張遠建,王 琴,康 坦,王 威,韓 臻,顧亞健
(江蘇興力工程管理有限公司,江蘇 南京 210000)
為了確保輸電線路的安全穩(wěn)定運行,帶電作業(yè)已經(jīng)成為較為廣泛的作業(yè)方法[1-2],帶電作業(yè)雖然保證了電網(wǎng)的不間斷運行,但也增加了作業(yè)人員的危險性[3-4]。
電力系統(tǒng)從業(yè)人員生命安全和身體健康是供電企業(yè)安全生產(chǎn)工作的重中之重,但目前電力安全事故仍然時有發(fā)生,形勢比較嚴峻。據(jù)國家能源局統(tǒng)計,某年一個月就發(fā)生了電力人身傷亡事故 5 起、死亡 6 人,造成了巨大經(jīng)濟損失和不良社會影響[5-6]。因此,帶電作業(yè)電場監(jiān)測與報警裝置成為研究熱點,多數(shù)學者對此進行了深入研究[7-9]。例如文獻[8]針對現(xiàn)有技術方法的缺陷提出基于電場過限確定安全距離的思路,通過仿真計算得到不同電壓等級輸電線路安全距離的臨界電場,但沒有考慮人體侵入的影響,此外,少數(shù)文獻考慮了人體侵入的影響[10];但缺少對實際高壓輸電線路不同電壓等級下的差異性進行研究。
為此,本文分別建立35、110、220 kV等級輸電線路帶電作業(yè)的有限元模型,通過計算研究了臨界安全距離下的臨界電場,研究結(jié)果可為帶電作業(yè)人員的安全性操作提供參考。
本文研究輸電線路帶電作業(yè)人體在臨界安全距離作業(yè)下的電場,選取準靜電場計算模型,計算域控制方程為:
(1)
式中,E為電場強度;D為電位移強度;U為電位值;ε0為真空絕對介電常數(shù),取8.85×10-12F/m;ε1為介質(zhì)的相對介電常數(shù);e為體電荷密度。
1.2 輸電線路安全距離下人體模型
本文仿真計算中,分別以35、110、220 kV等級輸電線路為研究對象,研究輸電線路帶電作業(yè)人體在臨界安全距離作業(yè)下的電場。
根據(jù)《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程—在帶電線路桿塔上作業(yè)與帶電導線最小安全距離》的規(guī)定,本文設置35、110、220 kV等級輸電線路臨界安全距離分別為1.0、1.5、3.0 m。
人體作業(yè)位置為導線側(cè)方入侵,輸電線路導線電壓分別設置為35、110、220 kV。
建模所用人體總體身高179 cm,人體腿長90 cm,腳高5 cm,身體長度60 cm,脖子和頭高 24 cm,如圖1所示。相比于輸電線路周圍空氣,空氣電導率為0,而人體近似為導體。因此,本文將人體視為均勻介質(zhì),電導率取為 0.1 S/m,相對介電常數(shù)取為106。
圖1 人體幾何模型Fig.1 Geometric model of human body
根據(jù)有限元原理的計算方法,對輸電線路帶電作業(yè)人體在臨界安全距離作業(yè)下的電場進行計算,計算完成后,本文選取人體從頭部到腳部的沿面區(qū)域作為不同輸電線路等級下的電場對比區(qū)域。電場對比路線如圖2所示。
圖2 電場對比區(qū)域示意Fig.2 Schematic diagram of electric field comparison area
本文計算得到35、110、220 kV輸電線路在臨界安全距離下的電勢和電場分布,同時分析了不同身體部位的電場差異性。
以35 kV輸電線路在側(cè)方侵入帶電作業(yè)人體時為例,其整體電場與電勢分布如圖3所示。
圖3 35 kV輸電線路整體電場與電勢分布Fig.3 Overall electric field and potential distribution of 35 kV transmission line
從圖3中可以看出,在輸電線路帶電作業(yè)時,人體表面存在局部電場畸變現(xiàn)象。為更加直觀地分析人體表面電場分布,本文給出在35、110、220 kV等級輸電線路時的人體電場分布局部圖,如圖4所示。
圖4 不同電壓等級下的人體電場分布Fig.4 Human electric field distribution under different voltage levels
從圖4中可以看出,在不同電壓等級的輸電線路帶電作業(yè)時,同樣在臨界安全距離下,人體表面電場分布有所差異。對于110 kV和220 kV等級輸電線路,其人體表面電場畸變相對35 kV較大。此外,對于相同等級的輸電線路,人體表面電場分布存在差異性。以220 kV等級輸電線路為例,電場較大的位置分別位于頭部,手腕部,肩部和腳部,且近電側(cè)(右半體)和遠電側(cè)(左半體)電場分布存在差異性。
