潘 靜 李小春 陳天柱

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裝設(shè)輔助設(shè)備輸電線路軟梯法進(jìn)等電位電場仿真計(jì)算與分析

潘 靜1李小春2陳天柱2

（1. 國網(wǎng)安徽省電力公司，合肥 230061；2. 武漢大學(xué)，武漢 430072）

隨著近年來輸電骨干網(wǎng)架裝設(shè)輔助設(shè)備的線路數(shù)量逐步增多，常規(guī)帶電作業(yè)方法在裝設(shè)有輔助設(shè)備線路上的安全性、適用性方面的研究還比較少。為此，本文提出一套關(guān)于裝設(shè)輔助設(shè)備線路軟梯法進(jìn)等電位方法，并對作業(yè)區(qū)域內(nèi)設(shè)備進(jìn)行建模，利用諧響應(yīng)分析及有限元分析理論對進(jìn)入電場前后的空間電位、電場分布等參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明，方案中提到的等電位電工從鐵塔主材上通過絕緣軟梯從導(dǎo)線正下方，距離下方分裂導(dǎo)線0.6m時(shí)進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的進(jìn)等電位方法滿足帶電作業(yè)安全要求。

輔助設(shè)備；輸電線路；帶電作業(yè)；諧響應(yīng)分析；有限元分析；ANSYS

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對電網(wǎng)供電質(zhì)量要求越來越高。為了降低跳閘率，提高供電穩(wěn)定性，近年來輸電骨干網(wǎng)架線路安裝線路避雷器等輔助設(shè)備的數(shù)量逐步增多[1]，運(yùn)維工作中涉及安裝有輔助設(shè)備的線路桿塔的情況也越來越頻繁。由于部分輔助設(shè)備（如線路避雷器等）安裝位置靠近帶電體且體積較大，增加線路運(yùn)維檢修工作的難度，進(jìn)行相關(guān)桿塔的帶電作業(yè)中進(jìn)出等電位空間更小，受限條件更多，所以關(guān)于裝設(shè)輔助設(shè)備線路運(yùn)維工作的研究已逐漸成為電力相關(guān)單位關(guān)注的重點(diǎn)。

為充分保證輸電線路主網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行，降低停電帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)及損失，國網(wǎng)公司要求在對500kV輸電骨干網(wǎng)架線路缺陷檢修時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行“能帶不?！?；帶電檢修作業(yè)在線路運(yùn)維工作中占據(jù)的比重將越來越大。

近年來，關(guān)于輸電線路帶電作業(yè)的相關(guān)研究較多，但關(guān)于裝設(shè)輔助設(shè)備線路帶電作業(yè)的研究國內(nèi)外還涉及較少。本文在充分調(diào)研現(xiàn)有帶電作業(yè)項(xiàng)目作業(yè)指導(dǎo)書及相關(guān)安全規(guī)程的基礎(chǔ)上，選取了安裝有線路避雷器的某500kV線路桿塔為例，建模分析了等電位電工采用軟梯法進(jìn)出電場時(shí)的電位分布及場強(qiáng)變化，研究了在裝設(shè)有線路避雷器的500kV線路軟梯法進(jìn)、出電場時(shí)的安全性和可行性，提出了一套完整的裝設(shè)輔助設(shè)備線路軟梯法進(jìn)等電位方法。

1 作業(yè)方案

關(guān)于裝設(shè)輔助設(shè)備線路軟梯法進(jìn)等電位方法，以安裝有線路避雷器的某500kV輸電線路桿塔為例，本文提出作業(yè)方案如下。首先，在作業(yè)位置上方橫擔(dān)處掛設(shè)絕緣軟梯；然后等電位電工沿桿塔主材爬至作業(yè)側(cè)帶電導(dǎo)線下方水平約6m高度位置，再登沿絕緣軟梯向上爬行，同時(shí)地面電工控制絕緣軟梯牽引繩索使絕緣軟梯平穩(wěn)、緩慢靠近帶電體，當(dāng)?shù)入娢浑姽ゎ^部距離最下方分裂導(dǎo)線0.6m時(shí)停止移動(dòng)；待軟梯位置穩(wěn)定后，等電位電工迅速抓住帶電體進(jìn)入等電位[2]，作業(yè)方案如圖1所示。

