110 kV及以上变电设备带电作业电场分布计算与仿真

朱翔宇，李人晟，刘功能，李百档

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410005；3.国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

110 kV及以上变电设备带电作业电场分布计算与仿真

朱翔宇1，李人晟2，刘功能3，李百档3

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410005；3.国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

通过对不同电压等级、不同设备等电位带电作业时电场分布的计算，得出人体与周围设备的电场分布图。给出不同工况下人体周围的最大场强和最大畸变率，以及人体进入高电位过程中的人体电位分布，指出带电作业人员作出典型动作时，人体突出部位电场强度较大、易发生畸变。

变电设备；带电作业；电场分布；场强畸变

变电站电气设备布置紧凑，净空距离小，在电气设备出现缺陷的情况下，带电作业过程中安全距离和组合间隙安全性方面要求比较严格，并且变电站中的一些设备如断路器、隔离开关和电流互感器等带电检修作业过程中一般会面对大电流接入与开断操作，另外这些电器设备还与变电站保护系统有关，所以在变电站内变电设备带电作业对作业工具和作业技术有着更高的要求。

1 变电设备带电作业电场分布计算与仿真

变电站带电作业与线路带电作业的区别在于变电设备绝缘的要求和占地的限制，变电设备相对地距离和相间距离都设计得比同电压等级的线路要紧凑的多，带电作业时各变电设备对空间电场的影响较大，所以建模时考虑将不同设备按照变电站的常规布置进行组合，在1个或多个间隔中进行仿真计算。

1.1 仿真模型建立

如图1所示，人体身高1.80 m，左手臂向前伸直模拟带电作业时人体手部突出部位，右手臂弯曲以模拟带电作业时肘部突出部位。

1.2 500kV电压等级设备带电作业电场分布计算与仿真

如图2所示，建立母线、引下线，进出线时，用直线母线代替有小弧垂的母线。对于断路器、互感器和避雷器等变电设备，不同介质面与面接触时剖分效果较差，所以采用留有一段距离并在应接触面施加相同高电位的方法模拟导线连接情况。

人体处于A相母线正下方，距离A相互感器水平距离3.2m，由于人体在作业时会穿着全金属屏蔽服，把人体相对介电常数设置为与金属一样，并进行自耦合处理，电场中人体设置为浮动电位体从竖直方向接近母线进入高电位，过程如图2中箭头方向所示。

母线距离地面高度16m，长度为10m，考虑A相电压最大时的情况，故A，B，C三相电压分别为:

绝缘柱底座、GIS断路器接地部分等加载零电位，母线、引下线、进出线等按照相序加载电压，并在与带电设备连接处施加于对应导线相同的高电位，所有实体被2个空气立方体包围，地面和外包空气边界加载零电位。按照人体进入高电位的方式，计算时改变人体在竖直方向上的位置，分别计算人体距离母线6m，4.4m，2.8m的情况。电场分布如图3所示，计算结果见表1。

1.3 220kV电压等级设备带电作业电场分布计算与仿真

220 kV模型选取的是220 kV变压器出线端B相电压互感器进行等电位带电作业时人体与周围设施的电场分布情况。

使人体距离地面4.3m，在水平方向上从距离2m开始向电压互感器靠近，人体的前处理方式与500 kV计算时相同，相对介电常数设定跟金属一致，并且进行自耦合，水平移动过程中当作浮动等电位体处理，移动过程如图4所示。

加载条件考虑B相相电压最大的情况，故A，B，C三相电压分别为:

金属底座等接地部分加载零电位，引下线、进出线、连接线等按照相序加载电压，并在与带电设备连接处施加与对应导线相同的高电位以减小误差，所有实体被2个空气立方体包围，地面和外包空气边界加载零电位。

人体每移动0.5m计算一次，故共考虑伸出手臂前端距离电压互感器2.0m，1.5m，1.0m，0.5m和空白对照组5种情况。

不同于500 kV母线作业在竖直方向上进入高电位，220 kV绝缘柱带电作业模型模拟的是水平靠近带电设备的过程，通过电场分布图5的初步分析得到，人体头部、弯曲手臂和伸长的手臂3个人体部位畸变场强较大；而其他如腹部、肩部边沿等尖端部位是人体模型在简化过程中有尖角等曲率半径较小的地方，导致这些部位电荷密度较大。故在以上3个部位与带电设备之间各取1条直线路径，在每条路径上每0.05m取1点，在ANSYS中取出每一点的电场值数据，并在不放入人体的空白对照组模型中进行相同的操作用于对比分析。路径示意图如图6所示，图中分别将伸长手臂、弯曲手臂、头部这3条路径记为路径1、路径2、路径3。