為更加準確地分析不同電壓等級的輸電線路帶電作業(yè)時人體表面臨界電場分布的差異性,本文給出沿左右人體表面電場監(jiān)測路徑的電場分布,如圖5所示。
從圖5的分析中,可以得到以下結(jié)論。
(1)隨著電壓等級的升高,人體表面在臨界安全距離下的電場值有逐漸增大的趨勢。例如,以右半體為例,通過計算可知,35、110、220 kV輸電線路在臨界安全距離下人體表面電場平均值分別為0.77、1.83、2.20 kV/m,220 kV電壓等級下平均臨界電場較35 kV下的增加了184.69%。
(2)不同身體部分的表面電場差異性較大,表面電場最大值一般出現(xiàn)在左腳底位置。其中,220 kV電壓等級下的電場最大值最大,可達19.41kV/m。
(3)近電側(cè)(右半體)臨界表面電場平均值略大于遠電側(cè)(左半體)。以220 kV電壓等級為例,近電側(cè)與遠電側(cè)的平均臨界場強分別為2.20、1.72 kV/m。
為進一步分析人體不同位置時的電場差異性,本文統(tǒng)計了頭頂、右肩部、左肩部、右手腕、左手腕、右腳腕和左腳腕7個位置的電場值,見表1。
圖5 監(jiān)測路徑下的不同電壓等級下的人體電場分布Fig.5 Human electric field distribution under different voltage levels under monitoring path
表1 不同身體部位電場差異性Tab.1 Difference of electric field in different body parts
從表1中可以得出:①人體不同位置的電場差異性較大,以220 kV電壓等級下的電場計算結(jié)果為例,最小值位于左肩部,僅為1.07 kV/m,最大值位于左腳腕處,可達14.71 kV/m,二者相差13.71倍。②不同電壓等級下的最大電場出現(xiàn)的位置相同,均為左腳腕處。而最小電場出現(xiàn)的位置有差異,對于35 kV和110 kV等級輸電線路的最小電場,均出現(xiàn)在頭頂處,而220 kV等級輸電線路的最小電場出現(xiàn)在左肩部。③在進行帶電作業(yè)人體電場監(jiān)測與報警設備研制時,需要考慮報警器穿戴位置進行報警閾值的設定。
為了驗證本文提出的不同身體位置的報警閾值,以基于一種穿戴式近電感知裝置、35 kV等級的電壓為例,進行了試驗驗證,為保證試驗人員安全,本文使用模擬人體的假人進行穿戴試驗,向高壓端入侵的方式與仿真設置的一致。其中穿戴式近電感知裝置如圖6所示。
電場探頭通過電磁感應,探測穿戴位置(例如手腕腳腕)附近電場強度信號,檢測主板對該信號進行濾波放大處理后,計算得到電場強度大?。粰z測主板識別旋鈕對應的電壓等級檔位,根據(jù)所穿戴的身體位置設置報警閾值。
以35 kV等級的電壓為例,頭頂、右肩部、左肩部、右手腕、左手腕、右腳腕和左腳腕處的電場閾值分別設置為0.25、2.50、1.57、4.01、1.60、2.12、4.14 kV/m;檢測主板將計算得到的電場強度大小預先設定的閾值進行對比,從而判斷是否越限,如果越限,則蜂鳴器報警。
根據(jù)穿戴不同身體位置的試驗結(jié)果,可以得到不同穿戴位置的報警距離和與實際安全距離的報警偏差,如圖7所示。
圖7 報警距離及偏差Fig.7 Alarm distance and deviation
從圖7中可以看出,穿戴不同身體位置時的報警距離均在1 m附近浮動,誤差絕對值最大值為0.09 m,最大誤差僅為8.26%,雖然有一定的報警誤差,但是誤差范圍較小,說明根據(jù)穿戴位置設置不同的報警閾值符合實際情況,值得在工程應用中采用。但由于偏差的存在,在實際應用中對報警閾值設置10%的裕度較為合理。
本文建立了帶電作業(yè)人體在35、110、220 kV等級輸電線路作業(yè)的有限元模型,研究輸電線路帶電作業(yè)人體在臨界安全距離作業(yè)下的電場,主要得出以下結(jié)論。
(1)隨著電壓等級的升高,人體表面在臨界安全距離下的電場值有逐漸增大的趨勢。例如,220 kV電壓等級下平均臨界電場較35 kV下的增加了184.69%。
(2)近電側(cè)(右半體)臨界表面電場平均值略大于遠電側(cè)(左半體),以220 kV電壓等級為例,近電側(cè)與遠電側(cè)的平均臨界場強分別為2.20、1.72kV/m。
(3)人體不同位置的電場差異性較大,以220 kV電壓等級下的電場計算結(jié)果為例,最小值位于左肩部,僅為1.07 kV/m,最大值位于左腳腕處,可達14.71 kV/m,二者相差13.71倍。
(4)基于穿戴式近電感知裝置的試驗驗證表明,根據(jù)穿戴位置設置不同的報警閾值符合實際情況,值得在工程應用中采用。但由于偏差的存在,在實際應用中對報警閾值設置10%的裕度較為合理。