)影響很小，在距離電纜終端0.1 m，0.4 m以及0.5 m處的高壓引線作業(yè)時(shí)，應(yīng)力錐強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)值僅上升了2%左右。

表3 等電位作業(yè)對(duì)各個(gè)部位電場(chǎng)的影響Table 3 Effect of equipotential working on electric field of each position (kV·m-1)

等電位作業(yè)遠(yuǎn)離電纜終端套管的高壓引線時(shí)，高壓引線的電場(chǎng)值呈下降趨勢(shì)。隨著作業(yè)人員遠(yuǎn)離高壓引線，體表電場(chǎng)值呈下降趨勢(shì)，最大值為緊貼高壓引線時(shí)的940.98 kV/m，等電位作業(yè)時(shí)體表電位與高壓引線一致，都為89 kV，作業(yè)人員靠近高壓引線作業(yè)時(shí)，相當(dāng)于增加了導(dǎo)線的等效半徑，因此在0.4 m處時(shí)，距離較遠(yuǎn)等效作用消失，體表電場(chǎng)小幅上升后繼續(xù)下降。

2.4 中間電位作業(yè)

中間電位作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐及作業(yè)人員體表的電場(chǎng)分布見表4，可知，中間電位作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐的電場(chǎng)值減小，應(yīng)力錐附近1.2 m處以及鋁護(hù)套附近1 m處帶電作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐的電場(chǎng)值最小，XLPE與應(yīng)力錐界面處的電場(chǎng)值相較于未作業(yè)時(shí)減少了3.5%，中間電位作業(yè)對(duì)應(yīng)力錐的電場(chǎng)影響較小。

表4 中間電位作業(yè)對(duì)各個(gè)部位電場(chǎng)的影響

作業(yè)人員的體表電場(chǎng)隨著與電纜終端套管距離的增大而減小，距離每增大0.1 m，電場(chǎng)值約減小13%。豎直方向移動(dòng)時(shí)，從鋁護(hù)套處向高壓引線移動(dòng)時(shí)，體表電場(chǎng)呈上升趨勢(shì)。中間電位作業(yè)時(shí)體表電場(chǎng)值未超出人體體表電場(chǎng)限值240 kV/m，并且作業(yè)對(duì)應(yīng)力錐電場(chǎng)影響較小，因此推薦采用中間電位作業(yè)。

2.5 3種工況下應(yīng)力錐電場(chǎng)影響對(duì)比

3種工況下電纜終端應(yīng)力錐的電場(chǎng)對(duì)比見圖3(圖中的位置是以應(yīng)力錐根部為零點(diǎn)，向上分別是XLPE與應(yīng)力錐界面、應(yīng)力錐曲面根部、應(yīng)力錐曲面、應(yīng)力錐端部)所示，在電纜終端鋁護(hù)套處進(jìn)行中間電位作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐電場(chǎng)值最小，在應(yīng)力錐強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的電場(chǎng)值比等電位作業(yè)的最大值減小180 kV/m；地電位作業(yè)對(duì)于應(yīng)力錐的電場(chǎng)值幾乎沒有影響，等電位作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐的電場(chǎng)值有所上升，中間電位作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐電場(chǎng)值減小，但變化幅度很小，約在2%～3%。

圖3 各種工況下應(yīng)力錐電場(chǎng)值對(duì)比Fig.3 Comparison of electric field values of stress cones under different working conditions

3 結(jié) 論

本研究根據(jù)110 kV電纜終端實(shí)際參數(shù)建立了仿真模型，采用子模型法保證計(jì)算精度的前提下計(jì)算了正常運(yùn)行及地電位作業(yè)、等電位作業(yè)、中間電位作業(yè)3種情況下的應(yīng)力錐電場(chǎng)、高壓引線電場(chǎng)以及體表電場(chǎng)，得到了如下結(jié)論：

1)地電位接觸作業(yè)時(shí)，應(yīng)力錐強(qiáng)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)影響可以忽略，在應(yīng)力錐處作業(yè)時(shí)體表電場(chǎng)最小，在高低壓兩端作業(yè)時(shí)體表電場(chǎng)最高，總體呈“U”形分布，但均超出人體能承受的最大電場(chǎng)；短接間隙的過程中，在距離電纜終端0.5 m處應(yīng)力錐電場(chǎng)上升約2%，體表電場(chǎng)最大值在距離電纜終端0.3 m處小于人體能承受的最大電場(chǎng)。建議采用地電位作業(yè)，作業(yè)時(shí)手部不宜覆蓋或超出傘裙。

2)等電位作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐電場(chǎng)小幅上升，作業(yè)時(shí)遠(yuǎn)離高壓引線，體表電場(chǎng)下降，在0.3 m時(shí)體表電場(chǎng)最小，作業(yè)時(shí)高壓引線電場(chǎng)值有所上升。等電位作業(yè)體表電場(chǎng)超出人體能承受的最大電場(chǎng)，不推薦采用等電位作業(yè)。

3)中間電位作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐電場(chǎng)值有所降低，距離電纜終端套管鋁護(hù)套1 m處作業(yè)時(shí)應(yīng)力錐電場(chǎng)最小；體表電場(chǎng)隨著與電纜終端套管距離的增大而減小，豎直方向向上移動(dòng)，電場(chǎng)值上升；中間電位作業(yè)時(shí)高壓引線電場(chǎng)值呈下降趨勢(shì)。中間電位作業(yè)時(shí)體表電場(chǎng)均小于人體能承受的最大電場(chǎng)，推薦采用中間電位作業(yè)。