張志峰，王永豪

（國網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030032）

0 引言

2011年2月2 8日，由我國自主設(shè)計、建造的世界首條±660 kV銀東直流輸電線路雙極投入滿負荷運行。根據(jù)投運以來銀東線的停電情況，每年停電時間6 d左右，達到144 h，輸電量減少5.76×108 kW·h，每度電價格收入按照0.2元估算，將減少1.15億元，并且停電甩負荷過程對設(shè)備的沖擊也較大，影響設(shè)備的使用壽命。由此可見，進行帶電作業(yè)在提高供電的可靠性、減少停電造成的損失、提高經(jīng)濟效益、保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行等發(fā)揮著舉足輕重的作用。

1 帶電作業(yè)的基礎(chǔ)研究

帶電作業(yè)是指在高壓電力設(shè)備上不停電進行檢修、測試的一種作業(yè)方法。±660 kV直流超高壓輸電線路較一般超高壓線路而言，具有運行電壓更高，場強更大，桿塔尺寸大，絕緣子片數(shù)更多，輸送容量大，一直滿負荷運行，線路走廊區(qū)域復(fù)雜的特點。另外，其導(dǎo)線型號、線路塔型、絕緣子長度、作業(yè)位置都與一般超高壓線路有根本性的差異，因此，需要針對±660 kV直流超高壓輸電線路開展帶電作業(yè)安全性及可行性研究。

1.1 帶電作業(yè)的絕緣配合

根據(jù)帶電作業(yè)絕緣配合導(dǎo)則的規(guī)定，220 kV及以下電壓等級的帶電作業(yè)絕緣配合采用慣用法，330 kV及以上電壓等級的帶電作業(yè)絕緣配合采用統(tǒng)計法。±660 kV銀東直流輸電線路雙極運行方式下有直流極對地短路和逆變站甩負荷產(chǎn)生的過電壓，其中最大過電壓出現(xiàn)情況是當線路中點一極發(fā)生接地故障時，在健全極上產(chǎn)生的過電壓[1]。從安全角度考慮，直流線路帶電作業(yè)絕緣配合應(yīng)該采用簡化統(tǒng)計法根據(jù)直流線路最大操作過電壓進行研究。根據(jù)運行情況，當接地電阻取5Ω，運行電壓按照最高運行電壓±680 kV選取，那么當發(fā)生單極接地故障時，離線路中點±10 km范圍內(nèi)操作過電壓的標幺值為1.75，±10 km范圍外過電壓的標幺值為1.62[2]，銀東線全線長約1 333.257 km，從安全與經(jīng)濟方面考慮，可以根據(jù)操作過電壓的標幺值為1.75來分析確定電氣間隙。

1.2 帶電作業(yè)的安全距離研究

帶電作業(yè)安全距離指的是為了保證人身安全，作業(yè)人員與帶電體之間所應(yīng)保持各種最小空氣間隙距離的總稱。包括最小間隙距離和工作人員允許的活動范圍，分為最小安全距離、最小相間安全距離、最小對地安全距離、最小安全作業(yè)距離、最小組合間隙距離。要確定帶電作業(yè)安全距離，就應(yīng)該從影響電氣間隙的因素著手，需要考慮海拔高度、桿塔結(jié)構(gòu)、電壓極性、放電間隙外形等，其中，間隙的外形影響較為顯著。帶電作業(yè)過程中由于工作位置及桿塔結(jié)構(gòu)的變化會產(chǎn)生各種不同的間隙類型。根據(jù)銀東線的桿塔特點，直線塔以銀東線1415號為例，耐張塔以銀東線1419號為例確定以下兩種典型情況，即圖1所示的直線塔帶電作業(yè)模型，圖2所示的耐張塔帶電作業(yè)模型。

圖1 直線塔帶電作業(yè)模型

圖2 耐張塔帶電作業(yè)模型

如圖1所示，模型中包括：位置1為側(cè)面塔身地電位工作人員與極導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，間隙距離S1；位置2為導(dǎo)線上方橫擔處地電位工作人員與極導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，間隙距離S2；位置3為等電位工作人員分別與側(cè)面塔身、上方橫擔的組成結(jié)構(gòu)，間隙距離分別為S1，S2；如圖2所示位置4為耐張塔導(dǎo)線掛點附近地電位，分析人員與其下方引流線間的間隙距離；位置5為耐張串中處于中間電位工作點，主要考慮組合間隙；位置6為耐張塔等電位工作點，分析工作人員與塔材間最近距離。不論直線塔還是耐張塔，工作人員在進入等電位的過程中都會產(chǎn)生組合間隙，需要根據(jù)實際情況進行分析。

