裝設輔助設備輸電線路軟梯法進等電位電場仿真計算與分析

潘 靜 李小春 陳天柱

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裝設輔助設備輸電線路軟梯法進等電位電場仿真計算與分析

潘 靜1李小春2陳天柱2

（1. 國網安徽省電力公司，合肥 230061；2. 武漢大學，武漢 430072）

隨著近年來輸電骨干網架裝設輔助設備的線路數量逐步增多，常規帶電作業方法在裝設有輔助設備線路上的安全性、適用性方面的研究還比較少。為此，本文提出一套關于裝設輔助設備線路軟梯法進等電位方法，并對作業區域內設備進行建模，利用諧響應分析及有限元分析理論對進入電場前后的空間電位、電場分布等參數進行了仿真計算。結果表明，方案中提到的等電位電工從鐵塔主材上通過絕緣軟梯從導線正下方，距離下方分裂導線0.6m時進行電位轉移的進等電位方法滿足帶電作業安全要求。

輔助設備；輸電線路；帶電作業；諧響應分析；有限元分析；ANSYS

隨著我國經濟的發展，對電網供電質量要求越來越高。為了降低跳閘率，提高供電穩定性，近年來輸電骨干網架線路安裝線路避雷器等輔助設備的數量逐步增多[1]，運維工作中涉及安裝有輔助設備的線路桿塔的情況也越來越頻繁。由于部分輔助設備（如線路避雷器等）安裝位置靠近帶電體且體積較大，增加線路運維檢修工作的難度，進行相關桿塔的帶電作業中進出等電位空間更小，受限條件更多，所以關于裝設輔助設備線路運維工作的研究已逐漸成為電力相關單位關注的重點。

為充分保證輸電線路主網絡的可靠運行，降低停電帶來的安全風險及損失，國網公司要求在對500kV輸電骨干網架線路缺陷檢修時嚴格執行“能帶不停”；帶電檢修作業在線路運維工作中占據的比重將越來越大。

近年來，關于輸電線路帶電作業的相關研究較多，但關于裝設輔助設備線路帶電作業的研究國內外還涉及較少。本文在充分調研現有帶電作業項目作業指導書及相關安全規程的基礎上，選取了安裝有線路避雷器的某500kV線路桿塔為例，建模分析了等電位電工采用軟梯法進出電場時的電位分布及場強變化，研究了在裝設有線路避雷器的500kV線路軟梯法進、出電場時的安全性和可行性，提出了一套完整的裝設輔助設備線路軟梯法進等電位方法。

1 作業方案

關于裝設輔助設備線路軟梯法進等電位方法，以安裝有線路避雷器的某500kV輸電線路桿塔為例，本文提出作業方案如下。首先，在作業位置上方橫擔處掛設絕緣軟梯；然后等電位電工沿桿塔主材爬至作業側帶電導線下方水平約6m高度位置，再登沿絕緣軟梯向上爬行，同時地面電工控制絕緣軟梯牽引繩索使絕緣軟梯平穩、緩慢靠近帶電體，當等電位電工頭部距離最下方分裂導線0.6m時停止移動；待軟梯位置穩定后，等電位電工迅速抓住帶電體進入等電位[2]，作業方案如圖1所示。

圖1 軟梯法進等電位方案示意圖

為了保證作業方案的安全性、可行性，其中等電位電工進入等電位過程中場強分布的改變是否對等電位電工帶來安全風險需要通過模擬仿真計算分析驗證。

2 計算方法

本文運用SolidWorks三維機械CAD軟件對某500kV線路桿塔、絕緣子串、導線、避雷器及連接金具等進行等比例三維建模，再通過ANSYS軟件對該區域內電場分布進行仿真計算。

為充分貼合交流線路實際情況，本文采用諧響應分析法分實部、虛部加載電壓，并通過有限元法計算，最后通過合成得到所需的電位、電場參數[3-4]。

2.1 諧響應分析法

避雷針保護靜止的構筑物時采用的滾球半徑計算方諧響應分析法是一種用于確定線性結構在承受隨時間按正弦規律變化的載荷時穩態響應分析方法。由于500kV輸電線路產生的工頻電場符合準靜態場模型[5]，所以可將線路電壓分為實部、虛部兩部分進行諧響應分析計算，故用復數形式描述線路中A、B、C三相相電壓可表示為

