梁利輝, 李立峰, 付煒平, 池 城, 張胤祿, 韓 笑

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司 石家莊 050022； 2.華北電力大學(xué)(保定) 河北 保定 071000)

0 引言

高壓輸電線(xiàn)路的電磁環(huán)境問(wèn)題主要包括工頻電磁場(chǎng)、無(wú)線(xiàn)電干擾及可聽(tīng)噪聲[1-4]。隨著輸電線(xiàn)路規(guī)模和電壓等級(jí)的不斷提高，線(xiàn)路強(qiáng)電磁場(chǎng)引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增加[5-7]。其中由于高壓線(xiàn)路電磁感應(yīng)現(xiàn)象所引發(fā)的感應(yīng)電擊問(wèn)題，倍加受到線(xiàn)路附近居民及線(xiàn)路檢修人員的擔(dān)憂(yōu)和恐慌。

相關(guān)學(xué)者曾對(duì)不同電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流進(jìn)行了仿真計(jì)算，探究了輸電線(xiàn)路參數(shù)對(duì)其數(shù)值的影響[8-14]，并對(duì)交流輸電線(xiàn)路施工及檢修中存在的感應(yīng)電擊現(xiàn)象開(kāi)展了研究，為線(xiàn)路施工作業(yè)人員安全防護(hù)措施提出了技術(shù)參考[15-17]。

線(xiàn)路附近工作人員觸碰金屬構(gòu)筑物是感應(yīng)電擊頻發(fā)的場(chǎng)景，因此有必要深入研究特高壓交流輸電線(xiàn)路下方常見(jiàn)工況下的人體感應(yīng)電擊特性。馬愛(ài)清等人針對(duì)線(xiàn)下車(chē)輛對(duì)人體的感應(yīng)電擊進(jìn)行了研究[18]，劉麗娜及甘艷等人分別研究了直流及交流輸電線(xiàn)路下方人體觸碰懸浮導(dǎo)體所受到的感應(yīng)電擊現(xiàn)象[19-20]。

重慶大學(xué)田子山等通過(guò)數(shù)字化人體模型對(duì)交流輸電線(xiàn)路附近人體內(nèi)的感應(yīng)電流進(jìn)行了計(jì)算研究[21]。華北電力大學(xué)李秀英等[22]用有限元軟件對(duì)交流輸電線(xiàn)下獨(dú)立人體進(jìn)行建模，并結(jié)合MATLAB分析了線(xiàn)下人體接觸金屬棒時(shí)遭受暫態(tài)電擊的過(guò)程，得到了不同條件下人體遭受暫態(tài)電擊及穩(wěn)態(tài)電擊的情況。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)王冉冉等[23]計(jì)算了特高壓輸電線(xiàn)路下方大棚感應(yīng)電壓及感應(yīng)電流大小，提出了線(xiàn)路與大棚的安全距離，但并沒(méi)有具體對(duì)人體進(jìn)行更加深入的討論。陜西電科院吳健等[24]建立了輸電線(xiàn)下的人體模型和3種常見(jiàn)的線(xiàn)下感應(yīng)物體模型——金屬骨架的傘、金屬晾衣桿和汽車(chē)模型，計(jì)算其感應(yīng)電壓和可能引起人體暫態(tài)電擊的能量水平，對(duì)感應(yīng)電擊的瞬時(shí)特性討論較少。呂建紅等人研究了民房導(dǎo)電涂料對(duì)人體暫態(tài)電擊的抑制效果[25]。近年來(lái)，溫室大棚的普及、輸電走廊的短缺，特高壓輸變電工程鄰近鋼架大棚的現(xiàn)象愈發(fā)普遍，而此類(lèi)區(qū)域正是人體受到暫態(tài)電擊的常見(jiàn)區(qū)域。

為此，筆者針對(duì)1 000 kV交流輸電線(xiàn)路下方鋼架大棚對(duì)人體的暫態(tài)電擊現(xiàn)象開(kāi)展研究，通過(guò)建立輸電線(xiàn)路、鋼架大棚和人體精細(xì)化模型，對(duì)不同絕緣程度的人體遭受暫態(tài)電擊時(shí)的感應(yīng)電壓、電流進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，并對(duì)大棚不同接地方式下人體暫態(tài)電擊大小進(jìn)行計(jì)算，給出了大棚不同接地方式對(duì)人體暫態(tài)電擊的影響。

