李智琦,劉 眾,張 巍,周晨夢,吳 靜,羅日成
(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 常德供電分公司,湖南 常德 415000;2.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,長沙 410114;3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 長沙供電分公司,長沙 410007;4.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 直流運(yùn)檢公司,湖北 宜昌 443001,5.國網(wǎng)湖南省電力公司 檢修公司,長沙 410015)
為保障超/特高壓輸電線路持續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,常需對輸電線路進(jìn)行帶電維修和檢查[1]。當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)入等電位點(diǎn)進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí),作業(yè)人員需穿戴屏蔽服,并按照一定路徑進(jìn)入電場,再通過手持電位轉(zhuǎn)移棒接觸運(yùn)行線路,從而使作業(yè)人員的人體電位與運(yùn)行線路形成等電位,該過程即為電位轉(zhuǎn)移過程?!?00 kV特高壓直流輸電線路帶電體周圍電場強(qiáng)度(以下簡稱場強(qiáng))高,進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí),作業(yè)人員與導(dǎo)線間將產(chǎn)生放電現(xiàn)象[1]。電位轉(zhuǎn)移過程主要分為轉(zhuǎn)移前以及轉(zhuǎn)移后兩個(gè)階段,即在±800 kV線路帶電作業(yè)時(shí),當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)入電場與導(dǎo)線間的距離達(dá)到一定范圍時(shí),因局部場強(qiáng)過大導(dǎo)致導(dǎo)電手套或電位轉(zhuǎn)移棒尖端形成放電電流,該過程為轉(zhuǎn)移前階段的流注放電;穿戴屏蔽服的作業(yè)人員通過導(dǎo)電手套或者電位轉(zhuǎn)移棒等專業(yè)工具接觸極導(dǎo)線時(shí),因作業(yè)人員與導(dǎo)線之間分布電容儲存的電荷會發(fā)生放電而產(chǎn)生的電流,稱為轉(zhuǎn)移后階段的電位轉(zhuǎn)移電流。如果帶電作業(yè)的安全防護(hù)措施考慮不周,電位轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生的放電電流和暫態(tài)能量極有可能威脅到作業(yè)人員的人身安全和輸電線路的運(yùn)行安全[2]。
近年來,已有較多針對±800 kV輸電線路帶電作業(yè)的研究。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用有限元仿真軟件建立了±800 kV帶電作業(yè)的等比例模型,分析了電位轉(zhuǎn)移過程中典型位置的人體體表場強(qiáng)值,并提出了應(yīng)采取的屏蔽措施。文獻(xiàn)[1][4][5]研究了±800 kV輸電線路帶電作業(yè)技術(shù)參數(shù)、人員安全防護(hù)、工器具的研制及標(biāo)準(zhǔn)的制定,對電位轉(zhuǎn)移過程中的電位轉(zhuǎn)移電流進(jìn)行了測量,同時(shí)運(yùn)用電磁計(jì)算軟件建立并計(jì)算了轉(zhuǎn)移電流值。