750 kV輸電線路轉(zhuǎn)角塔周圍作業(yè)人員電場仿真

賀霞，朱永燦，張敏，孔敏儒

(1. 西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048；2.陜西榆林能源集團(tuán)橫山煤電有限公司，陜西 榆林 719199)

隨著我國電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力運(yùn)輸成為其中一個重要環(huán)節(jié)。架空線路施工維護(hù)方便、造價低，在高壓輸電線路中被廣泛采用，輸電桿塔是其核心部件之一。目前，在中國西北地區(qū)，750 kV及以上電壓等級桿塔類型在高壓輸電線路中廣泛使用，但由于750 kV線路空間場強(qiáng)高，作業(yè)人員的體表場強(qiáng)也相應(yīng)增高。為了確保帶電作業(yè)人員在交流750 kV及以上電壓等級的桿塔上安全作業(yè)，有必要對其作業(yè)人員作業(yè)位置的場強(qiáng)進(jìn)行分析研究，從而制訂有效的安全防護(hù)措施[1-8]。國內(nèi)外已經(jīng)對750 kV及以下電壓等級的交、直流高壓輸電線路帶電作業(yè)的放電特性進(jìn)行了大量研究，分析了作業(yè)人員在同塔雙回、同塔單回高壓輸電線路上進(jìn)行帶電作業(yè)時的空間場強(qiáng)分布，但是并未分析作業(yè)人員在轉(zhuǎn)角塔上工作時人體的場強(qiáng)分布。

文獻(xiàn)[2]分析了在輸電線路上行走時3種不同人體姿勢的電場效應(yīng)問題，但未考慮轉(zhuǎn)角塔的影響。文獻(xiàn)[5]分析了110 kV和220 kV下帶電作業(yè)人員在不同作業(yè)點人體各部位的場強(qiáng)分布。文獻(xiàn)[7]分析了750 kV同塔雙回輸電線路中帶電作業(yè)人員的場強(qiáng)分布，但未分析單回線路以及作業(yè)人員在線路上行走時的場強(qiáng)。文獻(xiàn)[17]以直角塔為例，分析了±500 kV同塔雙回直流輸電線路的電磁場環(huán)境對帶電作業(yè)人員的影響，主要針對作業(yè)人員以不同姿勢工作時，鐵塔周圍和人體表面的場強(qiáng)分布，未對轉(zhuǎn)角塔進(jìn)行分析。

本文以750 kV輸電線路作為研究對象，利用有限元法計算帶電作業(yè)人員在750 kV雙回輸電線路轉(zhuǎn)角塔、單回輸電線路轉(zhuǎn)角塔以及在六分裂導(dǎo)線上行走時的電場強(qiáng)度；計算結(jié)果可作為制訂帶電作業(yè)人員在750 kV輸電線路上工作時安全防護(hù)措施的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)，具有重要的工程意義。

1 仿真計算理論分析

作業(yè)人員站在轉(zhuǎn)角塔或行走在導(dǎo)線上進(jìn)行帶電作業(yè)時，身體各部位都會產(chǎn)生感應(yīng)電場和感應(yīng)電流，二者的大小不僅取決于作業(yè)人員的作業(yè)位置，還與作業(yè)人員的姿勢及人體各部位的電導(dǎo)率等有關(guān)。本文采用有限元算法(infinite element method，F(xiàn)EM)仿真計算出作業(yè)人員的感應(yīng)電勢，經(jīng)處理后再求得人體感應(yīng)電場強(qiáng)度、感應(yīng)電流密度等。

FEM的基本思想是：由用若干個形狀較為簡單的子區(qū)域(一般稱這些子區(qū)域為“有限元”)代替一個復(fù)雜且連續(xù)介質(zhì)的求解區(qū)域，從而將求解連續(xù)體的場變量問題轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼馊舾蓚€有限元節(jié)點場變量的問題；通過求解若干個有限元的解得到整個連續(xù)區(qū)域的解，即通過將求解描述真實連續(xù)場變量的微分方程組簡化為求解代數(shù)方程組，得到近似的數(shù)值解。FEM求解電動勢分布的關(guān)鍵在于找出節(jié)點上的電動勢值，本文基于麥克斯韋方程，重點分析作業(yè)人員感應(yīng)電場強(qiáng)度。麥克斯韋方程的經(jīng)典推導(dǎo)公式如下[9-11]：

(1)

(2)

B=0.

(3)

×D=ρ.

(4)

D=εE.

(5)

J=σE.

(6)

Ε=φ.