1 模型構(gòu)建與簡(jiǎn)化

1.1 特高壓交流輸電線(xiàn)路和桿塔模型的建立

模型采用1 000 kV特高壓交流同塔雙回輸電線(xiàn)路，導(dǎo)線(xiàn)為8×LGJ-630/45型鋼芯鋁絞線(xiàn)，線(xiàn)長(zhǎng)取210 m。根據(jù)文獻(xiàn)[23]，建模時(shí)將輸電線(xiàn)路的上相、中相和下相弧垂高度分別設(shè)置為6 m，7 m和7 m，導(dǎo)線(xiàn)架設(shè)點(diǎn)高度分別設(shè)置為82.5 m，61.5 m和39.5 m，導(dǎo)線(xiàn)間距分別設(shè)置為31 m，40 m和36 m，輸電線(xiàn)路參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 輸電線(xiàn)路參數(shù)示意圖Fig.1 Diagram of transmission line parameters

按照保持對(duì)地電容相等的原則將分裂導(dǎo)線(xiàn)用一虛擬的等效單根圓柱形導(dǎo)線(xiàn)代替，等效半徑見(jiàn)式(1)[26]：

(1)

其中Ri代表分裂導(dǎo)線(xiàn)等效半徑；R代表分裂導(dǎo)線(xiàn)半徑，即分裂導(dǎo)線(xiàn)外接圓半徑；n代表子導(dǎo)線(xiàn)根數(shù)；r代表子導(dǎo)線(xiàn)半徑16.5 mm，將導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)代入上式計(jì)算可得等效單導(dǎo)線(xiàn)半徑為487.81 mm。

1.2 線(xiàn)下鋼架大棚模型的建立

大棚的尺寸由實(shí)際測(cè)量得到，見(jiàn)圖2。其中大棚寬為8 m，側(cè)邊立柱高度為1.7 m，棚頂最高點(diǎn)為3 m，每個(gè)鋼架間隔1.5 m，鋼架大棚總長(zhǎng)度為13.5 m。

圖2 鋼架大棚尺寸示意圖Fig.2 Steel frame shed dimensions diagram

將鋼架大棚放置于線(xiàn)路檔距中央、距離線(xiàn)路中心軸線(xiàn)水平距離30 m的位置，模型見(jiàn)圖3。

圖3 輸電線(xiàn)路與鋼架大棚位置示意圖Fig.3 Diagram showing the location of the transmission line and the steel frame shed

1.3 人體模型的建立

人體模型參數(shù)取自于成年男性標(biāo)準(zhǔn)身材，右手手指與鋼架大棚接觸，整個(gè)人體構(gòu)成放電回路。人體模型高度為170 cm，臂展為82 cm，觸電位置距離地面高度為160 cm，腿長(zhǎng)為110 cm，鼻尖與后腦間距為16 cm，胸背間距為18 cm，腰腹間距為15 cm，腰臀間距為20 cm，腳腕前后間距為6 cm，腳底長(zhǎng)度為25 cm，人體模型尺寸見(jiàn)圖4。

圖4 人體模型尺寸Fig.4 Model sizes of man

三維人體模型是由大量曲面所構(gòu)成的實(shí)體，因此在網(wǎng)格剖分的過(guò)程中對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力有較高的要求。人體模型共計(jì)81 975個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)，401 588個(gè)單元，平均單元質(zhì)量為0.644 3，網(wǎng)格體積為0.085 79 m3，滿(mǎn)足有限元網(wǎng)格剖分需求。由于手臂、腿部與人體連接處存在更多細(xì)節(jié)，因此這部分網(wǎng)格剖分的更加密集，而人體其他部位作為整體可適當(dāng)增加網(wǎng)格邊界單元大小，這樣操作有利于提高仿真過(guò)程的效率，并且不影響仿真結(jié)果的精度。

2 暫態(tài)電擊過(guò)程理論及仿真方法

2.1 暫態(tài)電擊系統(tǒng)理論分析

特高壓交流輸電線(xiàn)路會(huì)在其周?chē)臻g產(chǎn)生電場(chǎng)，空間中存在的物體會(huì)由于電容效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓[27]。當(dāng)人體與空間中金屬感應(yīng)電壓達(dá)到一定差值時(shí)，人體與金屬體接觸瞬間感應(yīng)電荷會(huì)流過(guò)人體，對(duì)人體造成不同程度的電擊感受，即發(fā)生人體暫態(tài)電擊，模型見(jiàn)圖5。

圖5 人體暫態(tài)電擊系統(tǒng)模型Fig.5 Human transient shock system model

暫態(tài)電擊根據(jù)人體與金屬體接地情況不同分為兩種類(lèi)型，一種為人體良好接地，金屬體接地不良；一種為人體對(duì)地絕緣，而金屬體良好接地。由于金屬中存在更多自由移動(dòng)的電荷，因此兩種形式的暫態(tài)電擊前者對(duì)人體造成的傷害相對(duì)更大，二者發(fā)生暫態(tài)電擊時(shí)流過(guò)人體的電流方向也存在差異。人體與鋼架大棚的感應(yīng)電壓可通過(guò)下式計(jì)算：