文獻(xiàn)[6][7]建立了±800 kV帶電作業(yè)三維有限元模型,在計(jì)算了典型工作位置人體體表場強(qiáng)的同時(shí),利用電磁分析軟件對轉(zhuǎn)移過程中的電流進(jìn)行了分析。上述研究成果研究了帶電作業(yè)過程典型位置處的人體體表場強(qiáng),分析了電位轉(zhuǎn)移過程后階段的轉(zhuǎn)移電流而并未提及前期流注放電過程。對于特高壓直流電位轉(zhuǎn)移沒有明確的作業(yè)規(guī)范,不能全面評估電位轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn),更難以確保進(jìn)出等電位作業(yè)人員的安全。
為更加全面地評估電位轉(zhuǎn)移的安全性,需要系統(tǒng)地對電位轉(zhuǎn)移過程中人體與導(dǎo)線、人體與大地之間的電場特性加以研究。本文綜合分析了±800 kV帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移過程,針對電位轉(zhuǎn)移過程前后兩個(gè)階段建立了等效模型,即模型分為兩個(gè)部分:一個(gè)為電位轉(zhuǎn)移前階段流注放電過程,考慮到局部放電的過程,搭建流注放電模型,計(jì)算該放電過程中的流注發(fā)展場強(qiáng)變化、電流密度,并總結(jié)其變化規(guī)律;另一個(gè)為將轉(zhuǎn)移后階段等效為三導(dǎo)體系統(tǒng),搭建出暫態(tài)響應(yīng)計(jì)算模型,計(jì)算該過程的電位分布和轉(zhuǎn)移電流變化情況。最終分析不同轉(zhuǎn)移距離下人體電位、放電電流以及放電能量確定了安全防護(hù)重點(diǎn),以降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),為保障作業(yè)人員的生命安全及輸電線路帶電作業(yè)的順利開展提供了一定的理論參考。
為分析帶電作業(yè)的電位轉(zhuǎn)移前的放電特性,首先建立流注放電模型,計(jì)算并分析電位轉(zhuǎn)移距離為0.3 m的放電特性。由于目前還未有特高壓直流輸電線路電位轉(zhuǎn)移放電特性相關(guān)試驗(yàn)研究,因此本文將研究結(jié)果與已有的大氣壓下流注放電的理論和結(jié)果進(jìn)行對比分析。
帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移的放電幾何模型是由人員手持的電位轉(zhuǎn)移棒和分裂導(dǎo)線構(gòu)成。在分析放電過程中,綜合考慮計(jì)算的有效性,通常將分裂導(dǎo)線用等效半徑導(dǎo)線代替,可近似為板模型,電位轉(zhuǎn)移棒近似為棒模型,其放電過程可用棒-板結(jié)構(gòu)的放電過程解釋。本文采用的放電模型幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖1(a)是棒-板間隙放電的整體模型效果圖,其中A為棒極,B為板極。由于仿真模型具有二維軸對稱性,為減少網(wǎng)格劃分并提高運(yùn)算速度,計(jì)算區(qū)域選取圖1(a)中的虛線框abcd區(qū)域,如圖1(b)所示,B4為對稱軸。其中,棒電極的長度為0.4 m,直徑4 mm,棒頭為半圓,曲率半徑為1 mm??諝忾g隙的長度可以根據(jù)要求在0.3~0.6 m之間進(jìn)行變動(dòng)。
電位轉(zhuǎn)移放電過程的流體力學(xué)模型由電子、正負(fù)離子的連續(xù)性方程(1)—(3)和電場的泊松方程(4)構(gòu)成[8-9]:
(1)
(2)
(3)
ε2φ=-q(np-ne-nn),E=-φ.
