輸電線路帶電作業人體在臨界安全距離作業下的電場研究

張遠建，王 琴，康 坦，王 威，韓 臻，顧亞健

(江蘇興力工程管理有限公司，江蘇 南京 210000)

為了確保輸電線路的安全穩定運行，帶電作業已經成為較為廣泛的作業方法[1-2]，帶電作業雖然保證了電網的不間斷運行，但也增加了作業人員的危險性[3-4]。

電力系統從業人員生命安全和身體健康是供電企業安全生產工作的重中之重，但目前電力安全事故仍然時有發生，形勢比較嚴峻。據國家能源局統計，某年一個月就發生了電力人身傷亡事故 5 起、死亡 6 人，造成了巨大經濟損失和不良社會影響[5-6]。因此，帶電作業電場監測與報警裝置成為研究熱點，多數學者對此進行了深入研究[7-9]。例如文獻[8]針對現有技術方法的缺陷提出基于電場過限確定安全距離的思路，通過仿真計算得到不同電壓等級輸電線路安全距離的臨界電場，但沒有考慮人體侵入的影響，此外，少數文獻考慮了人體侵入的影響[10]；但缺少對實際高壓輸電線路不同電壓等級下的差異性進行研究。

為此，本文分別建立35、110、220 kV等級輸電線路帶電作業的有限元模型，通過計算研究了臨界安全距離下的臨界電場，研究結果可為帶電作業人員的安全性操作提供參考。

1 帶電作業人體電場有限元計算模型

1.1 有限元計算原理

本文研究輸電線路帶電作業人體在臨界安全距離作業下的電場，選取準靜電場計算模型，計算域控制方程為：

(1)

式中，E為電場強度；D為電位移強度；U為電位值；ε0為真空絕對介電常數，取8.85×10-12F/m；ε1為介質的相對介電常數；e為體電荷密度。

1.2 輸電線路安全距離下人體模型

本文仿真計算中，分別以35、110、220 kV等級輸電線路為研究對象，研究輸電線路帶電作業人體在臨界安全距離作業下的電場。

根據《國家電網公司電力安全工作規程—在帶電線路桿塔上作業與帶電導線最小安全距離》的規定，本文設置35、110、220 kV等級輸電線路臨界安全距離分別為1.0、1.5、3.0 m。

人體作業位置為導線側方入侵，輸電線路導線電壓分別設置為35、110、220 kV。

建模所用人體總體身高179 cm，人體腿長90 cm，腳高5 cm，身體長度60 cm，脖子和頭高 24 cm，如圖1所示。相比于輸電線路周圍空氣，空氣電導率為0，而人體近似為導體。因此，本文將人體視為均勻介質，電導率取為 0.1 S/m，相對介電常數取為106。

圖1 人體幾何模型Fig.1 Geometric model of human body

根據有限元原理的計算方法，對輸電線路帶電作業人體在臨界安全距離作業下的電場進行計算，計算完成后，本文選取人體從頭部到腳部的沿面區域作為不同輸電線路等級下的電場對比區域。電場對比路線如圖2所示。

圖2 電場對比區域示意Fig.2 Schematic diagram of electric field comparison area

3 臨界安全距離下計算結果及分析

本文計算得到35、110、220 kV輸電線路在臨界安全距離下的電勢和電場分布，同時分析了不同身體部位的電場差異性。

3.1 不同電壓等級下的計算結果

以35 kV輸電線路在側方侵入帶電作業人體時為例，其整體電場與電勢分布如圖3所示。

圖3 35 kV輸電線路整體電場與電勢分布Fig.3 Overall electric field and potential distribution of 35 kV transmission line

從圖3中可以看出，在輸電線路帶電作業時，人體表面存在局部電場畸變現象。為更加直觀地分析人體表面電場分布，本文給出在35、110、220 kV等級輸電線路時的人體電場分布局部圖，如圖4所示。

圖4 不同電壓等級下的人體電場分布Fig.4 Human electric field distribution under different voltage levels

從圖4中可以看出，在不同電壓等級的輸電線路帶電作業時，同樣在臨界安全距離下，人體表面電場分布有所差異。對于110 kV和220 kV等級輸電線路，其人體表面電場畸變相對35 kV較大。此外，對于相同等級的輸電線路，人體表面電場分布存在差異性。以220 kV等級輸電線路為例，電場較大的位置分別位于頭部，手腕部，肩部和腳部，且近電側(右半體)和遠電側(左半體)電場分布存在差異性。

