配網不停電作業安全電弧傷害機理及防護措施

摘要：配網不停電作業存在著一定的技術難度和安全風險，如果操作不當或管理不規范，可能導致人員觸電、電弧灼傷、高空墜落、設備損壞、線路短路等嚴重事故，危及人身安全和電網穩定運行。因此，有效地防護配網不停電作業電弧傷害，是保障電力系統安全可靠運行的重要任務。研究從配網不停電作業電弧傷害的機理、防護目標、防護區域、防護技術、防護效果和優化方向等方面，對配網不停電作業電弧防護進行了系統的分析和探討。

關鍵詞：配網工作不停電作業安全電弧電弧特性

SafetyArcDamageMechanismandProtectionMeasuresforDistributionNetworkwithoutPowerOutageOperation

ZHOUYongWUXianyanRANZhu

EnshiPowerSupplyCo.，Ltd，ofStateGridHubeiElectricPowerCo.，Ltd.，Enshi，HubeiProvince，445000China

Abstract：Therearesometechnicaldifficultiesandsafetyrisksinthedistributionnetworkwithoutpoweroutageoperation.Iftheoperationisimproperorthemanagementisnotstandard，itmayleadtoseriousaccidentssuchaselectricshock，arcburning，fallingfromhighaltitude，equipmentdamage，shortcircuitandsoon，endangeringpersonalsafetyandstableoperationofthepowergrid.Therefore，howtoeffectivelyprotectthearc damageofthedistributionnetworkwithoutpoweroutageisanimportanttasktoensurethesafeandreliableoperationofthepowersystem.Thispapersystematicallyanalyzesanddiscussesthemechanismofarcdamage，protectiontarget，protectionarea，protectiontechnology，protectioneffectandoptimizationdirection.

KeyWords：Distributionnetworkwork;Operationwithoutpoweroutage;Safearc;Arccharacteristics

1配網不停電作業安全事故現狀和危害分析

配網不停電作業是為了提高供電可靠性和客戶滿意度，減少停電損失，而在配電線路帶電狀態下進行的檢修、改造、清洗等工作。而這種作業具有一定的技術難度和安全風險，如果操作不當或管理不規范，可能導致人員觸電、電弧灼傷、高空墜落、設備損壞、線路短路等嚴重事故，危及人身安全和電網穩定運行。根據國網公司統計，2022年全國共發生配網不停電作業安全事故94起，造成人員死亡23人，重傷12人，輕傷58人，直接經濟損失達到1.05億元[1]。配網不停電作業安全事故的主要原因有作業人員違章作業、作業工器具不合格、作業環境不安全、作業管理不到位等。因此，預防配網不停電作業安全事故，是保障電力系統安全可靠運行的重要任務，需要從技術、管理、培訓等方面采取有效措施，提高配網不停電作業的安全水平和質量。

2配網不停電作業電弧傷害的機理

2.1電弧的形成條件和影響因素

2.1.1物理本質與數學模型

電弧是一種氣體放電現象，它是由于電路中的電壓超過氣體的擊穿電壓，導致氣體中的分子或原子被電離，形成帶電粒子的等離子體，從而使氣體具有導電性。電弧的物理本質是一種高溫、高能量的熱電統一體，它可以將電能轉化為熱能、光能、聲能和機械能。電弧的數學模型是根據電弧的物理過程和特性，建立的用于描述電弧的電流、電壓、電阻、溫度、壓力等參數之間的關系的數學方程。常見的電弧數學模型有Cassie模型和Mayr模型，它們都是基于能量守恒方程和電弧的熱電平衡條件，但是對電弧的電阻和溫度的假設不同[2]。

假設分析一個電弧故障的情況，其中電路中的電壓為1000V，電流為100A，氣體為空氣，氣體的擊穿電壓為30kV/m，電弧通道的長度為0.1m，電弧通道的截面積為0.01m2，電弧通道的溫度為5000K，電弧通道的電導率為10S/m。首先要確定電弧的類型，是采用Cassie模型還是采用Mayr模型[3]。Cassie模型適用于電流過零前的大電流燃弧期間，Mayr模型適用于電流過零時的小電流燃弧期間。由于電流為100A，整體相對較低，而且假設電流是恒定的，沒有過零，所以選擇Mayr模型來描述電弧。根據Mayr模型的數學方程來計算電弧的參數，其數學方程如式（1）、式（2）所示：

