220 kV電纜終端帶電作業(yè)體表電場研究

何光華，齊金龍，卞 棟，王興宇，葛偉康

（1.國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇無錫 214000；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

引言

電纜線路是智能電網(wǎng)重要組成部分，隨著我國城市化建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，必將加快工程應(yīng)用。電纜線路以其占地面積少、對(duì)環(huán)境影響小、供電可靠性高、故障率低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，成為城市電網(wǎng)的重要組成部分，直接關(guān)系城市電網(wǎng)安全、質(zhì)量和效益[1]。隨著電纜線路的逐漸增多和運(yùn)行時(shí)間逐漸增長，在運(yùn)行維護(hù)工作中會(huì)遇到很多問題需要停電檢修：停電檢修降低了供電可靠性；缺乏成熟作業(yè)規(guī)范使運(yùn)維檢修工作效率不高；缺乏配套施工裝備無法順利展開相關(guān)檢修維護(hù)工作。故須開展電纜終端帶電作業(yè)的研究。

目前，在輸電線路開展的研究有很多，劉會(huì)家等[2]對(duì)高壓、特高壓輸電線路帶電作業(yè)方式及防護(hù)措施進(jìn)行了研究；黃俊波等[3]對(duì)輸電線路檢測(cè)方面做出了研究。而對(duì)電纜終端帶電作業(yè)所做的研究較少，因此研究220 kV電纜終端帶電作業(yè)對(duì)體表電場的影響對(duì)作業(yè)方式和安全防護(hù)規(guī)范的制定有意義。

1 電場仿真

1.1 材料模型與參數(shù)確定

人體模型參照人機(jī)工程學(xué)中中國男性的平均測(cè)量尺寸（見圖1），身高168 cm，頭部為橢球形，頭圍560 mm，身體厚度為212 mm，長533 mm，腿長834 mm，手臂長550 mm，建模盡量用球形和圓柱，所有尖角處用圓角處理。

圖1 建模

用一扇形區(qū)域模擬周圍的無限空氣開區(qū)域，包住整個(gè)模型，大小為模型的4～5倍，半徑取為120 m，邊界施加0電位模擬無限空氣域。

1.2 工況設(shè)置

電纜終端塔塔高40.4 m，電纜終端平臺(tái)高6 m。電纜終端依據(jù)220 kV XLPE絕緣電纜戶外終端裝配圖建模，選擇電纜線芯截面積為800 mm2。電纜終端相間的間隙緊湊，因而作業(yè)人員的作業(yè)方式、進(jìn)入作業(yè)位置的路徑以及站位的選擇對(duì)確保作業(yè)人員的電場和絕緣間隙的安全具有重要意義。

對(duì)于6 m高的電纜終端，等電位作業(yè)時(shí)需要借助絕緣梯、絕緣斗臂車或可升降的絕緣平臺(tái)。進(jìn)入等電位作業(yè)位置后，為了減小對(duì)作業(yè)間隙的短接，作業(yè)人員的腳部與高壓引線齊平并采用下蹲姿勢(shì)，以電纜終端的中心線為水平的零點(diǎn)，獲得距離電纜終端0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m共5個(gè)水平距離下的人體體表電場。

高壓電纜終端正常運(yùn)行時(shí)鋁護(hù)套周圍電場較高，熱縮管處時(shí)常發(fā)生事故，高壓引線端也是需要關(guān)注的位置，因此電纜終端的帶電作業(yè)站位選擇在高壓引線（即導(dǎo)電端子處）、應(yīng)力錐以及電纜鋁護(hù)套處，作業(yè)時(shí)以手末端為準(zhǔn)，即人體模型的手距離電纜終端2.3 m的三個(gè)位置。并且為了解短接間隙過程中應(yīng)力錐及體表電場的變化，考慮作業(yè)安全距離以及人體活動(dòng)范圍0.5 m，設(shè)置了人體模型距離應(yīng)力錐0.5 m、1.0 m、1.5 m、1.8 m以及2.3 m作業(yè)時(shí)的工況。中間電位作業(yè)時(shí)站位同地電位作業(yè)。

1.3 載荷設(shè)置

對(duì)于220 kV三相電纜終端，考慮施加相電壓幅值，工作相施加220 kV相電壓幅值，非工作相取0.5 Um，分別建立三相電纜終端與人體模型，并在裝配體中組合。對(duì)比分析人體在電纜終端的不同位置進(jìn)行帶電消缺時(shí)的電場分布，以及人體所承受的場強(qiáng)。