建模場景中500kV等電位體包括導線及與導線接觸的連接金具等均可按照式（2）的表示根據相應相序加載電位；桿塔為地電位，故桿塔塔材、橫擔及與其連接的相關金具可加載零電位；場景中所有模型被空氣包圍，故外層空氣及地表加載零電位。

經上述分析可知，空間內任意一點的電位均可以被分解為實部和虛部兩部分，即

將上述描述的空間某點電位作為激勵條件，分實部和虛部兩次加載，然后計算出總場強。場域內某點的場強各個分量也可以用復數的形式表示為

2.2 有限元分析法

本文關注的作業區域的靜電場是一種穩態電磁場，用麥克斯韋方程組描述靜電場表達式為

由于泊松方程描述靜電場，表達式為

根據靜電場最小作用原理，當一個固定帶電系統處于介質中，其表面電荷分布表現為其合成電場具有最小靜電能量。又因為三維靜電場有限元分析和二維靜電場有限元分析類似[8]，所以以下通過二維靜電場進行分析和求解與靜電場微分方程的泛函極值問題。

第一類邊界，能量表達式為

等價于下列泛函極值問題，即

第二、三類邊界的等價泛函極值問題可表示為

模型中的所有單元能量之和可通過二次泛函表達式描述為

單元能量積分表達式為

又有

可得

其中：

可得

將所有子區域的方程聯立合并，則有

將泛函問題被離散化為多元二次函數極值問題：

函數極值理論可知

即

3 模型構建

本文選取的研究對象桿塔型號為為SZT-40，四分裂導線型號為LGJ-630/55，長棒瓷絕緣子型號為LP75/18+17/1435×3，避雷器型號為YH20CX- 396/1050，連接用復合絕緣子型號為FXBW4。上述研究對象建模對象尺度相差較大，為降低后期剖分單元量，提高計算效率，在不影響分析結果的基礎上，本文在建模過程中作如下簡化：

1）由于桿塔體積較大，本文研究的帶電作業工作僅在桿塔一側進行，塔材距帶電體較遠，對作業區域電位、電場仿真影響很小，故僅建立作業側部分桿塔模型，且簡化了桿塔主材中的斜材。

2）桿塔附近的電場分布計算屬于開域問題求解，而有限元法求解需把求解區域限定到一定范圍內。考慮到當截斷邊界離所關心的區域足夠遠時，其產生的截斷誤差已足夠小，計算精度可滿足要求，故本文在建模中設定了一個遠離工作區域電場中心的假想人工邊界[9]。

3）在滿足工程計算要求的前提下，簡化了緣子均壓環、連接金具，忽略了尺寸較小的線夾、防震錘等金具影響。

4）相對導線實際長度，本文討論的作業區域內導線長度很短，故在建模中將導線設置為4根平行與地面，長15m的直圓柱導體；且考慮到其他相導線距離較遠，所以忽略其影響[10]。

5）避雷線位于橫擔上方，考慮到一般情況下避雷線為地電位，且由于橫擔的屏蔽作用，在不影響實際工況的前提下，本文忽略了其對作業區域的電場影響。

6）因為作業中用到的絕緣軟梯和牽引控制繩的介電常數與空氣相近，對電場分布影響較小，故未對其進行建模。

簡化后的桿塔及金具模型如圖2所示。

圖2 簡化后的桿塔及金具模型

4 仿真分析

為研究等電位電工進入電場前后，工作區域內空間電場分布變化情況，本文對人體進入電場空間前后分別進行了仿真計算。

4.1 進入電場前電位、電場分布狀態分析

通過第2節描述的計算方法加載第3節提到設備模型得到了人體進入電場前作業區域電位及電場分布云圖，分別如圖3、圖4所示。在本文以下出現的云圖中，電壓單位為kV，場強單位為kV/m。

圖3 進電場前作業區域電位分布云圖

圖3中絕緣子下部顏色越深代表該處電位越高，上部顏色越深代表電位越低，中部淺色部分電位處于中間位置。可以看到，圖中長棒瓷絕緣子串上部靠近橫擔的區域逐漸變深，與橫擔側連接金具及長棒瓷絕緣子串低壓側均壓環部分為電壓為0；長棒瓷絕緣子串下部靠近導線區域逐漸變深，與導線直接接觸的聯板、高壓側均壓環電壓相同均為線路電壓；長棒瓷絕緣子串中部從上至下電位逐步升高。輸電線路絕緣子串電壓為非線性分布，低壓側及高壓側數片絕緣子承受的電壓較高，中部的絕緣子承受的電壓較低，絕緣子串整體的電壓分布曲線呈馬鞍形。可以看出，圖3中長棒瓷絕緣子串靠近高低壓側均壓環區域顏色變化較快，中間部分顏色變化較慢。