為更加準確地分析不同電壓等級的輸電線路帶電作業時人體表面臨界電場分布的差異性，本文給出沿左右人體表面電場監測路徑的電場分布，如圖5所示。

從圖5的分析中，可以得到以下結論。

(1)隨著電壓等級的升高，人體表面在臨界安全距離下的電場值有逐漸增大的趨勢。例如，以右半體為例，通過計算可知，35、110、220 kV輸電線路在臨界安全距離下人體表面電場平均值分別為0.77、1.83、2.20 kV/m，220 kV電壓等級下平均臨界電場較35 kV下的增加了184.69%。

(2)不同身體部分的表面電場差異性較大，表面電場最大值一般出現在左腳底位置。其中，220 kV電壓等級下的電場最大值最大，可達19.41kV/m。

(3)近電側(右半體)臨界表面電場平均值略大于遠電側(左半體)。以220 kV電壓等級為例，近電側與遠電側的平均臨界場強分別為2.20、1.72 kV/m。

2.2 不同身體部位電場差異性分析

為進一步分析人體不同位置時的電場差異性，本文統計了頭頂、右肩部、左肩部、右手腕、左手腕、右腳腕和左腳腕7個位置的電場值，見表1。

圖5 監測路徑下的不同電壓等級下的人體電場分布Fig.5 Human electric field distribution under different voltage levels under monitoring path

表1 不同身體部位電場差異性Tab.1 Difference of electric field in different body parts

從表1中可以得出：①人體不同位置的電場差異性較大，以220 kV電壓等級下的電場計算結果為例，最小值位于左肩部，僅為1.07 kV/m，最大值位于左腳腕處，可達14.71 kV/m，二者相差13.71倍。②不同電壓等級下的最大電場出現的位置相同，均為左腳腕處。而最小電場出現的位置有差異，對于35 kV和110 kV等級輸電線路的最小電場，均出現在頭頂處，而220 kV等級輸電線路的最小電場出現在左肩部。③在進行帶電作業人體電場監測與報警設備研制時，需要考慮報警器穿戴位置進行報警閾值的設定。

2.3 基于穿戴式近電感知裝置的試驗驗證

為了驗證本文提出的不同身體位置的報警閾值，以基于一種穿戴式近電感知裝置、35 kV等級的電壓為例，進行了試驗驗證，為保證試驗人員安全，本文使用模擬人體的假人進行穿戴試驗，向高壓端入侵的方式與仿真設置的一致。其中穿戴式近電感知裝置如圖6所示。

電場探頭通過電磁感應，探測穿戴位置(例如手腕腳腕)附近電場強度信號，檢測主板對該信號進行濾波放大處理后，計算得到電場強度大小；檢測主板識別旋鈕對應的電壓等級檔位，根據所穿戴的身體位置設置報警閾值。

以35 kV等級的電壓為例，頭頂、右肩部、左肩部、右手腕、左手腕、右腳腕和左腳腕處的電場閾值分別設置為0.25、2.50、1.57、4.01、1.60、2.12、4.14 kV/m；檢測主板將計算得到的電場強度大小預先設定的閾值進行對比，從而判斷是否越限，如果越限，則蜂鳴器報警。

根據穿戴不同身體位置的試驗結果，可以得到不同穿戴位置的報警距離和與實際安全距離的報警偏差，如圖7所示。

圖7 報警距離及偏差Fig.7 Alarm distance and deviation

從圖7中可以看出，穿戴不同身體位置時的報警距離均在1 m附近浮動，誤差絕對值最大值為0.09 m，最大誤差僅為8.26%，雖然有一定的報警誤差，但是誤差范圍較小，說明根據穿戴位置設置不同的報警閾值符合實際情況，值得在工程應用中采用。但由于偏差的存在，在實際應用中對報警閾值設置10%的裕度較為合理。

3 結論

本文建立了帶電作業人體在35、110、220 kV等級輸電線路作業的有限元模型，研究輸電線路帶電作業人體在臨界安全距離作業下的電場，主要得出以下結論。

(1)隨著電壓等級的升高，人體表面在臨界安全距離下的電場值有逐漸增大的趨勢。例如，220 kV電壓等級下平均臨界電場較35 kV下的增加了184.69%。

(2)近電側(右半體)臨界表面電場平均值略大于遠電側(左半體)，以220 kV電壓等級為例，近電側與遠電側的平均臨界場強分別為2.20、1.72kV/m。

(3)人體不同位置的電場差異性較大，以220 kV電壓等級下的電場計算結果為例，最小值位于左肩部，僅為1.07 kV/m，最大值位于左腳腕處，可達14.71 kV/m，二者相差13.71倍。

(4)基于穿戴式近電感知裝置的試驗驗證表明，根據穿戴位置設置不同的報警閾值符合實際情況，值得在工程應用中采用。但由于偏差的存在，在實際應用中對報警閾值設置10%的裕度較為合理。