±500 kV直流輸電系統(tǒng)接地極線路帶電作業(yè)安全防護(hù)研究

尹 洪,閆旭東，程 繩，杜 勇，胡志鵬

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

直流接地極是直流輸電工程中的重要設(shè)施，在單極大地返回運(yùn)行方式和雙極運(yùn)行方式中分別擔(dān)任著引入電流和不平衡電流的重任，在正常雙極運(yùn)行時(shí)還起著牽制換流閥中性點(diǎn)電位的作用，保護(hù)換流閥的安全。帶電作業(yè)是在線路設(shè)備不停電的條件下對(duì)其進(jìn)行檢修作業(yè)，這對(duì)保障接地極線路的正常運(yùn)行，提高直流輸電系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

近幾年，國(guó)內(nèi)針對(duì)直流線路及換流站帶電作業(yè)技術(shù)已開展了相關(guān)研究及應(yīng)用。胡毅、胡建勛等在對(duì)±500 kV交直流線路帶電作業(yè)人員在典型作業(yè)位置的體表場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行了測(cè)量，研究了人員電場(chǎng)防護(hù)措施[1]。丁玉劍、孫輝等開展了±400 kV青藏聯(lián)網(wǎng)直流輸電線路帶電作業(yè)安全距離研究[2]。孟遂民、徐文洋等針對(duì)±500 kV直流線路帶電作業(yè)存在作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等問題,采用模糊層次分析法評(píng)價(jià)了帶電作業(yè)的安全性[3]。但是在±500 kV直流輸電系統(tǒng)接地極線路帶電作業(yè)安全防護(hù)技術(shù)上尚未見到相關(guān)研究報(bào)道。因此筆者通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究，提出了±500 kV直流輸電系統(tǒng)接地極線路帶電作業(yè)的安全防護(hù)措施，為接地極線路帶電作業(yè)提供了安全保障。

1 電場(chǎng)及高溫導(dǎo)線的影響

1.1 電場(chǎng)防護(hù)

±500 kV直流輸電系統(tǒng)接地極線路上的對(duì)地運(yùn)行電壓可用式（1）計(jì)算，最大值為5 kV，此時(shí)的運(yùn)行方式為單極大地運(yùn)行。若系統(tǒng)處于雙極運(yùn)行時(shí)，接地極線路電壓約為300 V左右，而處于單極金屬回路運(yùn)行時(shí)，接地極上無(wú)電壓。因此電場(chǎng)防護(hù)僅考慮在單極大地運(yùn)行方式[4-5]。

式中：Up為接地極線路點(diǎn)p處的電壓（V）；IN為系統(tǒng)額定直流電流（A）；Re為接地極對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處的接地電阻（Ω）；R0為接地極線路單位長(zhǎng)度線路的電阻（Ω/km）；Lp為點(diǎn)p離開接地極的距離（km）。

為分析接地極架空線路空間電場(chǎng)強(qiáng)度水平，進(jìn)行了計(jì)算研究。計(jì)算采用工頻電場(chǎng)的三維有限元計(jì)算方法，計(jì)算模型同時(shí)考慮鐵塔、線路的不同運(yùn)行方式等對(duì)電場(chǎng)分布的影響；忽略絕緣子串對(duì)電場(chǎng)分布的影響，鐵塔表面視作導(dǎo)體平面，大地視為無(wú)限大導(dǎo)體平面。

通過仿真計(jì)算，等電位作業(yè)人員在接地極線路不同作業(yè)位置時(shí)的體表電場(chǎng)強(qiáng)度如表1所示。

表1 人體體表電場(chǎng)強(qiáng)度（單位：kV/m）Tab.1 Electric field intensity of human body surface(unit:kV/m)

GB/T 6568《帶電作業(yè)用屏蔽服裝》規(guī)定，帶電作業(yè)時(shí)人體裸露部分的體表場(chǎng)強(qiáng)不應(yīng)大于240 kV/m。作業(yè)人員人體體表場(chǎng)強(qiáng)最大值出現(xiàn)在換流站出口處進(jìn)行等電位作業(yè)時(shí)的人體手部，此時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于240 kV/m的限制。因此,在接地極線路上開展帶電作業(yè)時(shí)，線路上的電場(chǎng)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害[6-7]。

1.2 高溫導(dǎo)線的影響

接地極架空線路在單極大地運(yùn)行方式下需要承載整個(gè)±500 kV直流輸電系統(tǒng)的數(shù)千安培的額定負(fù)荷電流。因此接地極線路采用2×2JNRLH60/G1A-500/45鋼芯耐熱鋁合金絞線，保證導(dǎo)線在大電流高溫條件下仍能正常運(yùn)行。