(4)
式中:下標(biāo)e,p,n分別表示電子、正離子和負(fù)離子;ne,np,nn分別為每立方米電子、正離子和負(fù)離子的數(shù)量;μ表示遷移率,m2/Vs;D表示擴(kuò)散系數(shù),m2/s;E表示電場強(qiáng)度,V/m;t表時(shí)間;ε表示空氣介電常數(shù);φ表示電位,V;q表示單位電荷量,C;源項(xiàng)主要考慮電子碰撞電離速率Rion=αneueE;電子與空氣中帶電負(fù)性分子之間附著速率Ratt=ηneueE;電子從負(fù)離子分離速率Rdet=kdetnenn;電子與正離子復(fù)合速率Rep=βepnenp;正負(fù)離子復(fù)合速率Rpn=βpnnpnn。在以上表達(dá)式中輸運(yùn)參數(shù)α為電子碰撞電離系數(shù),m-1;η電子的附著系數(shù),m-1;βep電子與正離子的復(fù)合系數(shù),m3/s;βpn正負(fù)離子復(fù)合系數(shù),m3/s。
在一定條件下流注發(fā)展的快慢會對間隙中整體電弧放電發(fā)展過程產(chǎn)生影響。在0.3 m轉(zhuǎn)移距離下進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí),前期的流注放電階段沿著軸線的電場分布如圖2所示。圖2中軸向距離0 m處為板極,0.3 m處為棒極。隨著流注放電的繼續(xù)發(fā)展,流注頭部的電場強(qiáng)度減小,當(dāng)放電時(shí)間為40 ns時(shí),流注頭部最大電場強(qiáng)度稍微上升,即流注頭部幾乎到達(dá)板極,此時(shí)可近似認(rèn)為流注貫穿整個(gè)放電間隙并且流注頭部最大電場強(qiáng)度為1.67×106V/m。
不同時(shí)刻下棒極表面的電流密度如圖3所示,橫坐標(biāo)0 m為棒極軸線處。由圖3可知電流密度隨著時(shí)間的增加而增大,軸線處的電流密度最大并沿著電極表面向外逐漸減小,這是因?yàn)檩S線處的場強(qiáng)最大并沿著電極表面向外逐漸減小。模型計(jì)算的電流密度趨勢與文獻(xiàn)[10]大氣壓下空氣放電研究結(jié)果基本一致。根據(jù)棒極電流密度計(jì)算可得到0.3 m的作業(yè)間隙平均放電電流為17.9 mA。
電位轉(zhuǎn)移過程中存在兩種放電電流:其一是電位轉(zhuǎn)移前的局部放電電流,其值一般較小,即流注放電電流,該流注放電過程已在上一章節(jié)做了具體分析;其二是作業(yè)人員由中間電位轉(zhuǎn)移至等電位的暫態(tài)過程中,電容儲存的電荷放電產(chǎn)生了脈沖電流,即轉(zhuǎn)移電流。為了分析電位轉(zhuǎn)移后階段電容暫態(tài)放電過程,本節(jié)采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)分析軟件建立了暫態(tài)響應(yīng)等效數(shù)學(xué)模型,計(jì)算并分析了轉(zhuǎn)移距離為0.3 m時(shí)作業(yè)人員的人體電位和脈沖電流的變化規(guī)律。
帶電作業(yè)人員按照指定路徑進(jìn)入電位轉(zhuǎn)移的作業(yè)位置點(diǎn),此時(shí)作業(yè)人員位于導(dǎo)線和桿塔之間,即為懸浮電位狀態(tài),其平面位置示意圖如圖4所示。此時(shí)作業(yè)人員、導(dǎo)線以及鐵塔構(gòu)成了一個(gè)三導(dǎo)體系統(tǒng),已有研究表明此三導(dǎo)體系統(tǒng)間的空氣隙間可等效為空間電容,其電容值與間隙的距離有關(guān)[11-12]。
作業(yè)人員進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移瞬間的等效電路圖如圖5所示,圖5中C1表示人與導(dǎo)線間等效電容;C2表示人體對桿塔、大地之間的等效電容;C3表示導(dǎo)線對大地的等效電容;R1表示人體和導(dǎo)線間的絕緣電阻;R2表示人體和桿塔之間的絕緣電阻,R3表示導(dǎo)線和大地之間的電阻,且R2?R1,R1+R2≈R3(忽略人體短接部分的絕緣電阻)。根據(jù)文獻(xiàn)[5],給出R1和R2的數(shù)值分別取500 kΩ和2 GΩ。
在電位轉(zhuǎn)移后期暫態(tài)響應(yīng)過程中,作業(yè)人員的懸浮電位V1取決于電容大小,而在等電位后穩(wěn)態(tài)時(shí)作業(yè)人員的電位取決于絕緣電阻大小,其表達(dá)式如式(5)(6)所示,式中U3為線路的工作電壓[13],即本文為±800 kV。
(5)
(6)
作業(yè)人員由轉(zhuǎn)移棒進(jìn)入等電位點(diǎn)瞬間等效為圖5中開關(guān)S閉合時(shí)的情況,該過程是由人體與極導(dǎo)線間等效電容所儲能的電荷放電產(chǎn)生了轉(zhuǎn)移電流,因此在計(jì)算電位轉(zhuǎn)移中人體電位以及轉(zhuǎn)移電流大小的關(guān)鍵是計(jì)算等效電容值。本文采用三導(dǎo)體系統(tǒng)的等效集總電容求解,圖6中導(dǎo)線的自電容為C11;人體的自電容為C22;導(dǎo)線和人體之間的互電容分別為C12,C21;U1和U2分別表示導(dǎo)線、人體的電壓降。假設(shè)系統(tǒng)集總電容矩陣表示為CJ=[C11C12C21C22],即感應(yīng)電荷Q1和Q2可用集總電容與電壓降表示為:
Q1=(C11+C12)U1-C12U2,
(7)
Q2=(C12+C22)U2-C12U1.