圖1 軟梯法進(jìn)等電位方案示意圖

為了保證作業(yè)方案的安全性、可行性，其中等電位電工進(jìn)入等電位過程中場強(qiáng)分布的改變是否對等電位電工帶來安全風(fēng)險(xiǎn)需要通過模擬仿真計(jì)算分析驗(yàn)證。

2 計(jì)算方法

本文運(yùn)用SolidWorks三維機(jī)械CAD軟件對某500kV線路桿塔、絕緣子串、導(dǎo)線、避雷器及連接金具等進(jìn)行等比例三維建模，再通過ANSYS軟件對該區(qū)域內(nèi)電場分布進(jìn)行仿真計(jì)算。

為充分貼合交流線路實(shí)際情況，本文采用諧響應(yīng)分析法分實(shí)部、虛部加載電壓，并通過有限元法計(jì)算，最后通過合成得到所需的電位、電場參數(shù)[3-4]。

2.1 諧響應(yīng)分析法

避雷針保護(hù)靜止的構(gòu)筑物時(shí)采用的滾球半徑計(jì)算方諧響應(yīng)分析法是一種用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析方法。由于500kV輸電線路產(chǎn)生的工頻電場符合準(zhǔn)靜態(tài)場模型[5]，所以可將線路電壓分為實(shí)部、虛部兩部分進(jìn)行諧響應(yīng)分析計(jì)算，故用復(fù)數(shù)形式描述線路中A、B、C三相相電壓可表示為

建模場景中500kV等電位體包括導(dǎo)線及與導(dǎo)線接觸的連接金具等均可按照式（2）的表示根據(jù)相應(yīng)相序加載電位；桿塔為地電位，故桿塔塔材、橫擔(dān)及與其連接的相關(guān)金具可加載零電位；場景中所有模型被空氣包圍，故外層空氣及地表加載零電位。

經(jīng)上述分析可知，空間內(nèi)任意一點(diǎn)的電位均可以被分解為實(shí)部和虛部兩部分，即

將上述描述的空間某點(diǎn)電位作為激勵(lì)條件，分實(shí)部和虛部兩次加載，然后計(jì)算出總場強(qiáng)。場域內(nèi)某點(diǎn)的場強(qiáng)各個(gè)分量也可以用復(fù)數(shù)的形式表示為

2.2 有限元分析法

本文關(guān)注的作業(yè)區(qū)域的靜電場是一種穩(wěn)態(tài)電磁場，用麥克斯韋方程組描述靜電場表達(dá)式為

由于泊松方程描述靜電場，表達(dá)式為

根據(jù)靜電場最小作用原理，當(dāng)一個(gè)固定帶電系統(tǒng)處于介質(zhì)中，其表面電荷分布表現(xiàn)為其合成電場具有最小靜電能量。又因?yàn)槿S靜電場有限元分析和二維靜電場有限元分析類似[8]，所以以下通過二維靜電場進(jìn)行分析和求解與靜電場微分方程的泛函極值問題。

第一類邊界，能量表達(dá)式為

等價(jià)于下列泛函極值問題，即

第二、三類邊界的等價(jià)泛函極值問題可表示為

模型中的所有單元能量之和可通過二次泛函表達(dá)式描述為

單元能量積分表達(dá)式為

又有

可得

其中：

可得

將所有子區(qū)域的方程聯(lián)立合并，則有

將泛函問題被離散化為多元二次函數(shù)極值問題：

函數(shù)極值理論可知

即

3 模型構(gòu)建

本文選取的研究對象桿塔型號(hào)為為SZT-40，四分裂導(dǎo)線型號(hào)為LGJ-630/55，長棒瓷絕緣子型號(hào)為LP75/18+17/1435×3，避雷器型號(hào)為YH20CX- 396/1050，連接用復(fù)合絕緣子型號(hào)為FXBW4。上述研究對象建模對象尺度相差較大，為降低后期剖分單元量，提高計(jì)算效率，在不影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文在建模過程中作如下簡化：

