±800 k V輸電線路帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電流計(jì)算模型優(yōu)化

李金亮，楊淼，隆晨海，任卉嵩，雷冬云，曾益

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙，410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長(zhǎng)沙，410004；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司長(zhǎng)沙供電公司，湖南長(zhǎng)沙，410015；4.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司邵陽供電公司，湖南邵陽，422000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,建設(shè)特高壓輸電線路成為我國(guó)能源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的必然要求。因特高壓直流輸電線路輸送容量大、運(yùn)行可靠性要求高,特高壓直流輸電線路帶電作業(yè)已成為確保特高壓直流電網(wǎng)長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要技術(shù)手段。為確保特高壓直流輸電線路帶電作業(yè)人員安全,需對(duì)電位轉(zhuǎn)移電流進(jìn)行仿真計(jì)算,以便為等電位作業(yè)人員安全防護(hù)措施提供依據(jù)[1-5]。

以±800 kV直流輸電線路帶電作業(yè)轉(zhuǎn)移電流的計(jì)算為例,等電位作業(yè)人員采用吊籃法進(jìn)入等電位。傳統(tǒng)的計(jì)算電位轉(zhuǎn)移電流的模型為電容模型,主要包含三個(gè)導(dǎo)體之間的電容,等電位作業(yè)人員及吊籃作為一個(gè)導(dǎo)體,進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的極線作為一個(gè)導(dǎo)體,另外一根極線、桿塔、地線和大地作為一個(gè)導(dǎo)體。雖然另外一根極線距離等電位作業(yè)人員較遠(yuǎn),但由于特高壓輸電線路電壓等級(jí)高,其對(duì)電位轉(zhuǎn)移電流的影響也不容忽視。本文將傳統(tǒng)計(jì)算轉(zhuǎn)移電流的電容模型進(jìn)行改進(jìn),考慮另外一根極線的影響,改進(jìn)后的電容模型則主要包含四個(gè)導(dǎo)體之間的電容。通過有限元法對(duì)上述兩種模型情況下的電容進(jìn)行仿真計(jì)算,基于計(jì)算出的電容參數(shù),仿真計(jì)算出上述兩種模型在不同轉(zhuǎn)移距離下的轉(zhuǎn)移電流,并進(jìn)行對(duì)比。改進(jìn)后的電容模型從物理意義上更加準(zhǔn)確,其研究結(jié)果可為輸電線路帶電作業(yè)轉(zhuǎn)移電流的計(jì)算提供參考。

1 轉(zhuǎn)移電流計(jì)算模型

電位轉(zhuǎn)移是指作業(yè)人員通過導(dǎo)電手套或其他專用工具 (如電位轉(zhuǎn)移棒)從中間電位轉(zhuǎn)移到等電位的過程,是帶電作業(yè)進(jìn)出等電位過程中最重要的環(huán)節(jié)。由于特高壓輸電線路電壓等級(jí)高,在電位轉(zhuǎn)移的瞬間,會(huì)有較大的脈沖電流,在此過程中防護(hù)措施不當(dāng)極有可能出現(xiàn)安全事故,因此電位轉(zhuǎn)移過程中的脈沖電流是帶電作業(yè)安全防護(hù)需要考慮的[6-10]。

1.1 傳統(tǒng)的電容模型

采用吊籃法在進(jìn)入±800 kV直流輸電線路等電位的過程中,可采用如圖1所示的傳統(tǒng)電容模型對(duì)作業(yè)人員進(jìn)入等電位過程中的電容暫態(tài)放電電流進(jìn)行計(jì)算,其中,R為接觸電阻；U為導(dǎo)線工作電壓；L為轉(zhuǎn)移棒和屏蔽服的電感；C12為人體與導(dǎo)線之間的電容；C11為人體對(duì)地電容。此時(shí),在計(jì)算電容參數(shù)時(shí),將人體及吊籃定義為導(dǎo)體1,將進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的極線定義為導(dǎo)體2,將鐵塔、地線、大地及另外一根極線定義為導(dǎo)體3。在傳統(tǒng)電容模型中,將另外一根極線與大地定義為一個(gè)導(dǎo)體,由于另外一根極線電壓等級(jí)較高,因此采用傳統(tǒng)電容模型可能會(huì)影響轉(zhuǎn)移電流的計(jì)算精度。