表2 導(dǎo)線基本性能Tab.2 Basic performance of conductor

±500 kV直流輸電線路額定電流為5 kA，當(dāng)系統(tǒng)處于單極大地運(yùn)行時(shí)，流過單根子導(dǎo)線的電流為1.25 kA，因此導(dǎo)線的最大運(yùn)行溫度接近120℃。而人體皮膚接觸70℃的溫度持續(xù)1 min，皮膚可能會(huì)被燙傷。因此,在單極大地運(yùn)行時(shí)，帶電作業(yè)人員須避免直接接觸高溫導(dǎo)線，應(yīng)使用隔熱用具或穿戴隔熱防護(hù)用具后方可開展直接作業(yè)[8]。

2 安全防護(hù)措施

2.1 隔熱防護(hù)服裝

雖然接地極線路帶電作業(yè)時(shí)，人員無(wú)須對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行防護(hù)，但仍需穿戴屏蔽服裝旁路電流[9]。當(dāng)導(dǎo)線溫度較高，作業(yè)人員穿戴的屏蔽服不僅需要滿足常規(guī)屏蔽服的要求，還應(yīng)滿足一定的隔熱防護(hù)要求，以避免作業(yè)人員在作業(yè)過程中受到高溫影響。取屏蔽服衣料進(jìn)行耐高溫試驗(yàn)，分別進(jìn)行160℃、200℃、240℃條件下的耐高溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～3所示。

圖1 160℃高溫處理衣料與常溫對(duì)比Fig.1 Comparison of room temperature and 160℃

圖2 200℃高溫處理衣料與常溫對(duì)比Fig.2 Comparison of room temperature and 200℃

圖3 240℃高溫處理衣料與常溫對(duì)比Fig.3 Comparison of room temperature and 240℃

上述試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，現(xiàn)有屏蔽服的最外層衣料在160℃下經(jīng)過30 min熱老化試驗(yàn)，和未經(jīng)過高溫處理的衣料相比，結(jié)構(gòu)及外觀無(wú)變化，能保持較好的完整性；在200℃下經(jīng)過短時(shí)30 min熱老化試驗(yàn)，外表和未經(jīng)加工的衣料相比有較明顯的泛黃和碳化跡象；在240℃下經(jīng)過30 min熱老化試驗(yàn)，外表和未經(jīng)加工的衣料相比有極其明顯的泛黃和炭化跡象，發(fā)生明顯的損壞。

由于常規(guī)屏蔽服不具有隔熱性能，因此，對(duì)于160℃高溫導(dǎo)線帶電作業(yè)，需要在現(xiàn)有屏蔽服基礎(chǔ)上增加隔熱性能。

如圖4所示，屏蔽服衣料采用屏蔽層、隔熱氈、蠶絲層三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。外層屏蔽層主要起到電場(chǎng)和電流防護(hù)作用，中間層隔熱氈為隔熱作用，內(nèi)層蠶絲層增加衣服的穿著舒適性。

圖4 160℃耐熱屏蔽服衣料Fig.4 Materials for heat resistant shielding clothing at 160℃

屏蔽服衣料在160℃條件下隔熱性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 160℃隔熱試驗(yàn)曲線Fig.5 Heat insulation test curve of 160℃

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隔熱屏蔽服160℃高溫下上升至45℃需要15 min，因此隔熱屏蔽服裝可以滿足短時(shí)接觸作業(yè)的需求。

2.2 耐高溫工具

由于帶電作業(yè)常用的絕緣工器具為樹脂基復(fù)合材料，其在高溫條件下容易老化，因此還需考慮高溫導(dǎo)線對(duì)帶電作業(yè)絕緣工具的影響。器具與高溫導(dǎo)線接觸后，絕緣工器具與高溫導(dǎo)線的接觸點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生熱老化，接觸點(diǎn)附近5 cm以內(nèi)的區(qū)域會(huì)受到溫度升高的影響。工器具局部溫度升高，對(duì)其整體電氣性能的影響可以忽略，主要對(duì)其機(jī)械性能影響較大。為了準(zhǔn)確了解高溫對(duì)工器具性能的影響，采用高溫試驗(yàn)箱及萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了30 min高溫老化后的機(jī)械性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)用絕緣管為直徑30 mm，長(zhǎng)度150 mm的玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧管，絕緣繩為直徑16 mm的蠶絲絕緣繩。