(8)
以復(fù)豐線路直線塔為例,對作業(yè)人員與導(dǎo)線間的距離(即轉(zhuǎn)移距離為0.3~0.6 m的情況下)進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移暫態(tài)響應(yīng)過程研究,忽略導(dǎo)線和大地間電容C3產(chǎn)生的影響。極導(dǎo)線對地電位為800 kV,采用Ansoft軟件可計(jì)算出的作業(yè)人員采用吊籃法作業(yè)方式進(jìn)入電場后轉(zhuǎn)移距離為0.3~0.6 m時(shí)的人體周圍的電位分布。通過人體電位大小可求得各個(gè)轉(zhuǎn)移距離下的導(dǎo)體間電容見表1,由表1中數(shù)據(jù)可知,隨著轉(zhuǎn)移距離的增大,C1遞減而C2增加,符合電容的基本定義。本研究所使用的轉(zhuǎn)移棒是由銅質(zhì)材料制成,其自阻可忽略不計(jì),根據(jù)文獻(xiàn)[2][5]的研究結(jié)果,本文取電感為0.01 mH和接觸電阻為100 Ω。
表1 不同轉(zhuǎn)移距離時(shí)間隙電容
作業(yè)人員在到達(dá)指點(diǎn)轉(zhuǎn)移位置過程中人體是處于懸浮電位的,當(dāng)準(zhǔn)備進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí)周圍會產(chǎn)生電暈放電、弧光放電等現(xiàn)象,這些局部放電不僅會給等效電路圖5中的電容C1放電和C2充電提供一個(gè)通道,還會改變極導(dǎo)線與人之間的電壓特性。作業(yè)人員在轉(zhuǎn)移距離為0.3 m處采用轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí),根據(jù)模型可計(jì)算得到人體電位變化情況如圖7所示,可見在電位轉(zhuǎn)移過程中人體電位呈現(xiàn)振蕩式變化,大約經(jīng)過1 μs的振蕩時(shí)間后與極導(dǎo)線電位保持一致,實(shí)現(xiàn)等電位。
作業(yè)人員在與極導(dǎo)線間轉(zhuǎn)移距離為0.3 m處進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移后的轉(zhuǎn)移電流計(jì)算結(jié)果如圖8所示,電流波形呈脈沖式變化,隨著時(shí)間變化振蕩衰減為零,該過程衰減時(shí)間極短,大約為1 μs,電流最大為301.07 A。其電流形態(tài)變化與文獻(xiàn)[5]中試驗(yàn)實(shí)測的結(jié)果相符。
本節(jié)對0.3~0.6 m范圍內(nèi)進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí)人體電位和放電電流的變化情況進(jìn)行分析。
不同轉(zhuǎn)移距離下作業(yè)人員采用轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移后人體電位的變化情況如圖9所示,作業(yè)人員與極導(dǎo)線之間的電位差如圖10所示。由圖9與圖10可見,在該電位轉(zhuǎn)移過程中各轉(zhuǎn)移距離下人體電位均呈現(xiàn)振蕩式變化,都大約經(jīng)過1 μs的振蕩時(shí)間后作業(yè)人員的人體電位逐漸達(dá)到極導(dǎo)線的電位值,最終實(shí)現(xiàn)等電位;但作業(yè)人員與導(dǎo)線之間的電位差隨著轉(zhuǎn)移距離減小而增大,轉(zhuǎn)移距離為0.6 m時(shí)電位差最大,該值大約為160 kV。由此可見不同轉(zhuǎn)移距離對人體電位幅值有明顯的影響而對實(shí)現(xiàn)等電位速率的影響并不明顯。