（1）

（2）

式（1）、式（2）中，Rc是Mayr模型的動態電阻，tm是電弧的時間常數，Ploss是電弧燃燒時的耗散功率，ξ是電弧的電場強度，i是電弧電流。

2.1.2觸發因素和影響參數

電弧的形成是一個復雜的物理過程，受到多種因素的影響。電極間距是影響電弧形成的重要因素之一，電極間距越大，電弧的發生概率越小，電弧的穩定性越差，電弧的電壓和電阻越大。電極材料的種類、純度、表面狀況等也都會影響電弧的形成和特性，電極材料的熔點越高，電弧的發生概率越小，電極的蒸發和燃燒越少，電弧的穩定性越好。此外，二次電子發射系數對電弧也具有關鍵影響。二次電子發射系數是指電極表面被轟擊后產生的二次電子與入射電子的比值，它會影響電弧的電子密度和電場強度。二次電子發射系數越大，電弧的電子密度越高，電弧的電場強度越低，電弧的穩定性越好。

2.2電弧的特性和類型

電氣特性和熱力學特性是影響電弧放電現象的兩個重要方面，它們之間存在著相互作用和影響。電弧的電氣特性包括電位梯度、電導、電流密度及其分布等，它們決定了電弧的電壓、電阻、功率和能量轉換等參數。電弧的熱力學特性包括溫度、輸入熱能、散出熱能、熱流及其分布等，它們決定了電弧的熱穩定性、熱平衡和熱效應等現象。電弧的電氣特性和熱力學特性又受到電弧的組成部分、形成條件、類型、介質、電流、電壓等因素的影響[4]。表1給出了一些常見的電弧類型及其電氣特性和熱力學特性的數值范圍：

表1電弧類型及其電氣特性和熱力學特性

電弧類型

電位梯度（V/cm）

電導（S/m）

電流密度（A/cm2）

溫度（K）

熱流（W/cm2）

交流電弧

10～1000

10～1000

10～10000

3000～30000

100～10000

直流電弧

10～1000

10～1000

10～10000

3000～30000

100～10000

脈沖電弧

100～10000

100～10000

100～100000

10000～100000

1000～100000

氣中電弧

10～1000

10～1000

10～10000

3000～30000

100～10000

真空電弧

100～10000

100～10000

100～100000

10000～100000

1000～100000

電弧類型可以根據其電氣特性和熱力學特性分為穩態電弧和非穩態電弧。穩態電弧是指電弧的電流、電壓、溫度、長度等參數在一定范圍內保持相對恒定的電弧，其電弧電阻和電弧功率也基本不變。穩態電弧的形成需要滿足一定的條件，如電弧的電流大于臨界電流、電弧的長度小于臨界長度、電弧的溫度高于電離溫度等。非穩態電弧是指電弧的電流、電壓、溫度、長度等參數隨時間或空間而變化的電弧，其電弧電阻和電弧功率也隨之變化。非穩態電弧的形成則通常是由于電弧的觸發因素或影響參數發生變化，如電弧的電流波動、電弧的長度變化等。非穩態電弧的穩定性和可控性較差，容易出現電弧的閃爍、熄滅、再燃等現象[5]。

2.3電弧對人體和設備的傷害機理

電弧會將電能轉化為熱能、光能、聲能和機械能，對人體和設備造成多方面的傷害。常規環境下，電弧的溫度可以達到幾萬攝氏度甚至幾十萬攝氏度，它會產生強烈的熱輻射，對人體的皮膚、眼睛、呼吸道等造成嚴重的灼傷，甚至引起燒傷性休克和死亡。電弧的熱輻射也會對設備的絕緣材料、電子元件、金屬結構等造成損壞或熔化，影響設備的正常運行和安全性。

3配網不停電作業電弧傷害的防護措施

3.1配網不停電作業電弧防護的目標

配網不停電作業應將目標設定為降低電弧發生的概率，減少電弧對人體和設備的傷害程度。為了實現這一目標，需要從技術、管理、培訓等方面采取有效的措施，提高配網不停電作業的安全水平和質量。例如：在作業過程中使用合格的絕緣、遮蔽、隔離和消弧設備和工具，保證作業人員和設備之間的安全距離和電氣隔離。在日常工作過程中，還要求提高作業人員的安全意識和技能，加強電弧防護的理論和實踐教育，提升作業人員的應急處置能力[6]。

3.2電弧防護區域

為了有效地防護配網不停電作業電弧傷害，作業團隊需要根據電弧的危險程度和影響范圍，劃分出不同的防護區域，對不同的防護區域采取不同的防護措施。實踐作業中，可劃分五個區域，如表2所示。

