35 kV線路帶電作業電場仿真分析與防護

王磊，唐盼，楊芳，謝龍光

(1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州 510600；2.電網環境保護國家重點實驗室，中國電力科學研究院武漢分院，武漢 430074；3. 廣東電網有限責任公司清遠供電局，廣東 清遠511538)

0 引言

35 kV線路屬于我國配電線路中一個重要的部分，具有比10 kV配電線路輸送容量大和線路損耗小等特點，是我國城市近郊及農村供電網重要的電壓等級。35 kV線路具有線路長、運行環境差的特點，對其采用帶電作業的方式進行運維檢修作業，可以有效提高供電可靠性[1 - 4]。由于35 kV線路的桿塔結構和電壓等級處于配電和輸電線路之間，傳統帶電作業方法一般采用等電位作業法，作業人員需要穿戴屏蔽服裝進行電場防護[5]。近年來，部分單位沿用10 kV線路帶電作業的經驗，在35 kV線路上嘗試使用絕緣手套作業法。因此35 kV線路帶電作業人員是否需要對電場進行防護成為一個具有爭議的話題[6]。

在35 kV線路帶電作業技術方面，內蒙古巴彥淖爾電業局曹國文從工具設計上改良，研制符合橫擔安裝和操作的專用卡具，利用間接帶電作業方式對損傷、臟污絕緣子進行更換處理[7]。天津城東供電公司黃旭以中間電位作業法帶電更換35 kV輸電線路絕緣子項目為例進行了具體的實例研究,分析了項目實施的主要難點和創新點，指出了項目實施時絕緣安全工器具要求及具體作業步驟流程[8]。云南紅河供電局楊偉輝研究開發的35 kV帶電作業絕緣手套、絕緣服和絕緣毯等防護用具和遮蔽用具將35 kV帶電作業絕緣防護及絕緣遮蔽用具統一顏色為紅色，方便不同電壓等級遮蔽用具的區分[9]。雖然該領域的研究與應用已經取得了一定的進展，但主要集中于作業方式和工器具方面，對于35 kV線路帶電作業電場防護并未開展研究[10]。

本文采用有限元仿真軟件對35 kV線路單回和雙回鐵塔開展帶電作業時的桿塔和人體周圍電場進行仿真計算，結合輸電線路帶電作業的電場防護的要求，研究了35 kV線路帶電作業的電場防護方法，從而指導現場作業安全開展。

1 35 kV單回直線塔電場仿真

1.1 35 kV單回直線塔參數及模型

典型35 kV單回直線塔采用上字型鐵塔設計方案，導線型號為LGJ-150/25，三相導線呈倒三角排列，相間距離為3.4 m，橫擔長度為1.8 m，采用3片玻璃絕緣子，絕緣距離為1 m。線路的最高工作電壓為40.5 kV。

采用三維有限元計算方法，計算點根據作業人員進入作業位置一般路徑、桿塔結構等特點進行選取。首先在地面選取若干典型的地電位測試點，再當作業人員攀登到離開地面一定高度時選取塔身地電位測試點，以及考慮到絕緣子串支撐處是帶電作業人員在塔上的經常工作位置，故選擇絕緣子串支撐點處為計算點，為了從嚴考慮，還將直線絕緣子導線側等電位作業處作為計算點，校核其作業安全性。35 kV單回直線塔塔身的各電場計算點的位置如圖1所示，說明見表1。考慮到35 kV線路作業帶電作業人員常常站立于橫擔、塔身或絕緣平臺上開展操作，人體體表電場的最大值一般出現在頭部、手部、腳部等尖端處，因此設置等電位和地電位作業人員的人體模型如圖2所示，主要參數見表2。

表1 桿塔表面測量點Tab.1 Tower surface measurement points

圖2 等電位和地電位作業人員人體模型Fig.2 Human body model of equipotential and earth potential personnel

表2 人體模型尺寸Tab.2 Model size of human body

由于人體結構相對于桿塔來說很小，要想一次性求解并得到較理想的結果則必然對計算機的硬件要求特別高，故采用子域法建立子模型對關鍵區域進行精細控制以得到較好的計算結果，同時減輕計算對計算機硬件設備的依賴。人體剖分時所用網格多達30萬，必然消耗大量內存、減慢計算速度，故將人體作為導體不予剖分，僅剖分人體外表面，節點達3萬，大大節省單元。

1.2 35 kV單回直線塔表面電場分布

在塔上無人作業條件下，單回直線鐵塔和導線表面的電場強度分布如圖3所示。

圖3 35 kV單回線路導線截面和塔桿電場強度分布Fig.3 Distribution of electric field strength of conductor section and tower pole of 35 kV single circuit line

35 kV單回線路在逆時針正序加載的運行方式下，將圖3中各計算點的電場強度計算值列于下表3中。其中導線表面由于其曲率較大，電場尖端效應更加明顯，此時三相導線表面的電場強度大于240 kV/m，因此針對這幾處典型作業位置的人體體表電場進行了計算分析。