3条直线路径结果随着人体的靠近结果对比见表2。

由表2可知，随着人体向带电设备靠近，身体各部位场强都在增大，而对应的带电设备周围场强也有所增大。其中由于伸长手臂前端为距离带电设备最近的部位，最大场强为3条路径所对应3个部位最大，畸变率也同为3个部位最大，对应的带电设备周围场强增大的也最明显。弯曲手部肘部由于在建模时用曲线弧代替，曲率半径较手臂其他地方要大，聚集电荷少，故下方场强较空白对照组小。由于距离带电设备越近，周围空气中电场强度原本较大，故虽然人体各部位距离带电设备越近，最大场强越大，畸变率 (场强变化率)反而越小。

1.4 110kV电压等级设备带电作业电场分布计算与仿真

模型选取110 kV变电站某一间隔，研究相间带电作业，人体与周围设施电场分布计算与分析(如图7所示)。

1)人体处于A，B相相间距中间 (人体模型坐标原点处于相间中点，距离1 m)，距离地面3.2m，距离B相断路器最近距离为0.35m(伸长的手臂)。

2)人体在情况1的基础上向B相断路器靠近0.1m(即人体模型坐标原点距离 B相断路器0.9m)，距离地面距离为3.7m，人体离断路器上方均压环最近距离为10 cm。

加载条件考虑B相相电压最大的情况，故A，B，C三相加载电压分别为:

金属底座等接地部分加载零电位，引下线、进出线、连接线等按照相序加载电压，并在与带电设备连接处施加于对应导线相同的高电位以减小误差，所有实体被2个空气立方体包围，地面和外包空气边界加载零电位。人体相对介电常数设定跟金属一致，并且进行自耦合，当作浮动等电位体处理。

在进行计算结果的后处理时作伸出长手臂(以下简称长手)、人体中间、弯曲手臂 (简称弯手)3个切面云图来体现人体周围电位分布情况(如图8所示)。

在上一小节中，通过云图的初步分析知，人体头部、弯曲手臂、伸长手臂和人体背部到脚跟处，4个人体部位畸变场强较大；分别将伸长手臂、弯曲手臂、头部和背部这4条路径记为路径1、路径2、路径3、路径4(如图9所示)，结果对比见表3。

2 结论

文中进行了500 kV变电站母线、220 kV变电站电压互感器、110 kV变电站断路器相间带电作业时人体与周围设施电场仿真计算，得到了不同电压等级下，对不同变电设备作业时，人体与周围设施的电场分布。给出了不同工况下人体周围的最大场强和最大畸变率，以及人体进入高电位过程中的人体电位。找到了带电作业时人体作出典型动作时，电场强度较大、易发生畸变的部位。

1)在人体靠近带电设备的过程中，人体电位不断升高，直到与带电设备接触与其电位相等，头部作为进入高电位方向上的人体突出部位，周围电场强度较大。

2)人体的介入使空间电场发生畸变，不仅会使人体某些部位周围的场强变大 (如2条手臂，脚后跟以及背部)，也会因为某些部位曲率半径大(如头部，弯曲的肘部)，电荷密度较小，使部分空间场强变小。

3)在沿人体到带电设备移动方向上的人体突出部位周围场强较高，畸变率较大，距离带电设备越近的部位对应带电设备表面附近场强变化越明显。

4)人体距离带电设备越近，身体各部位场强越大，但畸变率 (场强变化率)越小。

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Calculation and simulation of hot-line work electric field distribution for 110 kV and above power transformation equipment

ZHU Xiang-yu1，LIRen-sheng2，LIU Gong-neng3，LIBai-dang3
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410004，China；3.State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410004，China)

The human body and surrounding equipmentelectric field distributionmap is obtained by calculation ofequipotential hot-line work for different voltage grades and different equipments.The map gives themaximum field strength and maximum distortion rate for the human body around in different conditions，and provides the human body potential distribution when entering the high potential area.The paper points out that the electric field of human body prominent parts is greater and prone to distortion when the hot-line worker takes typical action.

transformation equipment；hot-line work；electric field distribution；field distortion

TK264.11

B

1008-0198(2014)06-0017-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.005

2014-09-11