帶電線路中施工機械安全距離作業(yè)下的臨界電場研究

生紅瑩，劉 歡，朱 琳，丁寅龍，周林勇，韓 臻

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000；2.江蘇興力建設(shè)集團有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

近年來，隨著城市化進程的逐步加快，電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅猛發(fā)展，輸電線路覆蓋范圍也迅速擴大[1-4]，各種違法、違章行為所引起的輸電線路桿塔破壞、設(shè)備短路等外力破壞的故障、事故時有發(fā)生，給供電企業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失，電網(wǎng)的不正常運行得不到及時處理會對人民生活和經(jīng)濟建設(shè)構(gòu)成極大的威脅[5-8]。

吊車野蠻施工，觸碰輸電線路是外力破壞事故的典型情況[9]。近幾年常有高壓輸電線下吊車碰線事故的新聞報道。隨著電力設(shè)備越來越多、施工環(huán)境越來越復(fù)雜，高壓線路下施工現(xiàn)場的危險點也變的多樣化，以及施工人員和設(shè)備的增多，導(dǎo)致人工操作工作量和技術(shù)復(fù)雜度的增加，不僅加大了勞動強度而且會由此引發(fā)諸多不安全因素，增大事故發(fā)生的可能性。

即使不發(fā)生帶電作業(yè)機械設(shè)備觸碰高壓線的事故，也時有安全距離控制不得當而導(dǎo)致的輸電線路對施工設(shè)備放電事故，進而破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

一些學(xué)者進行了輸電線路安全距離方面的研究工作[10-12]，例如文獻[12]提出了一種基于電場臨界值的方法來測定安全距離，系統(tǒng)的仿真得到各個電壓等級下在對應(yīng)安全距離處的臨界電場。但該研究主要基于二維仿真計算，且沒有考慮施工機械入侵情況下的電場計算。因此，有必要對帶電線路中施工機械安全距離作業(yè)下的臨界電場進行研究。

基于此，本文建立可移動吊塔帶電作業(yè)有限元模型，以110 kV 和220 kV 交流輸電線路為例，研究安全距離下的臨界電場，計算并得到不同作業(yè)位置的臨界電場閾值。

1 輸電線路安全距離確定方法

當下，慣用法與統(tǒng)計法是判斷輸電線路安全距離的常用方法。在此基礎(chǔ)上，電力系統(tǒng)發(fā)展了多種測定安全距離的方法，例如紅外測距、激光測距和超聲波測距，這些設(shè)備成本通常較高、準確率低，在實際工程中應(yīng)用受限。

因此，現(xiàn)階段提出了一種基于電場過限的確定安全距離的思路。具體做法是安裝近電感應(yīng)器在作業(yè)機械端部，通過探測施工機械端部電場強度，進行數(shù)據(jù)分析識別后，將電場強度、電壓等級信號發(fā)送給駕駛室的報警器，報警器判斷電場強度是否越限，如果越限，則報警器發(fā)出報警信號。該方法可以起到如下作用：

a.以空間電場的大小作為防外破預(yù)警的參考值，可避免誤報，且更加直觀、準確。

b.通過安裝分布式傳感器，實現(xiàn)電力公司監(jiān)管人員對管轄范圍內(nèi)、多臺工程吊車安全作業(yè)的遠程實時監(jiān)控。

c.功耗低、長航時，便攜性強，安裝拆卸方便，不影響現(xiàn)場施工。

本方法可以輔助安全施工建設(shè)，從而在以下2個場景產(chǎn)生巨大作用，以避免施工機械跨越臨近帶電安全距離導(dǎo)致的惡性事件：

a.電力工程臨近帶電作業(yè)施工現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，施工機械與帶電設(shè)備及導(dǎo)線的距離難以測量，安全監(jiān)護人及施工機械指揮人員僅憑經(jīng)驗判斷機械近電距離，施工機械操作人員稍有疏忽便有可能致使機械與帶電體安全距離過小，導(dǎo)致事故發(fā)生。

b.部分變電站、線路環(huán)境復(fù)雜，存在多電壓等級交錯、多電源供電情況，施工人員在確定某一路電源停電后，錯誤認為設(shè)備或線路已不帶電，直接進場驗電、施工，導(dǎo)致事故發(fā)生。