(7)

式中：E為電場強(qiáng)度，V/m；H為磁場強(qiáng)度，A/m；B為磁通量密度，T；J為電流密度，A/m2；D為電通量密度，C/m2；ρ為電荷密度，C/m3；ε為介電常數(shù)；σ為電導(dǎo)率；t為時間；φ為電勢，V。

將式(5)、(6)、(7)帶入式(2)中，可以得到電場控制方程

(σφ)+(ε

(8)

根據(jù)以上基本方程即可解出有限元各節(jié)點的電勢值，進(jìn)而算出連續(xù)體的電場強(qiáng)度等。

2 桿塔模型構(gòu)建

2.1 轉(zhuǎn)角塔模型建立

根據(jù)實際轉(zhuǎn)角塔的模型，按照相應(yīng)尺寸，通過有限元仿真軟件COMSOL進(jìn)行750 kV輸電線路轉(zhuǎn)角鐵塔模型建立[12-15]，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)角塔建模示意圖Fig.1 Schematic diagram of corner tower modeling

圖1(a)為建模尺寸，圖1(b)是通過COMSOL仿真軟件，采用拉伸平面圖形7 000 mm得到的轉(zhuǎn)角塔模型。由于輸電線路為750 kV等級，電暈放電和電抗隨電壓升高很快，所以輸電線路采用六分裂導(dǎo)線。為了減少計算復(fù)雜度，本文未考慮大地和750 kV相間以及復(fù)合絕緣子串對計算結(jié)果的影響。

2.2 作業(yè)人員模型建立

為了分析帶電作業(yè)人員在750 kV雙回輸電線路轉(zhuǎn)角塔、單回輸電線路轉(zhuǎn)角塔以及六分裂導(dǎo)線上行走時的體表場強(qiáng)，選取以水和固體材料屬性賦予作業(yè)人員特性的人體作為模型，平均身高175 cm，各部分參數(shù)見表1[16-17]，人體仿真模型如圖2所示。

表1 作業(yè)人員模型尺寸Tab.1 Operator model size

圖2 作業(yè)人員仿真模型Fig.2 Operator simulation model

3 作業(yè)人員在不同工作位置的電場強(qiáng)度分析

為了分析帶電作業(yè)人員在750 kV雙回輸電線路轉(zhuǎn)角塔、單回輸電線路轉(zhuǎn)角塔不同作業(yè)點處的場強(qiáng)分布，本文選取9個典型位置作為作業(yè)點位置，分析作業(yè)人員頭部、軀體以及下半身的體表電場強(qiáng)度。典型帶電作業(yè)位置如圖3所示。

各典型作業(yè)位置說明如下：位置1，轉(zhuǎn)角塔右下側(cè)；位置2，轉(zhuǎn)角塔左下側(cè)；位置3，轉(zhuǎn)角塔塔臂右側(cè)中間；位置4，轉(zhuǎn)角塔塔臂左側(cè)中間；位置5，轉(zhuǎn)角塔塔臂左側(cè)；位置6，轉(zhuǎn)角塔塔頭右側(cè)；位置7，轉(zhuǎn)角塔塔頭中間；位置8，轉(zhuǎn)角塔塔頭左側(cè)；位置9，轉(zhuǎn)角塔塔臂左側(cè)。

圖3 帶電作業(yè)人員典型作業(yè)位置Fig.3 Typical working positions of live operators

3.1 單回路輸電線路轉(zhuǎn)角塔作業(yè)人員體表電場強(qiáng)度分析

根據(jù)模型參數(shù)，利用有限元軟件對帶電作業(yè)人員在同作業(yè)點位置工作時人體場強(qiáng)進(jìn)行計算，作業(yè)人員在不同位置身體各部位的場強(qiáng)分布如圖4所示。

由仿真實驗結(jié)果可知：工作人員在位置1和位置2作業(yè)時，人體各部位體表場強(qiáng)均在20 kV/m以內(nèi)，說明工作人員在位置1和位置2工作時是安全的，可以不采取安全防護(hù)措施；在位置3、位置6、位置7、位置8和位置9時，人體體表場強(qiáng)強(qiáng)度為20～240 kV/m，說明工作人員在這幾個位置工作時是不安全的，必須采取安全防護(hù)措施。工作人員在位置4和位置5工作時，人體體表場強(qiáng)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于240 kV/m，說明工作人員在位置4和位置5工作時非常不安全，建議加強(qiáng)作業(yè)人員保護(hù)措施或停電時再進(jìn)行作業(yè)。

實驗數(shù)據(jù)說明：作業(yè)人員越靠近高壓端，其頭部、軀體、下半身的體表場強(qiáng)都呈增大趨勢；處于同一位置時，作業(yè)人員的頭部體表場強(qiáng)受影響最嚴(yán)重，其次依次為軀體和下半身；因此在防護(hù)時，應(yīng)首先保護(hù)作業(yè)人員頭部的安全。

3.2 雙回路輸電線路轉(zhuǎn)角塔作業(yè)人員體表電場強(qiáng)度分析

在單回路的基礎(chǔ)上增加右側(cè)的避雷線和輸電線路即可得到雙回輸電線路轉(zhuǎn)角塔的模型(圖5所示)，但是，雙回路鐵塔多了一側(cè)的回路，在高壓情況下，電場會明顯發(fā)生改變，尤其當(dāng)作業(yè)人員在上面進(jìn)行檢修維護(hù)工作時，電場變化會導(dǎo)致新的問題。作業(yè)人員模型如第2.2節(jié)中一致，建立9個位置作業(yè)點，作業(yè)人員在不同位置作業(yè)時身體各部位的場強(qiáng)分布如圖6所示。