圖1 傳統(tǒng)的電位轉(zhuǎn)移電流計(jì)算模型

1.2 改進(jìn)后的電容模型

為提高采用電容模型計(jì)算轉(zhuǎn)移電流的精度,需考慮另外一根極線對(duì)電位轉(zhuǎn)移電流的影響,并由此建立的電容模型如圖2所示。其中,R為接觸電阻；U1為等電位作業(yè)人員進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的導(dǎo)線工作電壓；U2為另外一根導(dǎo)線的工作電壓；L為轉(zhuǎn)移棒和屏蔽服的電感；C12為人體與所需進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的導(dǎo)線之間的電容；C13為人體與另外一根導(dǎo)線之間的電容；C11為人體對(duì)地電容。此時(shí),在計(jì)算電容參數(shù)時(shí),將人體及吊籃定義為導(dǎo)體1,將進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的極線定義為導(dǎo)體2,將另外一根極線定義為導(dǎo)體3,將鐵塔、地線及大地定義為導(dǎo)體4。

圖2 改進(jìn)后的電位轉(zhuǎn)移電流計(jì)算模型

2 電容參數(shù)計(jì)算

以改進(jìn)后的電容模型為例,多導(dǎo)體靜電系統(tǒng)所儲(chǔ)存的總靜電能量計(jì)算如下:

其中,Cij(i≠j,i,j＝1,2,3) 為導(dǎo)體i與導(dǎo)體j之間的電容；Cii(i＝1,2,3)為導(dǎo)體i的對(duì)地電容；E為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；D為電通密度；ui為第i個(gè)導(dǎo)體對(duì)地電壓；qi為第i個(gè)導(dǎo)體所帶電荷。

具體的部分電容求解過程如下:

1)主對(duì)角線元素Cii:給第i個(gè)導(dǎo)體施加單位電壓,其余n-1個(gè)導(dǎo)體設(shè)零電位,利用有限元法求解三維靜電場(chǎng),再由式 (1)得到空間中的能量Wii,根據(jù)式 (3)可解得Cii(i＝1,2,3)。

2)非對(duì)角線元素Cij:給第i,j導(dǎo)體施加單位電壓,其余n-2個(gè)導(dǎo)體設(shè)零電位,利用有限元法求解三維靜電場(chǎng),再由式 (1)得到空間中的能量Wij,由于Cii已知,再根據(jù)式 (3)可解得Cij(i≠j,i＝1,2, …,n-1,j＝i+1…n)。

采用吊籃法進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況如圖3所示,根據(jù)±800 kV輸電線路帶電作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布置情況建立有限元計(jì)算模型[11-13],計(jì)算出的電位分布如圖4所示,且云圖結(jié)果與實(shí)際相符。

圖3 吊籃法進(jìn)入電場(chǎng)

圖4 吊籃法進(jìn)入電場(chǎng)電位分布

根據(jù)上述公式,采用有限元法可計(jì)算出電容參數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)移距離為0.3 m時(shí),由此計(jì)算出的電容參數(shù)見表1。

表1 電容計(jì)算結(jié)果 pF

從表1的計(jì)算結(jié)果可以看出,由于人體與需進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的極線距離較近,與另外一根極線距離較遠(yuǎn),因此C13較C12小很多,但由于另外一根極線的工作電壓較高,其對(duì)轉(zhuǎn)移電流的影響不容忽視。

3 轉(zhuǎn)移電流仿真計(jì)算

3.1 傳統(tǒng)模型和改進(jìn)模型的轉(zhuǎn)移電流計(jì)算結(jié)果對(duì)比

兩種模型中,接觸電阻為R取300Ω,電感為L(zhǎng)取0.01 mH。采用電磁暫態(tài)仿真軟件,基于圖1和圖2所示的兩種電容模型,對(duì)電位轉(zhuǎn)移瞬間的轉(zhuǎn)移電流進(jìn)行了計(jì)算,當(dāng)轉(zhuǎn)移距離為0.5 m時(shí),以傳統(tǒng)電容模型為例,計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流波形如圖5所示。