2 交流輸電線路安全距離下臨界電場計算

2.1 有限元計算原理

根據(jù)靜電場原理，帶電線路中施工機械與輸電線路的整體電位分布滿足泊松方程，如式(1)所示。且當場中無自由移動的空間電荷時，靜電場中任意一點的電荷密度ρ為0，拉普拉斯方程成立，如式(2)所示。

(1)

(2)

ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；φ為電位；2為拉普拉斯算子；x、y、z為空間坐標。求解帶電線路中機械器具與輸電線路的整體電場分布時，其變分問題，與計算域單元頂點的點位表達式分別為：

(3)

(4)

F為場域中頂點的電位；V為場域。Fe(φe)對φe導(dǎo)數(shù)為0時可以得到式(5)。進一步表示為矩陣的形式，即可得到式(6)。

(5)

[K][φ]=[0]

(6)

[K]為剛度矩陣，通過求解器的迭代計算，最終可以求得帶電線路中機械器具與輸電線路的整體電場分布。

2.2 交流輸電線路安全距離電場仿真模型

本文仿真計算中，介質(zhì)參數(shù)和輸電線路尺寸設(shè)置分別如表1和表2所示。

表1 介質(zhì)參數(shù)

表2 輸電線路參數(shù)

交流輸電線路安全距離三維電場計算模型如圖1所示。本文考慮施工機械從水平入侵、45°側(cè)下方入侵和正下方入侵的3種情況?？紤]到工程接地保護，施工機械與大地設(shè)為等電位。

此外，本文安全距離為按照《建設(shè)安規(guī)》所規(guī)定的在專項措施下的距離，即110 kV交流輸電線路為6.5 m，220 kV交流輸電線路為8.0 m。

圖1 交流輸電線路安全距離電場仿真模型(單位 m)

2.3 交流輸電線路安全距離電場仿真結(jié)果

對不同工況下的仿真結(jié)果進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

由圖2a可知，110 kV輸電線路下，當無入侵設(shè)備時，輸電線路安全距離下的水平側(cè)方、45°側(cè)方和正下方的電場強度值分別為4.07 kV/m、5.87 kV/m和7.34 kV/m。當存在入侵設(shè)備時，輸電線路安全距離下的水平側(cè)方、45°側(cè)方和正下方的電場強度值分別為29.09 kV/m、24.28 kV/m 和23.24 kV/m。

圖2 臨界電場計算結(jié)果

由圖2b可知，220 kV輸電線路下，當無入侵設(shè)備時，輸電線路安全距離下的水平側(cè)方、45°側(cè)方和正下方的電場強度值分別為6.56 kV/m、10.09 kV/m 和12.24 kV/m。當有入侵設(shè)備時，輸電線路安全距離下的水平側(cè)方、45°側(cè)方和正下方的電場強度值分別為56.85 kV/m、45.31 kV/m 和41.92 kV/m。

本章節(jié)仿真計算得出主要結(jié)論如下：

a.當輸電線路有施工機械入侵時，其安全距離下的臨界電場會有較大的變化，具體言之，其相同安全距離下的臨界電場強度將增大3.4 ～ 7.3倍。因此當使用吊車等設(shè)備進行作業(yè)時，臨界電場不能采用無吊車時的計算結(jié)果。

b.不同輸電線路等級下，在安全距離位置的臨界電場各不相同，因此，在采取臨界電場過限法標定安全距離時，需要對不同電壓等級下的臨界電場進行系統(tǒng)研究。

c.施工機械設(shè)備位置不同時，在相同安全距離下，其臨界電場亦有差別。建議采取最低的、即施工機械從水平側(cè)方入侵時的臨界電場作為標定安全距離的閾值，以保留一定安全裕度，其中對于110 kV，臨界電場閾值取4.07 kV/m，對于220 kV，臨界電場閾值取6.56 kV/m。