圖4 單回輸電線路不同位置作業(yè)人員體表場強(qiáng)分布Fig.4 Field distribution of body surface at different positions of single-circuit transmission line

圖5 雙回路輸電線路轉(zhuǎn)角鐵塔模型Fig.5 Corner tower model of double-circuit transmission line on the same tower

在750 kV的雙回路轉(zhuǎn)角鐵塔上，作業(yè)人員在位置1和位置2工作時，人體體表場強(qiáng)強(qiáng)度為0～20 kV/m，說明工作人員在這2個位置工作時是安全的，不需要采取安全防護(hù)措。在位置3、位置7和位置9工作時，人體體表場強(qiáng)強(qiáng)度為20～240 kV/m，說明在這3個位置工作時是不安全的，必須采取安全防護(hù)措施，避免塔上作業(yè)人員受工頻電場的有害影響。在位置4、位置5、位置6和位置8工作時，人體體表最大場強(qiáng)強(qiáng)度明顯大于240 kV/m，說明工作人員在這幾個位置工作時是非常不安全的，建議在停電時作業(yè)。并且雙回路轉(zhuǎn)角塔周圍的電場強(qiáng)度較單回路轉(zhuǎn)角塔有明顯提升，說明雙回路轉(zhuǎn)角塔周圍的電場強(qiáng)度比單回路轉(zhuǎn)角塔更大，安全系數(shù)更低。

圖6 雙回輸電線路不同位置人的體表場強(qiáng)分布Fig.6 Field distribution of body surface at different positions of double-circuit transmission line

3.3 作業(yè)人員在六分裂導(dǎo)線上行走時電場分布

為了提高輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性，作業(yè)人員需在帶電的導(dǎo)線上行走進(jìn)行線路檢修，因而受到周圍場強(qiáng)的嚴(yán)重威脅。本文主要研究作業(yè)人員在750 kV高壓鐵塔的六分裂導(dǎo)線上行走時，身體各個部位體表場強(qiáng)情況[19-20]，作業(yè)人員在六分裂導(dǎo)線上行走時的模型如圖7所示，通過有限元軟件計算的仿真實驗結(jié)果如圖8所示。

圖7 六分裂導(dǎo)線上作業(yè)人員示意圖Fig.7 Schematic diagram of live operators on the six split conductors

圖8 作業(yè)人員在導(dǎo)線上行走時的場強(qiáng)分布Fig.8 Field strength distribution of live operators walking on the wire

由圖8可以得出，作業(yè)人員身體越靠近高壓導(dǎo)線處，體表場強(qiáng)越大。當(dāng)人體手部高舉和腳部接近導(dǎo)線時，尖端部位局部場強(qiáng)達(dá)到約700 kV/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體安全最大場強(qiáng)240 kV/m，嚴(yán)重威脅人體安全，此時必須進(jìn)行安全防護(hù)措施。

4 結(jié)論

本文通過有限元仿真軟件COMSOL對帶電作業(yè)人員在750 kV單回輸電線路轉(zhuǎn)角塔、雙回輸電線路轉(zhuǎn)角塔及六分裂導(dǎo)線中行走時體表各部位電場強(qiáng)度進(jìn)行仿真計算，根據(jù)作業(yè)人員在各典型位置帶電作業(yè)時體表場強(qiáng)分布情況得出以下結(jié)論：

a)作業(yè)人員離高壓導(dǎo)線側(cè)越近處工作時，身體各部位受到的場強(qiáng)越強(qiáng)。在同一位置工作時，頭部受場強(qiáng)影響最為嚴(yán)重，因此，作業(yè)人員作業(yè)時應(yīng)首先防護(hù)頭部。

b)作業(yè)人員在單回輸電線路轉(zhuǎn)角塔帶電作業(yè)時，靠近高壓側(cè)塔臂左端和其中間位置工作時，受到的場強(qiáng)影響最為嚴(yán)重，因此，在該位置附近工作時，作業(yè)人員需加強(qiáng)保護(hù)措施或停電時再作業(yè)。作業(yè)人員在雙回輸電線路轉(zhuǎn)角塔帶電作業(yè)時，身體各部位受電場強(qiáng)度的影響較單回路轉(zhuǎn)角塔有明顯提升，安全性更低。作業(yè)人員在塔臂及塔頭附近作業(yè)時均會受到電場的嚴(yán)重威脅，需加強(qiáng)防護(hù)措施。

c)作業(yè)人員在六分裂導(dǎo)線上行走時，靠近高壓導(dǎo)線處會受到較嚴(yán)重的場強(qiáng)影響。

d)作業(yè)人員在高壓輸電線路下工作時，人體各部位會受到不同程度電場強(qiáng)度的影響，不同的工作位置人體感應(yīng)的電場強(qiáng)度不同，所以作業(yè)人員在高壓輸電線路下工作時要根據(jù)具體的工作位置采取有效的防護(hù)措施。