圖5 電位轉(zhuǎn)移電流波形

采用傳統(tǒng)的電容模型計(jì)算轉(zhuǎn)移電流,轉(zhuǎn)移距離為0.5 m時(shí),可計(jì)算出等電位過程中電容暫態(tài)放電電流的峰值為292 A。采用改進(jìn)的電容模型計(jì)算轉(zhuǎn)移電流,轉(zhuǎn)移距離為0.5 m時(shí),可計(jì)算出等電位過程中電容暫態(tài)放電電流的峰值為303 A。改進(jìn)后的電容模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流比改進(jìn)前的模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流大11 A。因此,為提高計(jì)算的精度,應(yīng)考慮采用改進(jìn)后的電容模型計(jì)算轉(zhuǎn)移電流。

為校驗(yàn)現(xiàn)有防護(hù)措施是否得當(dāng),采用改進(jìn)的電容模型對(duì)電位轉(zhuǎn)移能量進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)移距離為0.5 m時(shí),等電位作業(yè)人員與導(dǎo)線的電位差為222.4 kV,轉(zhuǎn)移能量為1.0 J；當(dāng)轉(zhuǎn)移距離為0.7 m時(shí),等電位作業(yè)人員與導(dǎo)線的電位差為247.1 kV,轉(zhuǎn)移能量達(dá)到1.16 J。相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明,采用導(dǎo)電手套對(duì)電位轉(zhuǎn)移過程的放電特性進(jìn)行模擬,當(dāng)放電系統(tǒng)能量約為1.37 J時(shí),放電電弧的根部直接作用在導(dǎo)電手套上,將手套燒蝕[14]。所以在實(shí)際作業(yè)中采用電位轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移以確保作業(yè)人員安全,采用改進(jìn)的電容模型進(jìn)行轉(zhuǎn)移能量的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果不影響現(xiàn)有防護(hù)參數(shù)的選擇。

3.2 不同轉(zhuǎn)移距離下的轉(zhuǎn)移電流計(jì)算

為分析兩種電容模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流變化規(guī)律,仿真分析兩種模型情況下不同電位轉(zhuǎn)移距離(0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m)下的轉(zhuǎn)移電流波形,并計(jì)算出最大值,其隨轉(zhuǎn)移距離變化規(guī)律的曲線如圖6所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)移距離下轉(zhuǎn)移電流峰值

由圖6可看出,采用改進(jìn)的電容模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流較傳統(tǒng)的電容模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流大,且兩種模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流峰值隨轉(zhuǎn)移距離的變化規(guī)律一致,即隨著轉(zhuǎn)移距離的增大,轉(zhuǎn)移電流增大。這是由于在進(jìn)入等電位過程中,人與導(dǎo)線之間的電位差逐漸降低,人體與進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的導(dǎo)線距離越遠(yuǎn),人體與需進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的導(dǎo)線之間的電容儲(chǔ)存的能量越大,因此轉(zhuǎn)移電流也就越大[15]。

4 結(jié)語

本文對(duì)計(jì)算轉(zhuǎn)移電流的傳統(tǒng)的電容模型進(jìn)行了改進(jìn),并依據(jù)±800 kV直流輸電線路帶電作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,建立仿真模型,分別對(duì)電容參數(shù)和轉(zhuǎn)移電流波形進(jìn)行仿真計(jì)算,可得到如下結(jié)論:

1)采用改進(jìn)的電容模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流較傳統(tǒng)的電容模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流大,為提高計(jì)算精度,尤其對(duì)于電壓等級(jí)更高的輸電線路,轉(zhuǎn)移電流的仿真計(jì)算應(yīng)考慮采用改進(jìn)的電容模型。從轉(zhuǎn)移能量的計(jì)算結(jié)果來看,采用改進(jìn)后的電容模型進(jìn)行分析不影響現(xiàn)有防護(hù)參數(shù)的選擇。

2)兩種電容模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)移電流峰值隨轉(zhuǎn)移距離的變化規(guī)律一致,即隨著轉(zhuǎn)移距離的增大,轉(zhuǎn)移電流增大。