3 現(xiàn)場測試及驗證

為驗證上述計算結(jié)果，從而指導(dǎo)實際使用，研制了施工機械臨近電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，其通過近電感應(yīng)器實時測量吊車吊臂頂部電場強度(如圖3a所示)，并發(fā)送給后臺中繼(如圖3b所示)，后臺中繼將電場強度數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器，手持終端通過訪問云端服務(wù)器獲取電場強度數(shù)值。

圖3 施工機械吊臂電場測量監(jiān)控裝置

近電感應(yīng)器由微型電場探頭、放大濾波模塊、LoRa通信模塊、MCU模塊、鋰電池、電池電壓采集模塊及充電保護模塊組成，其工作原理為：放大濾波模塊將微型電場探頭輸入的微弱電壓信號放大，并濾除高頻電磁干擾分量，輸出至MCU模塊的ADC端口；MCU模塊采集ADC端口工頻電場信號、并采取軟件濾波的方式進一步消除外部干擾，然后將信號傳送至LoRa通信模塊，進而發(fā)送給后臺中繼，如圖4所示。

圖4 電場感應(yīng)測量工作原理

為了準確測量空間電場大小，在高壓實驗室開展電場校準實驗。利用2個圓形且互相平行的平板電極產(chǎn)生均勻電場(如圖5a所示)，將近電感應(yīng)器放置正中央，讀取手持終端的電場監(jiān)測結(jié)果，并與實際的電場強度計算值相比較，對比結(jié)果如圖5b所示。

由圖5b可知，所研制近電感應(yīng)器測得的電場強度與實際值的誤差在10%以內(nèi)，考慮到試驗過程中外施電壓也有一定的波動，因此該誤差滿足工程運用要求。將該近電感應(yīng)器安裝在機械吊臂頂端，并利用后臺中繼、手持終端觀測電場強度大小，操控機械吊臂使其從外側(cè)緩慢靠近高壓導(dǎo)線，待數(shù)值達到上文所確定的最低閾值時停止操作，采用激光測距儀測量吊臂與高壓導(dǎo)線的距離?，F(xiàn)場測試情況如圖6所示。

圖5 近電感應(yīng)器電場測量校準實驗

圖6 現(xiàn)場電場強度及安全距離測量實驗

2個電壓等級下測得的電場及安全距離情況如表3所示。

表3 吊車入侵電場強度及安全距離測試結(jié)果

由表3結(jié)果可知，現(xiàn)場實測環(huán)境下，當近電感應(yīng)器附近電場強度慢慢接近仿真計算所得的臨界電場報警閾值時，測得的安全距離大小要明顯大于理想值，且相對誤差在18%以內(nèi)，表明按照仿真計算結(jié)果設(shè)置最小安全距離下的臨界電場閾值比較合理，且留有了一定的裕度。

4 結(jié)束語

本文建立可移動吊塔帶電作業(yè)有限元模型，以110 kV 和220 kV 交流輸電線路為例，研究安全距離下的臨界電場強度，并開展了現(xiàn)場實測試驗。得到主要結(jié)論如下：

a.當輸電線路有施工機械入侵時，其相同安全距離下的臨界電場強度將增大3.4～7.3倍。

b.不同輸電線路等級下，在安全距離位置的臨界電場各不相同，施工機械所處位置不同時，在相同安全距離下，其臨界電場亦有差別。

c.建議采取最低的、即施工機械從正水平側(cè)方入侵時的臨界電場作為標定安全距離的閾值。其中對于110 kV交流輸電線路，臨界電場閾值取4.07 kV/m；對于220 kV交流輸電線路，臨界電場閾值取6.56 kV/m。

d.現(xiàn)場實測吊臂入侵時的安全距離大小要明顯大于理想值，且相對誤差在18%以內(nèi)，表明按照上述結(jié)論設(shè)置臨界電場閾值比較合理，且留有了一定的裕度。