1）由于桿塔體積較大，本文研究的帶電作業(yè)工作僅在桿塔一側(cè)進(jìn)行，塔材距帶電體較遠(yuǎn)，對作業(yè)區(qū)域電位、電場仿真影響很小，故僅建立作業(yè)側(cè)部分桿塔模型，且簡化了桿塔主材中的斜材。

2）桿塔附近的電場分布計(jì)算屬于開域問題求解，而有限元法求解需把求解區(qū)域限定到一定范圍內(nèi)。考慮到當(dāng)截?cái)噙吔珉x所關(guān)心的區(qū)域足夠遠(yuǎn)時(shí)，其產(chǎn)生的截?cái)嗾`差已足夠小，計(jì)算精度可滿足要求，故本文在建模中設(shè)定了一個(gè)遠(yuǎn)離工作區(qū)域電場中心的假想人工邊界[9]。

3）在滿足工程計(jì)算要求的前提下，簡化了緣子均壓環(huán)、連接金具，忽略了尺寸較小的線夾、防震錘等金具影響。

4）相對導(dǎo)線實(shí)際長度，本文討論的作業(yè)區(qū)域內(nèi)導(dǎo)線長度很短，故在建模中將導(dǎo)線設(shè)置為4根平行與地面，長15m的直圓柱導(dǎo)體；且考慮到其他相導(dǎo)線距離較遠(yuǎn)，所以忽略其影響[10]。

5）避雷線位于橫擔(dān)上方，考慮到一般情況下避雷線為地電位，且由于橫擔(dān)的屏蔽作用，在不影響實(shí)際工況的前提下，本文忽略了其對作業(yè)區(qū)域的電場影響。

6）因?yàn)樽鳂I(yè)中用到的絕緣軟梯和牽引控制繩的介電常數(shù)與空氣相近，對電場分布影響較小，故未對其進(jìn)行建模。

簡化后的桿塔及金具模型如圖2所示。

圖2 簡化后的桿塔及金具模型

4 仿真分析

為研究等電位電工進(jìn)入電場前后，工作區(qū)域內(nèi)空間電場分布變化情況，本文對人體進(jìn)入電場空間前后分別進(jìn)行了仿真計(jì)算。

4.1 進(jìn)入電場前電位、電場分布狀態(tài)分析

通過第2節(jié)描述的計(jì)算方法加載第3節(jié)提到設(shè)備模型得到了人體進(jìn)入電場前作業(yè)區(qū)域電位及電場分布云圖，分別如圖3、圖4所示。在本文以下出現(xiàn)的云圖中，電壓單位為kV，場強(qiáng)單位為kV/m。

圖3 進(jìn)電場前作業(yè)區(qū)域電位分布云圖

圖3中絕緣子下部顏色越深代表該處電位越高，上部顏色越深代表電位越低，中部淺色部分電位處于中間位置?？梢钥吹?，圖中長棒瓷絕緣子串上部靠近橫擔(dān)的區(qū)域逐漸變深，與橫擔(dān)側(cè)連接金具及長棒瓷絕緣子串低壓側(cè)均壓環(huán)部分為電壓為0；長棒瓷絕緣子串下部靠近導(dǎo)線區(qū)域逐漸變深，與導(dǎo)線直接接觸的聯(lián)板、高壓側(cè)均壓環(huán)電壓相同均為線路電壓；長棒瓷絕緣子串中部從上至下電位逐步升高。輸電線路絕緣子串電壓為非線性分布，低壓側(cè)及高壓側(cè)數(shù)片絕緣子承受的電壓較高，中部的絕緣子承受的電壓較低，絕緣子串整體的電壓分布曲線呈馬鞍形。可以看出，圖3中長棒瓷絕緣子串靠近高低壓側(cè)均壓環(huán)區(qū)域顏色變化較快，中間部分顏色變化較慢。