在電位轉(zhuǎn)移前階段流注放電過程中,不同轉(zhuǎn)移距離下流注放電貫穿時(shí)帶電作業(yè)人員與導(dǎo)線之間形成等離子通道,此時(shí)放電電流密度如表2所示。可見隨著轉(zhuǎn)移距離增大,電流密度逐漸減小,這是因?yàn)樵诳諝夥烹娺^程中作業(yè)人員與導(dǎo)線之間產(chǎn)生放電電流主要是由電子和正離子的定向移動(dòng)形成的,當(dāng)放電距離增大后,發(fā)生碰撞電離次數(shù)增多,電子頭部的半徑增大,電子的移動(dòng)速度減小,因此放電電流會隨著轉(zhuǎn)移距離的增大而減小。又因?yàn)樵诿娣e不變情況下放電電流與放電電流密度成正比,所以隨著轉(zhuǎn)移距離增大,電流密度逐漸減小。
表2 不同距離下電流密度大小
根據(jù)轉(zhuǎn)移前流注放電過程電流密度大小可以計(jì)算出當(dāng)轉(zhuǎn)移距離分別為0.3 m,0.4 m,0.5 m,0.6 m時(shí)對應(yīng)的放電電流大小為17.9 mA,14.7 mA,9.04 mA,5.08 mA,即隨著轉(zhuǎn)移距離的增加,放電電流減小。目前還未有對該帶電作業(yè)放電電流的試驗(yàn)測量,因此參考關(guān)于直流輸電線路電暈電流放電相關(guān)文獻(xiàn)的電流測量結(jié)果均為毫安級別,即本文放電電流結(jié)果與其量級相符合[14]。
在電位轉(zhuǎn)移后階段暫態(tài)響應(yīng)過程中,不同轉(zhuǎn)移距離下轉(zhuǎn)移電流變化情況如圖11所示。即當(dāng)轉(zhuǎn)移距離分別為0.3 m,0.4 m,0.5 m及0.6 m時(shí),與之對應(yīng)的電位轉(zhuǎn)移電流幅值分別為301.07 A,313.02 A,326.08 A和334.95 A。由圖11顯而易見的是轉(zhuǎn)移電流大小隨著轉(zhuǎn)移距離的增加而增大。參照電工學(xué)基本原理,進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí),作業(yè)人員與導(dǎo)線距離越遠(yuǎn),該“拉弧”過程所產(chǎn)生的脈沖電流就會越大。可見以上所得結(jié)果符合電工學(xué)基本原理[2]。
通過放電電流和電位轉(zhuǎn)移電流變化規(guī)律可知電位轉(zhuǎn)移距離越大時(shí)轉(zhuǎn)移電流就越大,對作業(yè)人員的人身安全是不利的;轉(zhuǎn)移距離越小時(shí)放電電流會更大,極容易造成弧光放電,這對作業(yè)也是不利的。因此電位轉(zhuǎn)移過程中存在一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)移距離。
電位轉(zhuǎn)移過程中的間隙放電伴隨著能量的釋放,釋放的能量大小是作業(yè)人員人身安全的一個(gè)重要評價(jià)因素,過高的能量可能燒蝕作業(yè)人員佩戴的導(dǎo)電手套或屏蔽服[2]。適用于帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移過程中放電系統(tǒng)產(chǎn)生的能量計(jì)算公式可用式(10)得出:
(9)
(10)
式中,J(t)為棒極表面電流密度;S為棒極表面有效面積;i(t)為流入棒極的電流,與棒極表面的電流密度有關(guān);r為軸對稱模型中柱坐標(biāo)r分量;u為棒極和板極間的電勢差。
