±500kV换流站离子流测量与安全防护评估

夏拥，刘红太，林睿，左干清，张业茂

（1.中国南方电网超高压输电公司广州局，广州市， 510663;2.国网电力科学研究院，武汉市， 430074)

0 引言

高压直流换流站的直流电场会使空间出现带电粒子，这些带电粒子在直流电场作用下定向移动形成空间离子流，故直流设备周围的电场为直流静电场和空间离子流场的综合场。有必要对直流综合场和空间离子电流进行测量、评估，以确定是否需要增加特殊的人员防护措施。本文对广州换流站内不同设备和构架下的直流合成场强、离子流进行了测试，并以有/无施工机具作为对比。

1 直流合成场强与空间离子流的测量方法

直流合成电场为直流电晕产生的空间电荷形成的场强和标称场强合成后的电场强度，kV/m。离子流密度为地面单位面积截获的离子电流，nA/m2。目前，直流电场测量装置不能适用于潮湿天气条件下测量，而且雨天还存在未知影响因素，所以直流合成电场和离子流密度的测试应在无雨、无雪、无雾的天气条件下进行。此外，由于离子流运动速度和空间分布受风的影响很大，所以对于直流合成电场的测试及统计，特别规定应在风速小于5 m/s的条件下进行。利用周期性变化的电荷所形成的电流可测出相应的场强[4]。本次测试采用的是快门型直流电场传感器，其结构如图1所示。

感应电极曝露于场强时，为维持其电位，它的上面会积聚相应的电荷，当电场指向地面时积聚负电荷，电场指向上空时积聚正电荷。测试时，电机带动旋转快门作定速旋转，其下部的感应电极曝露于场强中的面积呈周期性变化。当感应电极被遮蔽时，其上的电荷流入大地，通过对电阻R上的压降进行测量可以表征探头所在位置的电场强度。

离子流密度大小是通过测量对地绝缘的金属板所截获电流大小计算得出的。测试中，采用1 m×1 m的金属板，该金属板通过1个高灵敏度电流表接地。

2 换流站测试场强评估

测试区域有8个，包括：极I穿墙套管外、极I管母下、极I电容器塔外、极I龙门架外、极II穿墙套管外、极II管母线下方、极II电容器塔外与极II龙门架外。测试气象条件为：天气晴，气温16℃，湿度35%，风向北风，风速1.8 m/s。测试换流站运行方式为双极金属回线方式运行，中等负荷。

2.1 穿墙套管下方

极I穿墙套管处测量位置分布如图2所示，极I穿墙套管下方合成场的最大值如表1所示。极I穿墙套管外地面合成场小于30 kV/m，距地面2 m高处的合成场较地面场强有较大增加。因该处强度低，并且早晨开始测试时风力较大，未测量到离子流。

图 22套管处测量位置示意图FFiigg.. 22Measurement location at wall-penetrating pipee

表1 极I 穿墙套管下方测试结果Tab.1 Measurement results under the electrode I all-penetrating pipe

极II穿墙套管下方合成场与离子流密度的最大值如表2所示。极II穿墙套管围墙外地面直流合成场较小，小于15 kV/m，离子流密度较大，测试中最大值为559 nA/m2，但随至套管距离的增加衰减较快，距地面2 m高处的合成场较地面场强有较大增加。

2.2 管母线下方

极I管母线下方的合成场最大值如表3所示。极I管母附近地面直流合成场小于30 kV/m，距地面2 m高处的合成场较地面场强有较大增加。因该处强度低，并且早晨开始测试时风力较大，未测量到离子流。

表2 极II穿墙套管下方测试结果Tab.2 Measurement results under the electrode II wall-penetrating pipe

表3 极I管母线下方测试结果Tab.3 Measurement results under the electrode I bus tube

极II管母线下方的合成场最大值如表4所示。极II管母线下方附近区域地面直流合成场略大于30 kV/m，离子流密度小于100 nA/m2，距地面2 m高处的合成场较地面场强有较大增加。

表4 极II管母线下方测试结果Tab.4 Measurement results under the electrode II bus tube

2.3 电容器塔下方

极I电容器塔下方的合成场与离子流密度的最大值如表5所示。极I电容器塔外地面直流合成场小于30 kV/m，离子流密度小于100 nA/m2，距地面2 m高处的合成场较地面场强有较大增加。

极II电容器塔下方的合成场与离子流密度的最大值如表6所示。极II电容器塔外地面直流合成场小于30 kV/m，离子流密度小于50 nA/m2，距地面2 m高处的合成场较地面场强有较大增加。