針對±660 kV直流超高壓試驗示范工程，國網(wǎng)武漢高壓研究所已經(jīng)進行了大量試驗研究工作，初步提出了±660 kV直流超高壓輸電線路的帶電作業(yè)安全距離[3]。前已敘及±660 kV直流輸電線路帶電作業(yè)出現(xiàn)的最大操作過電壓標幺值為1.75，基于此結(jié)論可以初步確定桿塔空氣間隙見表1。

表1 各種典型模型對應(yīng)的最小安全距離m

耐張塔作業(yè)人員沿著絕緣子串進入電場或者處于中電位更換絕緣子情況下，當海拔在1 000 m以下時，考慮由人體短接和低零值絕緣子后，良好的絕緣子應(yīng)該保證總長度不低于4.7 m。結(jié)合銀東線實際情況，本線路采用的瓷質(zhì)絕緣子的公稱結(jié)構(gòu)高度為0.24 m，則良好絕緣子片數(shù)應(yīng)大于20片，當海拔高于1 000 m時，需要相應(yīng)增加，應(yīng)不小于22片。±660 kV直流輸電線路的耐張塔絕緣子串片數(shù)平均在65片，能夠保證帶電作業(yè)的安全。

2 帶電作業(yè)人員的安全防護

由于±660 kV直流輸電線路場強較大，為保證作業(yè)人員安全，需要對其電磁環(huán)境進行分析。

2.1 電流的防護

當作業(yè)人員的人體被串接于閉合電路中，就會通過電流，大小為I=U/Zt，Zt為人體總阻抗，包括皮膚阻抗和內(nèi)阻抗，其中內(nèi)阻抗為阻性，皮膚阻抗為阻容網(wǎng)絡(luò)，隨電壓、頻率、電流持續(xù)時間、接觸壓力、接觸面積、皮膚溫度和濕度變化而變化，人體阻抗因人而異，一般按1 000Ω計算。電擊對人體造成損傷主要是流經(jīng)人體的電流大小，分為暫態(tài)電擊和穩(wěn)態(tài)電擊，穩(wěn)態(tài)電擊時，人體生理反應(yīng)分為感知、震驚、擺脫、呼吸痙攣和心室纖維性顫動。在產(chǎn)生感知反應(yīng)條件下，男性的電流閾值為1.1 mA，女性為0.8 mA。而心室纖維性顫動是造成人身死亡的根本原因，男、女性產(chǎn)生心室纖維性顫動生理反應(yīng)時的電流閾值均為100 mA[4]，綜合考慮，我國規(guī)定人體的電流安全限值為1 mA。

2.2 電場的防護

帶電作業(yè)人員在進行帶電作業(yè)過程中，隨著到達工作位置路徑的變化，體表的電場強度在逐漸變化；同時由于身體部位不同，體表場強也不同，身體的某些尖端部位場強較高，比如鼻尖、頭部、手腳指等，因此需要以這些部位為基礎(chǔ)，結(jié)合最高場強出現(xiàn)的工況進行具體分析。在建立的典型模型的基礎(chǔ)上，地電位條件下，當作業(yè)位置處于導(dǎo)線正上方的地電位中，體表場強較大；而等電位條件下，體表場強達到最大。對于交流電場，我國已經(jīng)有了深入研究，因為當交流電場強度高于240 kV/m時，人體皮膚會開始感知，出現(xiàn)不適，我國標準規(guī)定交流線路的帶電作業(yè)需要將電場強度控制在240 kV/m以內(nèi)，屏蔽服內(nèi)部場強控制在15 kV/m以內(nèi)。直流線路產(chǎn)生的是合成電場，這是與交流線路的根本區(qū)別。合成電場強度的計算需要利用Deutecsh假設(shè)，根據(jù)逐步鏡像法計算出的標稱場強值繪制電場線，然后通過電場線積分法求出合成場強[5]，根據(jù)計算結(jié)果可知，雙極運行方式下，合成場強分布關(guān)于線路中心對稱。當走廊寬度68 m邊緣處的地面合成場強將小于15 kV/m[6]。根據(jù)±660 kV直流輸電線路實際情況測量結(jié)果顯示，手部場強比其他部位更高，在場強最高的條件下將超過500 kV/m，遠遠超過了人體感知水平，必須采取屏蔽措施，但是當直流電場與交流電場的電場值相等時，人體對交流電場的感知更敏感。因此，從安全角度考慮，帶電作業(yè)人員的場強限定值的標準，直流可以采用交流的規(guī)定。