用一扇形區(qū)域模擬周圍的無限空氣開區(qū)域，包住整個(gè)模型。計(jì)算的初始化條件是在電纜線芯施加額定相電壓，在應(yīng)力錐施加0 kV電壓，塔施加0電位，等電位作業(yè)人體與導(dǎo)線等電位，地電位作業(yè)時(shí)人體為0電位，中間電位作業(yè)人體采用自耦合處理（見圖2）。

圖2 地電位作業(yè)帶電消缺

2 結(jié)果分析

2.1 地電位作業(yè)

地電位作業(yè)時(shí)體表電場分布如圖3及表1所示。由表1可知，手指作為人體較為突出的部位，并且站姿下手距離帶電體最近，地電位作業(yè)時(shí)體表電場最大值均位于手端部，豎直方向向上移動(dòng)時(shí)體表電場上升，在高壓引線處作業(yè)時(shí)體表電場最大值達(dá)到了475.92 kV/m，并且在2.3 m安全距離作業(yè)時(shí)，手指電場超過了人體能承受的最大電場（240 kV/m），因此作業(yè)時(shí)手部必須做好安全防護(hù)。

圖3 地電位作業(yè)體表電場分布情況

表1 地電位作業(yè)不同站位人體的不同部位電場比較

220 kV地電位作業(yè)時(shí)體表電場超出人體能承受的最大電場，因此作業(yè)時(shí)穿戴屏蔽服，做好安全防護(hù)。

2.2 等電位作業(yè)

等電位作業(yè)時(shí)體表電場分布如圖4及表2所示。由表4可知，等電位作業(yè)時(shí)體表電場均超過人體能承受的最大電場，最大值位于手部，作業(yè)時(shí)需要做好安全防護(hù)。等電位作業(yè)時(shí)體表電位與高壓引線一致，都為179 kV/m，作業(yè)人員靠近高壓引線作業(yè)時(shí)，相當(dāng)于增加了導(dǎo)線的等效半徑，因此在0.2 m處時(shí)，距離較遠(yuǎn)等效作用消失，體表電場小幅上升。

表2 等電位作業(yè)不同站位人體不同部位電場值對(duì)比

圖4 人體各部位電場

2.3 中間電位作業(yè)

中間電位作業(yè)時(shí)體表電場分布如圖5及表3所示。由表3可知：豎直方向位移時(shí)，與地電位作業(yè)情況一樣，向上時(shí)體表電場上升，高壓引線處體表電場值最大，手部為98.05 kV/m；水平方向時(shí)，在距離電纜終端線芯1.0 m及以內(nèi)時(shí)體表電場超過人體能承受的最大電場，1.5 m時(shí)體表電場值在安全范圍內(nèi)，雖然沒有超過電場的感知水平，但仍然超過了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出的極低頻電磁場的暴露水平限值，如ICNIRP給出的極低頻電場的居民和職業(yè)的暴露水平分別為5 kV/m和10 kV/m。而ICNIRP要求的職業(yè)暴露的時(shí)間為不大于8 h。

表3 中間電位作業(yè)不同站位人體不同部位電場值對(duì)比

圖5 中間電位作業(yè)體表電場分布情況

在作業(yè)間隙滿足相關(guān)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，作業(yè)人員的電場特點(diǎn)及防護(hù)則尤為重要。等電位作業(yè)方式下人體體表電場最大，其次為地電位，最小為中間電位。一般認(rèn)為，人體在均勻電場中，電場梯度在25 kV/m時(shí)，沒有不正常反應(yīng)，人體皮膚對(duì)表面局部場強(qiáng)的“電場感知水平”為240 kV/m，即為人體能承受的最大電場強(qiáng)度。在中間電位和地電位作業(yè)時(shí)可以通過增加與帶電體的距離來減小體表的電場強(qiáng)度，還可以增大作業(yè)的安全距離，提高作業(yè)的安全性。

3 結(jié)論

仿真研究了220 kV電纜終端帶電作業(yè)電場，分析了不同作業(yè)方式對(duì)作業(yè)人員體表電場變化的影響，得出以下主要結(jié)論：

（1）以仿真工況為準(zhǔn)，等電位作業(yè)體表電場最大，地電位作業(yè)次之，中間電位作業(yè)體表電場最小；

（2）等電位作業(yè)體表電場超出人體能承受的最大電場，作業(yè)時(shí)需做好安全防護(hù)；

（3）地電位作業(yè)時(shí)，由于手部為人體尖端，此處電場最大；

（4）中間電位作業(yè)在1 m以上作業(yè)時(shí)體表電場不超出240 kV/m。