±800 k V輸電線路帶電作業電位轉移電流計算模型優化

李金亮，楊淼，隆晨海，任卉嵩，雷冬云，曾益

(1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙，410007；2.國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙，410004；3.國網湖南省電力有限公司長沙供電公司，湖南長沙，410015；4.國網湖南省電力有限公司邵陽供電公司，湖南邵陽，422000)

0 引言

隨著經濟快速發展,建設特高壓輸電線路成為我國能源和經濟社會協調發展的必然要求。因特高壓直流輸電線路輸送容量大、運行可靠性要求高,特高壓直流輸電線路帶電作業已成為確保特高壓直流電網長周期安全穩定運行的重要技術手段。為確保特高壓直流輸電線路帶電作業人員安全,需對電位轉移電流進行仿真計算,以便為等電位作業人員安全防護措施提供依據[1-5]。

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

1 轉移電流計算模型

電位轉移是指作業人員通過導電手套或其他專用工具 (如電位轉移棒)從中間電位轉移到等電位的過程,是帶電作業進出等電位過程中最重要的環節。由于特高壓輸電線路電壓等級高,在電位轉移的瞬間,會有較大的脈沖電流,在此過程中防護措施不當極有可能出現安全事故,因此電位轉移過程中的脈沖電流是帶電作業安全防護需要考慮的[6-10]。

1.1 傳統的電容模型

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

圖1 傳統的電位轉移電流計算模型

1.2 改進后的電容模型

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

圖2 改進后的電位轉移電流計算模型

2 電容參數計算

以改進后的電容模型為例,多導體靜電系統所儲存的總靜電能量計算如下:

其中,Cij(i≠j,i,j＝1,2,3) 為導體i與導體j之間的電容；Cii(i＝1,2,3)為導體i的對地電容；E為電場強度矢量；D為電通密度；ui為第i個導體對地電壓；qi為第i個導體所帶電荷。

具體的部分電容求解過程如下:

1)主對角線元素Cii:給第i個導體施加單位電壓,其余n-1個導體設零電位,利用有限元法求解三維靜電場,再由式 (1)得到空間中的能量Wii,根據式 (3)可解得Cii(i＝1,2,3)。

2)非對角線元素Cij:給第i,j導體施加單位電壓,其余n-2個導體設零電位,利用有限元法求解三維靜電場,再由式 (1)得到空間中的能量Wij,由于Cii已知,再根據式 (3)可解得Cij(i≠j,i＝1,2, …,n-1,j＝i+1…n)。

采用吊籃法進行電位轉移的現場作業情況如圖3所示,根據±800 kV輸電線路帶電作業現場布置情況建立有限元計算模型[11-13],計算出的電位分布如圖4所示,且云圖結果與實際相符。

圖3 吊籃法進入電場

圖4 吊籃法進入電場電位分布

根據上述公式,采用有限元法可計算出電容參數。當轉移距離為0.3 m時,由此計算出的電容參數見表1。

表1 電容計算結果 pF

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

3 轉移電流仿真計算

3.1 傳統模型和改進模型的轉移電流計算結果對比

兩種模型中,接觸電阻為R取300Ω,電感為L取0.01 mH。采用電磁暫態仿真軟件,基于圖1和圖2所示的兩種電容模型,對電位轉移瞬間的轉移電流進行了計算,當轉移距離為0.5 m時,以傳統電容模型為例,計算出的轉移電流波形如圖5所示。

圖5 電位轉移電流波形

采用傳統的電容模型計算轉移電流,轉移距離為0.5 m時,可計算出等電位過程中電容暫態放電電流的峰值為292 A。采用改進的電容模型計算轉移電流,轉移距離為0.5 m時,可計算出等電位過程中電容暫態放電電流的峰值為303 A。改進后的電容模型計算出的轉移電流比改進前的模型計算出的轉移電流大11 A。因此,為提高計算的精度,應考慮采用改進后的電容模型計算轉移電流。

為校驗現有防護措施是否得當,采用改進的電容模型對電位轉移能量進行計算,發現當轉移距離為0.5 m時,等電位作業人員與導線的電位差為222.4 kV,轉移能量為1.0 J；當轉移距離為0.7 m時,等電位作業人員與導線的電位差為247.1 kV,轉移能量達到1.16 J。相關文獻的研究結果表明,采用導電手套對電位轉移過程的放電特性進行模擬,當放電系統能量約為1.37 J時,放電電弧的根部直接作用在導電手套上,將手套燒蝕[14]。所以在實際作業中采用電位轉移棒進行電位轉移以確保作業人員安全,采用改進的電容模型進行轉移能量的計算,計算結果不影響現有防護參數的選擇。

3.2 不同轉移距離下的轉移電流計算

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

圖6 不同轉移距離下轉移電流峰值

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

4 結語

本文對計算轉移電流的傳統的電容模型進行了改進,并依據±800 kV直流輸電線路帶電作業現場實際情況,建立仿真模型,分別對電容參數和轉移電流波形進行仿真計算,可得到如下結論:

1)采用改進的電容模型計算出的轉移電流較傳統的電容模型計算出的轉移電流大,為提高計算精度,尤其對于電壓等級更高的輸電線路,轉移電流的仿真計算應考慮采用改進的電容模型。從轉移能量的計算結果來看,采用改進后的電容模型進行分析不影響現有防護參數的選擇。

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