表3 絕緣工具在高溫條件下的機(jī)械性能Tab.3 Mechanical properties of insulating tools under high temperature

從表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，絕緣管的機(jī)械強(qiáng)度在120℃時(shí)比常溫下降60%，160℃時(shí)比常溫下降95%。絕緣繩在120℃時(shí)比常溫下降37%，160℃時(shí)其強(qiáng)度比常溫時(shí)下降50%左右。圖6為160℃老化前后絕緣工具的對(duì)比圖，絕緣工具的外觀形態(tài)未發(fā)生明顯變化，但是其機(jī)械強(qiáng)度嚴(yán)重降低，不能達(dá)到使用要求。因此在單極大地運(yùn)行方式下開展帶電作業(yè)，普通絕緣工具應(yīng)避免直接接觸導(dǎo)線，或者采用耐高溫絕緣工具進(jìn)行操作。

圖 6 160℃老化前后絕緣工具Fig.6 Insulation tools before and after aging at 160℃

為了滿足導(dǎo)線在高溫運(yùn)行時(shí)開展帶電作業(yè)的需求，需要研制耐高溫的帶電作業(yè)工器具。耐高溫性能是指工器具在高溫的條件下仍能保持物理、機(jī)械等性能。

帶電作業(yè)硬質(zhì)絕緣工器具是采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂的復(fù)合材料制成。玻璃纖維具有良好的耐高溫性能，因此，提高硬質(zhì)絕緣工器具的耐高溫性能，主要是增加樹脂的耐高溫性能。其常見的樹脂主要是不飽和聚酯、酚醛、環(huán)氧、聚氨酯等，其中環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂具有較高的絕緣性能，并且通過一定的改性，可以有效提高其耐高溫性能。但酚醛樹脂的強(qiáng)度要低于環(huán)氧樹脂，一般用于對(duì)機(jī)械強(qiáng)度要求不高的場(chǎng)合，帶電作業(yè)絕緣工具不僅需要有較好的電氣性能，還需要有較高的機(jī)械性能。綜合以上考慮，選擇改性的耐高溫環(huán)氧樹脂制作耐高溫硬質(zhì)絕緣工具。

帶電作業(yè)軟質(zhì)絕緣工器具是采用天然或合成纖維制成。阻燃纖維均具有良好的耐高溫性能，在消防、鋼鐵等行業(yè)多用于制成阻燃隔熱紡織品。如阻燃滌綸、阻燃腈綸、維綸和耐高溫的芳綸、酚醛纖維等。其中絕緣性能較高的主要由芳綸和酚醛纖維。從機(jī)械強(qiáng)度考慮，選擇芳綸纖維用于制作耐高溫軟質(zhì)絕緣工具。

按照160℃高溫?zé)崂匣?00 h后，在常溫下的破壞強(qiáng)度不低于熱老化前80%，選擇了合適的絕緣材料，研制了耐高溫硬質(zhì)及軟質(zhì)絕緣工器具。耐高溫硬質(zhì)絕緣工器具采用耐高溫環(huán)氧樹脂樹脂和無(wú)堿玻璃纖維制成；耐高溫絕緣繩索采用耐高溫絕緣芳綸纖維制成。對(duì)耐高溫絕緣工具高溫條件下的機(jī)械性能進(jìn)行了測(cè)試，耐高溫絕緣工具的尺寸與表3中測(cè)試的常規(guī)絕緣工具一致，老化時(shí)間100 h，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 耐高溫絕緣工具在高溫條件下的機(jī)械性能Tab.4 Mechanical properties of heat resistant insulating tools under high temperature

可以看到，耐高溫絕緣管160℃老化條件下的軸向破壞強(qiáng)度為常溫下軸向破壞強(qiáng)度的80.4%，耐高溫絕緣繩索160℃老化條件下的斷裂強(qiáng)度為常溫下斷裂強(qiáng)度的81.9%，均符合預(yù)期要求，耐熱性相比常規(guī)絕緣工具有較大改善，能滿足作業(yè)要求。

3 結(jié)論

（1）接地極線路帶電作業(yè)時(shí)的人體體表電場(chǎng)強(qiáng)度小于240 kV/m，作業(yè)人員無(wú)需對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行防護(hù)。

（2）當(dāng)接地極線路處于單極大地運(yùn)行方式時(shí)，導(dǎo)線最大溫度可達(dá)120℃。作業(yè)人員和絕緣工具應(yīng)避免直接接觸高溫導(dǎo)線，并采用相應(yīng)的隔熱措施。

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