2.3 離子流的防護

由于直流輸電線路雙極運行中在空間會產(chǎn)生定向的電場，離子流是空間電荷在直流線路附近電場中定向移動形成的。這是直流線路的特殊之處，帶電作業(yè)范圍內(nèi)離子流的研究和防護也是重點。離子流的計算要用弦截迭代法根據(jù)合成場強的計算值獲得。根據(jù)計算結(jié)果可知，雙極運行方式下，離子流分布關(guān)于線路中心對稱。當走廊寬度68 m時，邊緣處的地面離子流密度遠小于100 nA/m2。導(dǎo)線下方離子流密度將控制在100 nA/m2以內(nèi)[5]。同樣，人體對直流電流的感知要低于對交流電流的感知，帶電作業(yè)標準中規(guī)定了屏蔽服內(nèi)長期通過人體的電流不得大于50μA，從安全角度考慮，這一規(guī)定也可以作為直流帶電作業(yè)參考。

3 作業(yè)人員的防護用具

通過對直流輸電線路周圍的合成場強及離子流環(huán)境的分析可知，要保證±660 kV直流線路帶電作業(yè)人員的體表場強及流過人體電流值處于安全范圍內(nèi)，必須采用屏蔽服。從我國現(xiàn)有的屏蔽服來看，±500 kV及以下電壓等級使用的屏蔽服沒有面部保護，已經(jīng)不能適應(yīng)±660 kV直流線路帶電作業(yè)要求，隨著大家對特高壓線路及直流線路的研究，目前國網(wǎng)電力科學研究院已經(jīng)研發(fā)出±660 kV直流線路專用屏蔽服[3]，為±660 kV直流輸電線路帶電作業(yè)提供了保證。

3.1 屏蔽服

屏蔽服使處于等電位中的工作人員體表形成等電位屏蔽面，成套的屏蔽服包括帽子、上衣、褲子、襪子、手套、鞋及其相應(yīng)的連接線和連接頭。通過對±660 kV直流線路的合成電場及離子流等電磁環(huán)境研究，再利用三維有限元法計算工作人員體表的電場分布及強度可知，當人員處于地電位及進入電場過程中時，其體表的場強一般低于200 kV/m，而當人員進入等電位后，處于分裂導(dǎo)線外的頭部、手部等尖端部位場強一般為450～800 kV/m?！?60 kV直流線路帶電作業(yè)用的屏蔽服需要加裝屏蔽面罩，從人對直流的感知度小于交流方面考慮，將我國標準規(guī)定的交流屏蔽服參數(shù)運用于直流線路，更符合安全要求。適用于±660 kV直流輸電線路屏蔽服的主要參數(shù)：屏蔽服內(nèi)體表場強不大于15 kV/m，面罩的內(nèi)部最大場強不大于240 kV/m，屏蔽效率要保證不小于40 dB，整套屏蔽服最遠端間電阻不得高于20Ω，流經(jīng)工作人員的電流不大于50μA，屏蔽服衣料熔斷電流應(yīng)高于5 A，且任何部位溫度控制在50℃之內(nèi)[7]。

3.2 電位轉(zhuǎn)移棒

當工作人員即將進入電場時，隨著電位轉(zhuǎn)移，電弧可能會威脅工作人員的安全。在帶電作業(yè)過程中，將電位轉(zhuǎn)移棒連接在屏蔽服上，當與帶電體距離達到0.5 m左右時，將電位轉(zhuǎn)移棒的掛鉤部連接于導(dǎo)線，實現(xiàn)電位轉(zhuǎn)移，此時工作人員已經(jīng)處于等電位中，使得進入電場更加安全。

4 進入電場的方式分析與比較

我國的第一條±660 kV直流超高壓試驗示范工程，直線塔為“T”型，絕緣子采用“V”型連接，耐張塔為“干”字型，絕緣子采用雙聯(lián)“L”型。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)特點來進一步研究作業(yè)人員進入電場的方式。