表5 极I 电容器塔下方测试结果Tab.5 Measurement results below the electrode I bus tube

表6 极II电容器塔下方测试结果Tab.6 Measurement results below the electrode II capacitor tower

2.4 龙门架下方

极I龙门架外地面的合成场与离子流密度的最大值如表7所示。极I龙门架外地面直流合成场较大，大于30 kV/m，离子流密度小于100 nA/m2，距地面2 m高处的合成场较地面场强有较大增加。

表7 极I 龙门架下方测试结果Tab.7 Measurement results below the electrode I gantry

极II龙门架外地面的合成场与离子流密度的最大值如表8所示。极II龙门架外地面直流合成场地面合成场较大，大于30 kV/m，离子流密度小于20 nA/m2，距地面2 m高处的合成场较地面场强有较大增加。

表8 测试结果Tab.8 Measurement results

3 安全防护评估

3.1 直流场强对人体的影响

国际电工委员会（international electrotechnical commission，IEC)对交、直流下人体生理效应有如表9推荐值[5]。

根据试验，长期流入人体的交流允许值为80～120µA，因此，在制定职业人员安全防护标准及规程时，对流经人体的持续交流电流控制值也作了相应的规定，国内一般规定为小于50µA。由表9可见，人体对直流电流反应的敏感不如交流，IEC推荐直流与交流有效值影响效应等效的比值为2～4（人员感知水平的比值为4，引起心室纤颤的比值为3.75)。为安全起见，取长期允许工作电流的比值为2，对于500 kV直流输电系统的带电作业，流经作业人员的人体电流控制水平应小于100 μA，为进一步增大安全裕度及作业人员的身体舒适度，可将人体直流电流的控制水平也规定为小于50 μA[7]。

表9 IEC对人体电流生理效应的推荐意见Tab.9 Recommendation on the physiological effects of IEC on human body

国际非电离辐射防护委员会（international commissiononnon-ionizingradiationprotection，ICNIRP)虽然没有直接给出适用于一般公众的1 Hz以下的电场强度暴露参照水平，但在注释中指出：对大多数人来说，在频率低于1 Hz的静电电场中，因表面电荷而引起的烦恼感觉不会发生在25 kV/m场强以下。

目前国内外关于直流电场强度和空间离子流大小对人员健康影响水平和程度是没有明确规定的。根据试验，对于直流电场对人体产生的影响效应，同一电场值下直流电场的影响效应要小于交流电场。直流电场感知水平比交流电场感知水平约增加14 kV/m[9-10]，即人体对直流电场的感觉低于交流电场。那么，实际上作业人员在直流电场中的安全控制值可高于交流电场。如果采用与交流电场等同的安全控制水平，则相当于增大了安全裕度。因此，在±500 kV直流换流站内开展带电作业时，规定作业人员裸露部位的局部最大直流场强不高于240 kV/m，屏蔽服内直流最大场强不高于15 kV/m，以此作为各种作业方式及防护用具的安全判断依据。

4 结论

根据广州±500 kV换流站内合成场强的实测结果，无叉车时，地面测量直流场强的最大值在极I龙门架附近，其值为49.51 kV/m，2 m处测量直流场强的最大值在极I龙门架附近，其值为125.2 kV/m;有叉车时，地面测量直流场强的最大值在极Ⅰ龙门架附近，其值为44.77 kV/m，2 m处测量直流场强的最大值在极Ⅰ龙门架附近，其值为124.2 kV/m。故站内各区域地面和2 m高处的直流合成电场强度均小于240 kV/m（交流输变电工程下的人体感知水平)，且在有施工机具存在时，其电场强度值进一步降低，因此，站内机具施工人员可不采取额外安全防护措施来进行电场防护。

根据广州±500 kV换流站内离子流密度的实测结果，无叉车时，地面测量离子流密度的最大值在极II套管附近，其值为935 nA/m2，有叉车时，地面测量离子流密度的最大值在极II套管架附近，其值为816 nA/m2。综上所述，站内各区域因空间离子流存在而引起的离子流密度小于1 000 nA/m2，并且除穿墙套管外的区域，离子流密度普遍低于100 nA/m2，且在有施工机具存在时，其离子流密度进一步降低，因此，站内机具施工人员可不采取额外安全防护措施对离子流进行防护。

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[10]胡毅，王力农，沈鼎申，等.±500 kV直流输电线路带电作业的屏蔽防护[J].高电压技术，2002，28（9)：20-21.

（编辑：蒋毅恒)