圖4 進(jìn)電場前作業(yè)區(qū)域電場分布云圖

進(jìn)電場前作業(yè)區(qū)域電場分布云圖如圖4所示，由于長棒瓷絕緣子串均壓環(huán)均壓效果其表面電場強(qiáng)度較大，除此之外，提線聯(lián)板、避雷器連接桿及導(dǎo)線表面場強(qiáng)較高，圖中最大場強(qiáng)為1529kV/m；而從空間電場的分布來看，避雷器連接桿下方空間電場強(qiáng)度分布均勻，變化平緩，符合帶電作業(yè)中進(jìn)入等電位通道的選擇條件。避雷器遠(yuǎn)離帶電部分，對作業(yè)區(qū)域影響較小，為簡化計(jì)算，在電場仿真中將其視為等勢體。

4.2 進(jìn)入電場后電位、電場分布狀態(tài)分析

本文選擇當(dāng)?shù)入娢浑姽ぜ磳⑦M(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行人體進(jìn)入電場后作業(yè)區(qū)域電位、電場分布的分析，并設(shè)定此時(shí)等電位電工位于導(dǎo)線下方，頭部距離最下方分裂導(dǎo)線0.6m。進(jìn)電場后作業(yè)區(qū)域電位、電場分布云圖如圖5所示。

在帶電作業(yè)過程中，等電位電工身穿全套高壓屏蔽服，在其沿軟梯向上爬行且未進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移前，人體可模擬為懸浮于空間中的等電位體[12]，電位為289kV。對比圖5可以看出，人體接近作業(yè)區(qū)域后，空間電場分布發(fā)生了明顯改變，局部場強(qiáng)峰值見 表1。

人體中最靠近帶電體的頭部及突出于身體的手、腳部附近，尖端效應(yīng)導(dǎo)致電場畸變最為明顯，電場強(qiáng)度明顯上升，從表1中可以看到，電場最大值出現(xiàn)在屏蔽服帽子上端為1328kV/m。

（a）電位分布

（b）電場分布

圖5 進(jìn)電場后作業(yè)區(qū)域電位、電場分布云圖

表1 屏蔽服表面局部場強(qiáng)峰值

根據(jù)《GB/T 6568—2008 帶電作業(yè)用屏蔽服裝》屏蔽服屏蔽效率不得低于40dB標(biāo)準(zhǔn)，屏蔽效率為40dB即屏蔽服衣內(nèi)人體表面的電場強(qiáng)度為衣外電場強(qiáng)度的1/100[13]，故仿真中出現(xiàn)電場最大值的頭部，衣內(nèi)場強(qiáng)為13.28kV/m，滿足衣內(nèi)體表場強(qiáng)不大于15kV/m的要求。這說明按照本文第1節(jié)設(shè)計(jì)的作業(yè)方案中裝設(shè)輔助設(shè)備線路軟梯法進(jìn)等電位方法滿足安全要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種裝設(shè)輔助設(shè)備線路軟梯法進(jìn)等電位的作業(yè)方法，并通過建模仿真計(jì)算了等電位電工進(jìn)入電場過程中作業(yè)區(qū)域場強(qiáng)分布變化，分析得出結(jié)論：在等電位電工沿軟梯向帶電體靠近過程中，應(yīng)選擇從方向電場梯度較小的導(dǎo)線正下方接近帶電體；在頭部距最下方分裂導(dǎo)線約0.6m處進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移，此時(shí)全身式屏蔽服表面場強(qiáng)最大處出現(xiàn)在頭部為1328kV/m，衣內(nèi)體表最大場強(qiáng)為13.28kV/m滿足不得高于15kV/m的安全標(biāo)準(zhǔn)。

上述結(jié)論表明，本文提出的一種裝設(shè)輔助設(shè)備線路軟梯法進(jìn)等電位的作業(yè)方法從理論上滿足帶電作業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)。這說明在嚴(yán)格按照操作規(guī)程、穿戴全套高壓屏蔽服的基礎(chǔ)上，在裝設(shè)有如線路避雷器的輔助設(shè)備輸電線路上利用本文提出的軟梯法進(jìn)行等電位的操作是安全可行的。

[1] 王蘭義, 趙冬一, 胡淑慧, 等. 線路避雷器的研究進(jìn)展[J]. 電瓷避雷器, 2011(1): 26-34.