表2防護區域標準一覽

區域

電弧危險性

電弧影響范圍

防護措施

電弧數據標準

帶電暴露區

最高

直接暴露在帶電部分

絕緣、遮蔽、隔離、個人防護用具、作業程序

電位梯度：大于1.5kV/cm

電導：大于0.1S/m

電流密度：大于10A/cm2

溫度：大于3000K

熱流：大于100kW/m2

禁止進入區

較高

距離帶電暴露區一定距離

警示標志、禁止無關人員和設備進入

電位梯度：小于1.5kV/cm

電導：小于0.1S/m

電流密度：小于10A/cm2

溫度：小于3000K

熱流：小于100kW/m2

限制接近區

較低

距離帶電暴露區一定距離

警示標志、限制無關人員和設備接近

電位梯度：小于0.5kV/cm

電導：小于0.01S/m2

電流密度：小于1A/cm2

溫度：小于1000K

熱流：小于10kW/m2

管制接近區

最低

距離帶電暴露區一定距離

警示標志、管制無關人員和設備接近

電位梯度：小于0.1kV/cm

電導：小于0.001S/m2

電流密度：小于0.1A/cm2

溫度：小于500K

熱流：小于1kW/m2

電弧保護區

可忽略

距離帶電暴露區一定距離

電弧檢測和預警設備、消弧裝置

電位梯度：小于0.01kV/cm

電導：小于0.0001S/m2

電流密度：小于0.01A/cm2

溫度：小于300K

熱流：小于0.1kW/m2

3.3配網不停電作業電弧防護的技術

為了有效地防護配網不停電作業電弧傷害，作業人員需要使用合格的絕緣、遮蔽、隔離和消弧設備和工具。例如：可以增加絕緣層，防止電流通過人體或設備，造成觸電或電弧。在條件允許的情況下，也可以在帶電部分和作業人員之間設置遮蔽物，防止電弧的熱輻射和機械沖擊，造成灼傷或傷害。隔離技術也是較為常用的方案之一，其需要在帶電部分和作業人員之間設置隔離裝置，防止電弧的電磁干擾和聲壓波，造成干擾或影響[7]。該技術需要在電弧發生時，采用消弧裝置或方法，迅速切斷電弧電路，熄滅電弧，減少電弧的持續時間和危害程度。

4配網不停電作業電弧防護效果和優化方向

4.1防護效果

在某地區的配網不停電作業中，作業人員按照電弧防護的原則和目標，劃分了不同的防護區域，并采取了相應的防護措施，如使用絕緣、遮蔽、隔離和消弧設備和工具，穿戴個人防護用具，遵守作業規程和安全措施，安裝電弧檢測和預警設備等。通過這些措施，有效地降低了電弧發生的概率，減少了電弧對人體和設備的傷害程度。根據統計，該地區的配網不停電作業電弧發生率和傷害率分別比全國平均水平降低了30%和50%，達到了較好的防護效果。該案例表明，配網不停電作業電弧防護是可行的，也是必要的，對提高配網不停電作業的安全水平和質量具有重要意義。

4.2優化方向

為了進一步提高配網不停電作業電弧防護的技術水平和質量，未來應當積極安裝高靈敏度的電弧檢測器和聲光報警器，實時監測作業現場的電弧發生情況，及時向作業人員發出預警信號，提高作業人員的應急反應能力，減少電弧對人員和設備的傷害。另外，也需要針對電弧防護用具進行改進和創新。例如：通過采用新型的絕緣、遮蔽、隔離和消弧材料和工具，提高電弧防護用具的防護能力和使用壽命，降低電弧防護用具的重量和體積，增加電弧防護用具的舒適性和便攜性。除此之外，也需要重視電弧防護標準和規范的完善和更新。結合配網不停電作業的實際情況，制定和更新適合本地區的電弧防護標準和規范，明確電弧防護的技術要求、管理要求和培訓要求，規范電弧防護的作業流程和安全措施。

5結語

配網不停電作業電弧防護是電力系統安全可靠運行的重要保障，也是配網不停電作業的核心內容。研究提出了配網不停電作業電弧防護的目標、區域、技術、效果和優化方向等方面的建議和措施，為配網不停電作業的安全水平和質量的提高提供了參考和借鑒。

參考文獻

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[5]夏震，王建，汪篤紅，等.配網不停電作業絕緣降溫防護設備研究進展[J].電力與能源，2022，43（3）：203-206，235.

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[7]張冬，謝世朋.配網不停電作業全流程安全監測與預警系統[J].計算機技術與發展，2022，32（5）：176-181.