表3 各計算點的電場強度計算值Tab.3 Calculation values of electric field strength at each calculation point

1.3 作業人員在不同位置的體表電場場強

根據帶電作業時作業人員在塔桿和導線間的4個典型位置，選取測量點進行測量，分別為：位置1：人在上相導線上方橫擔處。位置2：人在上相導線等電位處。位置3：人在下相導線上方橫擔處。位置4：人在下相導線等電位處。考慮到塔桿上相導線在左側，由上文塔身電場計算可知，塔桿下相左側方向的場強較右側強，故人在下相的兩種工況位置3和位置4，應選取人在左側下相計算較好。

1.3.1 左側上方橫擔上方作業時人體體表電場

處于位置1的地電位作業人員體表電場分布如圖4所示，不同身體部位的電場最大值見表4。

圖4 位置1地電位人員的體表電場Fig.4 Electric field of human body surface at position 1

表4 位置1人體表面不同部位電場強度最大值Tab.4 Maximum electric field intensities of human body at position 1

由計算結果可知：由于人距離導線較遠，表面場強不大，場強最大處出現在人體最靠近導線的腳部，人體遠離導線的軀干和頭部場強相對較小。人的頸部由于胸部和頭部的屏蔽作用，場強明顯減少。

1.3.2 上相導線等電位處人體體表電場

處于位置2的等電位作業人員體表電場分布如圖5所示，不同身體部位的電場最大值見表5。

由計算結果可知：場強最大處出現在人體靠近導線的軀干下部，人體靠近導線的軀干上部分及頭部場強相對較小。雖然導線表面電場強度較大，但人位于導線表面時，人體體表電場大幅下降，最大值只有24 kV/m。

圖5 位置2等電位人員的體表電場Fig.5 Electric field of equitential human body at position 2

表5 位置2人體表面不同部位電場強度最大值Tab.5 Maximum electric field intensities of human body at position 2

1.3.3 下相導線上方橫擔處人體體表電場

處于位置3的地電位作業人員體表電場分布如圖6所示，不同身體部位的電場最大值見表6。

圖6 位置3地電位人員的體表電場Fig.6 Electric fields of different parts of human body at position 3

由計算結果可知：場強最大處出現在靠近導線的手臂處，人體軀干和頭部離導線距離較遠處場強相對較小。

由計算結果可知：場強最大處出現在人體靠近上相導線的手部，人體軀干遠離導線處及腳部場強相對較小。

表6 位置3人體表面不同部位電場最大值Tab.6 Maximum electric field intensities of human body at position 3

1.3.4 下相導線等電位處人體體表電場

處于位置4的等電位作業人員體表電場分布如圖7所示，不同身體部位的電場最大值見表7。

圖7 位置4人體表面不同部位電場分布Fig.7 Electric fields of different parts of human body at position 4

表7 位置4人體表面不同部位電場最大值Tab.7 Maximum electric field intensity of human body at position 4

2 35 kV雙回直線塔電場仿真

2.1 35 kV雙回直線塔參數及模型

典型35 kV雙回直線塔的兩回導線采用上、中、下垂直排列，導線型號為LGJ-150/25，相間距離為3.0 m，橫擔長度2.0 m，采用3片玻璃絕緣子，絕緣距離為1 m。

電場強度計算點的位置如圖8所示。各計算點的位置說明列于表8中。人體模型與單回線路計算相同。

圖8 電場強度計算取值點圖Fig.8 Calculation point of electric field strength

表8 電場強度計算點說明Tab.8 Description of electric field intensities calculation points

2.2 雙回線路桿塔空間電場計算

在塔上無人作業條件下，雙回直線鐵塔和導線表面的電場強度分布如圖9所示。

圖9 雙回線路桿塔與導線表面電場強度分布Fig.9 Electric fields on the surface of tower and conductor of double circuit line

35 kV雙回線路在由上到下正序加載運行方式下。將圖9中各計算點的電場強度計算值列于下表9中。與單回線路類似，電場最大值出行在導線表面，均超過240 kV/m，因此選取相應的典型作業位置的人體體表電場進行計算分析。

2.3 作業人員在不同位置的體表電場場強

根據帶電作業時作業人員在塔桿和導線間的4個典型位置，選取測量點進行測量。4個典型位置分別為：位置5：人在下相導線上方橫擔處。位置6：

表9 各計算點的電場強度計算值Tab.9 Calculation value of electric field intensities at each calculation point

人在下相導線等電位處。位置7：人在中相導線上方橫擔處。位置8：人在中相導線等電位處。

2.3.1 下相導線上方橫擔處人體體表電場

處于位置5的地電位作業人員體表電場分布如圖10所示，不同身體部位的電場最大值見表10。

圖10 位置5地電位人員的體表電場Fig.10 Electric fields of human body surface at position 5

表10 位置5人體表面不同部位電場最大值Tab.10 Maximum electric fields of human body at position 5

由計算結果可知：場強最大處出現在靠近導線手臂處，人體軀干離導線距離較遠處場強相對較小。

2.3.2 下相導線等電位處人體體表電場

處于位置6的等電位作業人員體表電場分布如圖11所示，不同身體部位的電場最大值見表11。

圖11 位置6等電位人員體表電場Fig.11 Electric fields of human body surface at position 6

表11 位置6人體表面不同部位電場最大值Tab.11 Maximum electric fields of human body surface at position 6