圖4 進電場前作業區域電場分布云圖

進電場前作業區域電場分布云圖如圖4所示，由于長棒瓷絕緣子串均壓環均壓效果其表面電場強度較大，除此之外，提線聯板、避雷器連接桿及導線表面場強較高，圖中最大場強為1529kV/m；而從空間電場的分布來看，避雷器連接桿下方空間電場強度分布均勻，變化平緩，符合帶電作業中進入等電位通道的選擇條件。避雷器遠離帶電部分，對作業區域影響較小，為簡化計算，在電場仿真中將其視為等勢體。

4.2 進入電場后電位、電場分布狀態分析

本文選擇當等電位電工即將進行電位轉移時的狀態進行人體進入電場后作業區域電位、電場分布的分析，并設定此時等電位電工位于導線下方，頭部距離最下方分裂導線0.6m。進電場后作業區域電位、電場分布云圖如圖5所示。

在帶電作業過程中，等電位電工身穿全套高壓屏蔽服，在其沿軟梯向上爬行且未進行電位轉移前，人體可模擬為懸浮于空間中的等電位體[12]，電位為289kV。對比圖5可以看出，人體接近作業區域后，空間電場分布發生了明顯改變，局部場強峰值見 表1。

人體中最靠近帶電體的頭部及突出于身體的手、腳部附近，尖端效應導致電場畸變最為明顯，電場強度明顯上升，從表1中可以看到，電場最大值出現在屏蔽服帽子上端為1328kV/m。

（a）電位分布

（b）電場分布

圖5 進電場后作業區域電位、電場分布云圖

表1 屏蔽服表面局部場強峰值

根據《GB/T 6568—2008 帶電作業用屏蔽服裝》屏蔽服屏蔽效率不得低于40dB標準，屏蔽效率為40dB即屏蔽服衣內人體表面的電場強度為衣外電場強度的1/100[13]，故仿真中出現電場最大值的頭部，衣內場強為13.28kV/m，滿足衣內體表場強不大于15kV/m的要求。這說明按照本文第1節設計的作業方案中裝設輔助設備線路軟梯法進等電位方法滿足安全要求。

5 結論

本文設計了一種裝設輔助設備線路軟梯法進等電位的作業方法，并通過建模仿真計算了等電位電工進入電場過程中作業區域場強分布變化，分析得出結論：在等電位電工沿軟梯向帶電體靠近過程中，應選擇從方向電場梯度較小的導線正下方接近帶電體；在頭部距最下方分裂導線約0.6m處進行電位轉移，此時全身式屏蔽服表面場強最大處出現在頭部為1328kV/m，衣內體表最大場強為13.28kV/m滿足不得高于15kV/m的安全標準。

上述結論表明，本文提出的一種裝設輔助設備線路軟梯法進等電位的作業方法從理論上滿足帶電作業安全標準。這說明在嚴格按照操作規程、穿戴全套高壓屏蔽服的基礎上，在裝設有如線路避雷器的輔助設備輸電線路上利用本文提出的軟梯法進行等電位的操作是安全可行的。

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Simulation and Analysis about Installation of Auxiliary Equipment Transmission Line by Ladder Method into the Equipotential Field

Pan Jing1Li Xiaochun2Chen Tianzhu2

(1. State Grid Anhui Electric Company, Hefei 230061; 2. Wuhan University, Wuhan 430072)

With the gradual increase in the number of installation of auxiliary equipment transmission line with backbone transmission network in recent years, the research of safety and applicability about conventional method for live working on the installation is still relatively small. Therefore, this paper proposed a method about installation of auxiliary equipment line by ladder into potentiometric, modeled the equipments in the operating area and simulated the parameters of space potential and electric-field distribution by utilizes harmonic response analysis and finite element analysis theory before and after into the electric field. The result showed that the method has mentioned in the plan can meets safety requirement when equal potential operator performed the shift of potential through insulating ladder from main materiel of the tower where directly below the wire and 0.6 meters to the lower bundle conductor.

auxiliary equipment; electric transmission line; live working; harmonic response analysis; finite element analysis; ANSYS

潘 靜（1969-），女，本科，國網安徽省電力公司，主要從事輸電線路狀態評價及運維相關工作。

國家電網公司總部科技項目資助項目（SGSX0000YJJS [2014] 457）