(2)

由于暫態(tài)電擊的作用時(shí)間很短，僅為幾微秒至十幾微秒，因此一般不會(huì)造成人體造成嚴(yán)重?fù)p傷，但這種電擊感會(huì)引起處于該環(huán)境中長(zhǎng)期工作人員的極度不適感。

2.2 暫態(tài)電擊過(guò)程分析方法

通常暫態(tài)電擊發(fā)生的過(guò)程極短，通過(guò)時(shí)域研究可以更為清晰的分析瞬態(tài)電擊的特性。工頻電場(chǎng)呈現(xiàn)周期性變化，由于在20 ms 的周期中邊相導(dǎo)線(xiàn)正下方工頻電場(chǎng)在第5 ms時(shí)達(dá)到正向最大值，這時(shí)暫態(tài)電擊對(duì)人體的傷害更大，因此假定該時(shí)刻令人體與金屬大棚接觸，可得到接觸瞬間的暫態(tài)電擊特性。

同塔雙回交流輸電線(xiàn)路共有6種相序布置方案，其中逆相序布置方式可使線(xiàn)路附近工頻電場(chǎng)強(qiáng)度最小，該方案被廣泛用于實(shí)際線(xiàn)路的架設(shè)當(dāng)中。1 000 kV同塔雙回交流輸電線(xiàn)路三相電壓在時(shí)域下的表達(dá)式見(jiàn)式(3)：

(3)

交流電頻率設(shè)置為50 Hz，添加半圓柱形空氣域，設(shè)置空氣域底部以及外部圓弧面的電位為0，模擬無(wú)限遠(yuǎn)邊界。鋼架大棚的電氣參數(shù)主要表現(xiàn)為鋼質(zhì)材料的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，鋼架屬于合金材料，其電導(dǎo)率比純鐵略小約為1×105S/m，軟件內(nèi)置金屬的相對(duì)介電常數(shù)為1。

在外加電場(chǎng)作用下，人體的生物組織會(huì)表現(xiàn)出傳導(dǎo)性和介電性。文獻(xiàn)[22]給出了人體各個(gè)組織的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率，并給出了仿真過(guò)程中假定人體各組織均勻時(shí)的電參數(shù)，人體相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置為1×106，電導(dǎo)率設(shè)置為0.05 S/m。

2.3 人體發(fā)生暫態(tài)電擊放電過(guò)程分析

當(dāng)人體與接地良好的大棚接觸時(shí)，線(xiàn)路下方的人體與大棚將形成電位差，接觸瞬間放電電流會(huì)由人體通過(guò)大棚流入大地。不同的鞋子絕緣性能不同，人體所穿鞋子的電導(dǎo)率對(duì)暫態(tài)電擊過(guò)程有較大的影響，當(dāng)鞋子電導(dǎo)率為5×10-6S/m時(shí)的暫態(tài)電擊量見(jiàn)圖6。

圖6 人體暫態(tài)電擊量Fig.6 Transient electric shock of human body

表1給出了人體電擊電流的各種感覺(jué)臨界值[28]，通過(guò)該表可以判斷人體遭受不同程度暫態(tài)電擊時(shí)的感受：

表1 交流電擊電流的臨界值表Table 1 Critical value of AC shock current table mA

由圖6(a)可知，當(dāng)相對(duì)絕緣的人體接觸金屬大棚時(shí)放電電流瞬時(shí)最大值為0.8 A，經(jīng)過(guò)1.5 μs暫態(tài)電擊電流迅速穩(wěn)定，與文獻(xiàn)[12]中實(shí)測(cè)暫態(tài)電擊電流最大值1.2 A基本一致。

人體接觸金屬大棚時(shí)的電擊電流包括暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)[29]60479-2 《Effects of current on human beings and livestock -Part 2: Special aspects》和國(guó)標(biāo)[30]GB/T 13870.2-2016 《電流對(duì)人和家畜的效應(yīng) 第2部分：特殊情況》中，對(duì)于暫態(tài)短時(shí)單向單脈沖電流，當(dāng)持續(xù)時(shí)間小于10 ms時(shí)，依據(jù)能量I2t進(jìn)行感知和痛覺(jué)判斷，文中暫態(tài)分量能量值小于5 μJ，遠(yuǎn)低于人體感知閾的下限值，因此主要依據(jù)電擊電流穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行人體感受判斷。計(jì)算得出暫態(tài)電擊電流穩(wěn)定值為0.038 A，已超出了可感知限值。