由計算結果可知：場強最大處出現在靠近導線手臂處，雙腿處場強相對較小。

2.3.3 中相導線橫擔處人體體表電場

處于位置7的地電位作業人員體表電場分布如圖12所示，不同身體部位的電場最大值見表12。

圖12 位置7地電位人員的體表電場Fig.12 Electric fields of human body surface at position 7

表12 位置7人體表面不同部位電場最大值Tab.12 Maximum electric fields of human body surface at position 7

由計算結果可知：場強最大處出現在靠近導線手臂及軀干下部，遠離導線的手臂及頭部場強相對較小。

2.3.4 中相導線等電位處人體體表電場

處于位置8的等電位作業人員體表電場分布如圖13所示，不同身體部位的電場最大值見表13。

圖13 位置8等電位人員的體表電場Fig.13 Electric fields of human body surface at position 8

由計算結果可知：場強最大處出現在靠近導線手臂處，遠離導線的軀干和四肢場強相對較小。

表13 位置8人體表面不同部位電場最大值Tab.13 Maximum electric fields of human body surface at position 8

3 35 kV線路電場特點與人員安全防護

綜合以上計算分析可知，35 kV交流單、雙回線路帶電作業時，最大電場強度位于導線表面處，約為370 kV/m，其隨著與導線的間距的增大快速減小，在鐵塔表面處的電場強度均小于10 kV/m。鐵塔表面的電場最大值一般出現在導線登高處或導線正上方、正下方橫擔處。對于雙回線路，中相導線附近電場較大。因此地電位作業條件下的空間電場強度與輸電線路下方的居民電場強度要求基本相當。

當作業人員沿桿塔攀爬至作業位置時，人體表面總的場強值大小大致與人和塔桿場電場強最強點的距離成反比，距離越近，場強越大。而人體表面場強的具體分布與離人體距離最近的導線有直接關系，距離導線最近的軀干或手臂處場強最大，遠離導線的部分軀干場強迅速減少，而人的頸部、手腕等部分由于受到頭部、拳頭的屏蔽作用，場強較小。地電位作業人員的體表電場一般在5～15 kV/m之間。等電位作業人員的體表場強略微高于地電位作業人員，但其最大值不超過30 kV/m，相比導線表面電場均大幅下降。為了盡可能降低作業人員體表電場強度，當作業人員采用直接作業法時，除直接接觸的手部外，身體的其他部位應盡可能遠離導線。

GB/T 6568—2008規定，帶電檢修人員未穿戴防護服裝時不應暴露在大于240 kV/m的電場環境中[11]。根據上文的仿真計算結果表面，作業人員可能接觸的最大電場出現在等電位作業時的人體手指處，但仍遠小于240 kV/m的限值。對于500 kV及以下線路帶電作業常用的I型屏蔽服其屏蔽效率為40 dB，即屏蔽服裝內部電場為外部電場的1/100。依據標準和計算結果表明，作業人員無論是處于地電位還是等電位，其體表場強未超過人體允許裸露的限制，因此可以不用穿戴屏蔽服裝進行電場防護。

綜合考慮35 kV線路的作業間隙、電場防護要求與國內外帶電作業基本原則的35 kV線路帶電作業宜采用配網不停電作業的方法開展，即絕緣手套作業法和絕緣桿作業法，依靠絕緣平臺、絕緣工具與空氣間隙作為主絕緣，絕緣防護用具、絕緣遮蔽用具、絕緣隔離用具作為輔助絕緣[10]。因為絕緣用具的阻斷作用，此時無需考慮電位轉移電流的影響。

4 結論

本文通過模擬仿真計算，對35 kV線路帶電作業電場進行了分析，得出以下結論。

1)35 kV線路桿塔上的最大電場位于導線表面處，其隨著與導線的間距的增大快速減小至塔身表面的10 kV/m以下。

2)作業人員身體表面的電場場強值大小大致與人和塔桿場電場強最強點的距離成反比，距離越近，場強越大。而人體表面場強的具體分布與離人體距離最近的導線有直接關系，距離導線最近的軀干或手臂處場強最大，遠離導線的部分軀干場強迅速減少，而人的頸部、手腕等部分由于受到頭部、拳頭的屏蔽作用，場強較小。

3)作業人員在35 kV單回和雙回線路直線桿上按照4種典型工況進行作業時，作業人員在作業位置處體表的電場強度均在限值以內，滿足標準要求，不用穿戴帶電作業屏蔽服裝。

4)35 kV線路帶電作業宜采用配網不停電作業的方法開展，即絕緣手套作業法和絕緣桿作業法。