[2] 尹洪, 吳啟進(jìn), 周玎. 500kV緊湊型輸電線路進(jìn)入等電位方式探討[J]. 湖北電力, 2009, 33(4): 53-54.

[3] 馮慈璋, 馬西奎. 工程電磁場導(dǎo)論[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000.

[4] 王青于, 楊熙, 廖晉陶, 等. 特高壓變電站人體工頻電場暴露水平評估[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(24): 4188-4194.

[5] 肖國斌, 虞澤, 俸世榮, 等. 500kV線路避雷器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 電瓷避雷器, 2009(3): 26-30.

[6] 吳小雁, 薛毓強(qiáng), 黃云程. 考慮復(fù)雜地勢的交流超高壓輸電線路電場[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(9): 7-10.

[7] 汪沨, 廖平軍, 黃俊, 等. 含污穢薄層的高壓復(fù)合絕緣子表面電場計(jì)算新方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(10): 78-84.

[8] 袁建生, 鞠勇, 鄒軍, 等. 330kV特高壓直流輸電線路屏蔽環(huán)三維有限元電場計(jì)算方法與策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(10): 7-13.

[9] 徐志鈕, 律方成, 李和明, 等. 絕緣子電場有限元分析法的影響因素及其優(yōu)化[J]. 高電壓技術(shù), 2011, 37(4): 944-951.

[10] 呂殿利. 特高壓電場的數(shù)值計(jì)算與全局優(yōu)化[D]. 天津: 河北工業(yè)大學(xué), 2010.

[11] 張秀斌, 牟中華, 孫亞明, 等. 基于ANSYS的330kV有機(jī)復(fù)合絕緣子表面電場建模和優(yōu)化[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(6): 63-66, 88.

[12] 王建華, 文武, 阮江軍. 特高壓交流輸電線路工頻磁場在人體內(nèi)的感應(yīng)電流密度計(jì)算分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007, 31(13): 7-10.

[13] 邵瑰瑋, 胡毅, 王力農(nóng), 等交流特高壓輸電線路帶電作業(yè)安全防護(hù)用具與措施[C]//中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)高壓專委會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2007.

Simulation and Analysis about Installation of Auxiliary Equipment Transmission Line by Ladder Method into the Equipotential Field

Pan Jing1Li Xiaochun2Chen Tianzhu2

(1. State Grid Anhui Electric Company, Hefei 230061; 2. Wuhan University, Wuhan 430072)

With the gradual increase in the number of installation of auxiliary equipment transmission line with backbone transmission network in recent years, the research of safety and applicability about conventional method for live working on the installation is still relatively small. Therefore, this paper proposed a method about installation of auxiliary equipment line by ladder into potentiometric, modeled the equipments in the operating area and simulated the parameters of space potential and electric-field distribution by utilizes harmonic response analysis and finite element analysis theory before and after into the electric field. The result showed that the method has mentioned in the plan can meets safety requirement when equal potential operator performed the shift of potential through insulating ladder from main materiel of the tower where directly below the wire and 0.6 meters to the lower bundle conductor.

auxiliary equipment; electric transmission line; live working; harmonic response analysis; finite element analysis; ANSYS

潘 靜（1969-），女，本科，國網(wǎng)安徽省電力公司，主要從事輸電線路狀態(tài)評價(jià)及運(yùn)維相關(guān)工作。

國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目資助項(xiàng)目（SGSX0000YJJS [2014] 457）