帶電作業(yè)進入電場方式較多，銀東線直線塔為“V”型絕緣子串，方式可選擇絕緣吊籃法、絕緣軟梯法、吊椅法等。進入耐張塔可選擇絕緣軟梯法、沿絕緣子串法等。不同的方法適合不同的作業(yè)要求及條件，需要根據(jù)作業(yè)點、工作效率、安全性等綜合考慮。絕緣吊籃法需要準備工作較多，但工作人員體力消耗少，適于較長的絕緣子串。絕緣軟梯法對工作人員的體能要求高，若從橫擔下降至導(dǎo)線，人頭部與橫擔將會形成“棒—板”結(jié)構(gòu)的不均勻電場，安全度有所下降，但如果處理檔距中央缺陷，從地面沿軟梯進入電場可能更方便。絕緣滑軌吊椅法對絕緣導(dǎo)軌的剛度要求高，從目前情況來看，對于±660 kV直流線路這種結(jié)構(gòu)較大的桿塔不建議采用。耐張塔中常見的沿絕緣子進入電場方法較為簡單，但需要保證滿足標準規(guī)定的良好絕緣子片數(shù)要求。

5 作業(yè)方式的內(nèi)容和工具

依據(jù)±660 kV銀東直流線路特點，桿塔結(jié)構(gòu)尺寸較大，噸位大，檔距較長，大部分處于高海拔地區(qū)，線路走廊區(qū)域情況較為復(fù)雜，導(dǎo)線首次采用4×JL/G3A-1000/45型大截面導(dǎo)線，絕緣子較長，直線串均為復(fù)合絕緣子，長度可達9.2 m，這些變化都要求作業(yè)工器具具備更強的機械性能。

5.1 絕緣拉吊工具

隨著桿塔重量的增加，導(dǎo)線、金具型號的變化，拉吊工具不僅需要保證絕緣長度，滿足電氣要求，還需要提高荷載能力，滿足機械性能要求。對于電氣性能，用于±660 kV直流輸電線路的絕緣長度不得低于5.3 m；機械性能方面，破壞荷載需要提高到允許荷載的3倍甚至更高。

5.2 耐張絕緣子卡具

±660 kV直流超高壓輸電線路采用鋁截面達1 000 mm2的大截面導(dǎo)線，相應(yīng)的耐張塔采用U550BP/240H型的絕緣子，額定機電破壞負荷達到550 kN，那么與之配套的絕緣子卡具材料的選擇需要向質(zhì)量輕、強度高的方向發(fā)展，如鈦合金材料。生產(chǎn)工藝也要隨之進一步優(yōu)化改進，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)該融入液壓系統(tǒng)，降低帶電作業(yè)人員的工作強度。

5.3 托瓶工具

±660 kV直流超高壓輸電線路的耐張絕緣子串大多采用60片—76片550 kN瓷質(zhì)絕緣子，公稱結(jié)構(gòu)高度為0.24 m，其串長約14.4～18.24 m，加上金具最長約20 m。這種托瓶架的總長度約20 m，結(jié)構(gòu)需要考慮分段式，材料要滿足機械強度及剛度要求，應(yīng)進一步進行研究和試驗，才能滿足帶電作業(yè)的要求。

6 結(jié)論

我國在高壓、超高壓輸電線路已有50余年的帶電作業(yè)經(jīng)驗，直流輸電線路帶電作業(yè)實踐，初步試驗分析，±660 kV直流超高壓輸電線路進行帶電作業(yè)是可行的，采取必要的安全措施和作業(yè)人員防護措施，作業(yè)的安全性是能夠得到保障的?！?60 kV直流輸電線路帶電作業(yè)的安全防護和工器具還需進一步研究改進。從目前發(fā)展形勢來看，結(jié)合直流線路特點，高強度材料的研發(fā)，高海拔地區(qū)帶電作業(yè)技術(shù)研究，直升機帶電作業(yè)研究及其配套工器具的研發(fā)將是未來直流線路中努力的方向。

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[4]易輝，紀建民.1 000 kV交流特高壓輸電線路的帶電作業(yè)[J].電力設(shè)備，2006，7(7):27-29.

[5]王毅，鄧偉妮，湯濤，等.±660 kV寧東直流輸電線電磁環(huán)境特點[J]．電網(wǎng)與清潔能源,2009(12):29-32.

[6]劉洪正，劉凱，孟海磊，等.±660 kV直流輸電帶電作業(yè)安全距離的試驗研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(11):183-189.

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