由圖6(b)可知，由于人體腳底部通過(guò)絕緣鞋接地，因此腳底電壓稍低，與頭部形成約為0.2 V的電壓差，人體最大感應(yīng)電壓為14 V。

由于人體與接地良好的大棚存在于空間中，導(dǎo)致空間電位發(fā)生了畸變，此時(shí)人體頭部表面附近電位及大棚頂部附近電位約為870 V。從圖中電位線(xiàn)的疏密程度可以看出人體頭部與大棚頂部的電位線(xiàn)更加密集，可以判斷出這兩個(gè)位置空間電場(chǎng)發(fā)生了更為明顯的畸變。

3 暫態(tài)電擊影響因素分析

3.1 不同絕緣程度人體暫態(tài)電擊特性分析

當(dāng)大棚良好接地時(shí)，人體絕緣程度對(duì)暫態(tài)電擊電流有較大的影響。圖7表示鞋子的電導(dǎo)率由5×10-5S/m變化至5×10-2S/m時(shí)，人體接觸大棚瞬間暫態(tài)電擊電流變化規(guī)律。通過(guò)分析不同鞋子電導(dǎo)率下人體暫態(tài)電擊電流變化曲線(xiàn)，其最大值及穩(wěn)態(tài)值見(jiàn)表2。

圖7 不同絕緣程度人體暫態(tài)電擊電流特性Fig.7 Transient shock current characteristics of human body with different insulation levels

表2 人體暫態(tài)電擊電流Table 2 Human transient electric shock current

由表2可知，隨著鞋子絕緣程度下降，人體與大棚的電位差逐漸減小，暫態(tài)電擊發(fā)生時(shí)放電電流最大值也逐漸降低，同時(shí)電流穩(wěn)定值也隨之減小。當(dāng)鞋子電導(dǎo)率為5×10-5S/m時(shí)，暫態(tài)電流穩(wěn)定值為6.7 mA，已超過(guò)人體可感知限值。當(dāng)鞋子電導(dǎo)率與人體電導(dǎo)率相等為5×10-2S/m時(shí)，認(rèn)為人體直接接地，此時(shí)得到的放電電流最大值為2.8 mA，穩(wěn)定值為0.13 mA，感應(yīng)電壓最大值為0.07 V，此時(shí)人體幾乎無(wú)電擊感。

3.2 大棚不良接地時(shí)人體暫態(tài)電擊特性分析

考慮到土壤、地質(zhì)條件等不同因素的影響，可能存在大棚與大地之間處于接地不良的狀態(tài)，為此，文章針對(duì)大棚不良接地的情況進(jìn)行了仿真。為了模擬大棚不良接地狀態(tài)，大棚底部端子部分設(shè)置接地，其余端子電導(dǎo)率設(shè)置為1×10-5S/m，大棚接地方式見(jiàn)圖8，不同接地方式下人體暫態(tài)電擊計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖8 大棚接地方式Fig.8 Grounding mode of greenhouse

圖9 不同接地方式下人體暫態(tài)電擊電流特性Fig.9 Transient shock current characteristics of human body under different grounding modes

將圖9所得大棚不同接地方式下人體暫態(tài)電擊電流最大值及穩(wěn)定值列表見(jiàn)表3。

表3 不同接地方式下人體暫態(tài)電擊電流值Table 3 Transient electric shock current values of human body under different grounding methods mA

由圖表可得，大棚接地效果越差人體暫態(tài)電擊電流越大，當(dāng)大棚只有遠(yuǎn)點(diǎn)位置接地時(shí)，人體流過(guò)的瞬態(tài)電流穩(wěn)定值為1.632 mA，部分人體將感受到不舒服的電擊。人體與大棚接觸點(diǎn)附近的大棚端子接地效果越好，流過(guò)人體的放電電流越小，當(dāng)大棚僅靠近人體一側(cè)良好接地時(shí)，流過(guò)人體的放電電流穩(wěn)定值為人體感受不到的0.392 mA，因此為了使得在大棚中工作的人盡可能免受暫態(tài)電擊，最好在保證人體穿導(dǎo)電鞋的同時(shí)，保證大棚各個(gè)接地端可靠接地。

4 結(jié)論

1)人體暫態(tài)電擊放電時(shí)間持續(xù)約為1.5 μs，當(dāng)大棚與人體均良好接地時(shí)，暫態(tài)電擊電流穩(wěn)定值為人體感受不到的0.130 mA。

2)對(duì)于接地良好的人體，鋼架大棚不同的接地方式會(huì)使人體遭受不同程度的暫態(tài)電擊，大棚接地越可靠，人體暫態(tài)電擊感受越小。

3)文中4種接地方式中除遠(yuǎn)點(diǎn)接地方式引發(fā)的暫態(tài)電擊電流穩(wěn)定值最大為1.632 mA，會(huì)使人體感受到強(qiáng)烈電擊感，其余接地方式均不會(huì)使人體感受到電擊。