電位轉(zhuǎn)移點(diǎn)距離輸電導(dǎo)線的位置不同,產(chǎn)生的脈沖電流和暫態(tài)能量的大小也不同。電位轉(zhuǎn)移距離的選取一般視綜合情況而定,通常取0.4~0.5 m[5]。本文計(jì)算了0.3~0.6 m不同轉(zhuǎn)移距離下的能量大小,計(jì)算結(jié)果如表3所示。
表3 不同轉(zhuǎn)移距離下的能量
當(dāng)電位轉(zhuǎn)移時(shí)作用于導(dǎo)電手套的暫態(tài)能量達(dá)到1.0 J,導(dǎo)電手套可能會被燒蝕,轉(zhuǎn)移電流由此流入人體,會危害作業(yè)人員的生命安全[2]。由表2可知,本模型計(jì)算得到的不同轉(zhuǎn)移距離下釋放的能量均約為1.0 J,隨著轉(zhuǎn)移距離的增大,釋放的能量有所增加。當(dāng)轉(zhuǎn)移距離大于0.5 m時(shí),轉(zhuǎn)移能量已高于1.0 J。由于轉(zhuǎn)移距離的增加,間隙間的電勢差增大,因此計(jì)算得到的能量越高。而流注放電貫穿間隙時(shí),轉(zhuǎn)移至等電位過程仍未完全完成,轉(zhuǎn)移能量勢必增加,可能會大于表2中的能量值。
在電位轉(zhuǎn)移過程中,手持電位轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí),放電發(fā)展形成的弧根在轉(zhuǎn)移棒上,避免了導(dǎo)電手套被燒蝕。因此,為防止導(dǎo)電手套被燒蝕,在±800 kV輸電線路上進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí),作業(yè)人員宜持電位轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移。
文章采用數(shù)值計(jì)算方法對±800 kV特高壓輸電線路帶電作業(yè)時(shí),作業(yè)人員電位轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,得到以下結(jié)論。
1)在電位轉(zhuǎn)移前期的放電過程中,隨著流注放電發(fā)展,流注頭部場強(qiáng)逐漸降低,即將貫穿間隙時(shí)流注頭部場強(qiáng)稍微增大;轉(zhuǎn)移棒端放電電流密度隨著時(shí)間的增加而增大。
2)在電位轉(zhuǎn)移后期的暫態(tài)響應(yīng)過程中,電流電壓變化都呈振蕩式的衰減,轉(zhuǎn)移后電壓電流振蕩衰減時(shí)間均約為1 μs。
3)作業(yè)人員的人體電位隨著轉(zhuǎn)移距離的減小而增大,其波形均呈現(xiàn)振蕩式變化,大約經(jīng)過1 μs的振蕩時(shí)間后實(shí)現(xiàn)等電位;轉(zhuǎn)移距離對人體電位幅值的影響較為明顯而對實(shí)現(xiàn)等電位速率的影響并不明顯。
4)電位轉(zhuǎn)移前的放電電流隨著轉(zhuǎn)移距離的減小而增大,但電位轉(zhuǎn)移后的轉(zhuǎn)移電流隨著轉(zhuǎn)移距離的增大而增大,因此作業(yè)人員進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移過程存在一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)移距離。
5)在距離輸電導(dǎo)線水平距離0.3~0.6 m處進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí),轉(zhuǎn)移暫態(tài)能量隨著轉(zhuǎn)移距離的增大而增加;±800 kV直流輸電線路帶電作業(yè)時(shí)宜使用電位轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移。