电磁耦合效应对通信光缆检修的影响研究

杨新伟，刘伟娜

(河南师范大学 电子与电气工程学院，河南 新乡 453007)

电磁耦合效应对通信光缆检修的影响研究

杨新伟，刘伟娜

(河南师范大学 电子与电气工程学院，河南 新乡 453007)

同塔多回输电线路下方存在与之平行排列的架空通讯光缆，电磁感应作用下悬挂光缆钢芯线上会产生电磁感应电流，对光缆检修人员的安全构成威胁。运用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP，搭建500 kV/220 kV同塔四回混压输电线路，以及其下方平行排列架空光缆模型，分析计算运行电流、土壤电阻率、平行长度、通讯光缆杆塔高度以及光缆偏移输电线路杆塔中心线距离对人体电流的影响。计算结果表明：人体电流与运行电流、土壤电阻率、平行长度以及通讯杆塔高度成正比，与通讯光缆偏移输电线路杆塔中心线的距离成反比；一般情况下，人体电流不会超过10mA(人体摆脱电流阈值)，但是会超过0.5 mA(人体感知电流)，研究结果能为实际工程提供参考。

同塔四回；通讯光缆；电磁耦合；电磁感应电流；人体电流

随着中国电力建设的不断发展，输电线路的输送容量不断增大。为了降低输电线路对输电走廊的占用，降低单位电容量线路的造价成本，同塔多回输电线路被广泛应用。

由于同塔多回输电线路间的静电耦合和电磁感应作用，同塔多回输电线路之间会产生感应电压和感应电流。文献[1-8]分析同塔双回输电线路之间的感应电压和感应电流；文献[9-11]研究同塔四回输电线路之间的感应电压和感应电流；文献[12]分析同塔四回混压输电线路感应电压和感应电流分量的影响因素，计算了不同检修方式下，流过检修人员的人体电流情况。文献[13]研究500 kV高压线路正常运行时，下方并行排列的0.38 kV低压线路检修人员可能面临的感应电压和感应电流放电对检修人员的伤害。由于同塔多回输电线路下方可能存在与之并行排列的架空通讯光缆，为防止架空光缆因受到自身重力而损坏，光缆一般用挂钩悬挂在一根钢芯线上，因此，同塔多回输电线路会在钢芯线上产生感应电压和感应电流，感应电压和感应电流的存在会对检修人员的安全构成威胁。

笔者利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP[14]建立500 kV/220 kV同塔四回输电线路和悬挂通信光缆的钢芯线模型，计算不同因素对检修人员人体电流的影响，得出的结论能为通讯光纤悬挂线检修人员的人身安全提供参考。

1 模型建立

1.1 杆塔及线路参数

以某同塔四回输电线路为原型，该线路下方的通信光缆与输电线路间位置分布如图1所示。

500 kV/220 kV同塔四回输电线路通过静电耦合和电磁耦合作用，会在其下方通信光缆悬挂钢芯线上的感应电压和感应电流[13-20]，笔者关心的主要问题是这种因静电、电磁耦合效应作用于通信光缆悬挂线上的感应电压和感应电流对光缆检修人员人生安全的影响。线路参数如表1所示。两回500 kV输电线路分布在杆塔上层，两回220 kV的输电线路分布在杆塔下层，如图2所示。

G1和G2表示两根避雷线，A1，B1，C1和A2，B2，C2分别表示500 kV第I回线路和第II回线路，500 kV线路采用四分裂导线；a1，b1，c1和a2，b2，c2分别表示220 kV第I回线路和第II回线路，220 kV线路采用二分裂导线。d为钢芯悬挂线偏离杆塔中心线的距离。

1.2 仿真模型的建立

ATP-EMTP主要用于电力系统暂态仿真，但是该文中感应电压和感应电流的计算属于稳态的范畴。因此，选用ATP-EMTP软件中LCC模块搭建属于稳态范畴的π型等效模型。在LCC模块中输入杆塔、线路以及土壤电阻率等参数之后可得如图3所示的ATP仿真模型。

图1 同塔四回输电线路与通讯光缆的位置分布

导线型号外径/cm直流电阻/(Ω/km)分裂间距/cm分裂导线根数6XJL/G1A⁃300/402．7630．072324562XJL/LBA⁃300/402．3940．09614402OPGW⁃17⁃150⁃31．6600．33000JLB40⁃1501．5750．29500

图2 线路分布

图3 ATP仿真模型

2 计算结果及分析

光缆需要定期进行维护与检修。国标规定的人体电阻约为1 000 Ω，仿真模型直接用一个1 000 Ω的电阻与用于支撑光缆的水泥杆塔并联，如图3所示。悬挂光缆钢芯线通过金属构件直接通过水泥杆塔 接地，输电线路通过耦合效应在悬挂钢芯线上产生的感应电压会在以钢芯线、杆塔、人体以及大地构成的回路中形成感应电流。人体对电流的感知情况如表2所示[21]。考虑线路运行电流、土壤电阻率、平行长度、通讯光缆杆塔高度以及偏移中心线的距离等因素对流过检修人员电流的影响。

表2 交流电下人体生理效应

2.1 运行电流的影响

根据图3中的计算模型，保持土壤电阻率为ρ=500 Ω·m、通信光缆杆塔高度为8 m，通信导线偏移杆塔中心线距离为10 m，平行长度为200 m不变。同塔四回输电线路中两回500 kV线路的运行电流一般为2 000 A，两回220 kV线路的运行电流一般为800 A，以200 A为梯度，计算输电线路上不同运行电流时流过光缆检修人员的人体电流，计算结果如表3所示。

表3 人体电流与运行电流的关系

由表3可知，当500 kV输电线路上的运行电流保持不变时，流过检修人员的人体电流随着220 kV输电线路上运行电流的增大而增大，当220 kV输电线路上的运行电流保持不变时，流过检修人员的人体的电流随着500 kV输电线路上运行电流的增大而先减小后增大。当两回220 kV线路运行电流不变时，设两回220 kV线路运行电流在光缆钢芯悬挂线上某一点(设为A)处的合成场强为E220，当两回500 kV输电线路运行电流在A点的合成场强E500与E220之间的夹角为大于90°时，随着两回500 kV线路运行电流的增大，E500也随之变大，A点总的合成场强E合先变小后变大，如图4所示。当E500与E220之间的夹角小于90°时还会出现其他情况，夹角的变化的主要受线路相序分布的影响。

图4 合成场强的变化

2.2 土壤电阻率的影响

根据图3中的计算模型，计算不同土壤电阻率对流过检修人员人体电流的影响。计算过程中，保持两回500 kV输电线路上运行电流为2 000 A，220 kV输电线路上运行电流为800 A；平行长度为200 m，通讯光缆杆塔高度为8 m，通讯光缆偏移杆塔中心线距离为10 m。计算土壤电阻率为500，1 000，1 500和2 000 Ω·m时所对应的人体电流，计算结果如图5所示。由图5可知，流过检修人员的人体电流随着土壤电阻率的增大而增大。

感应电流经水泥杆塔入地过程中会出现分流现象，其等效示意如图6所示。设流过检修人员的电流为ir，通信光缆杆塔与人体并联部分的电阻为Rt，检修人员双手与水泥杆塔接触位置以上部分水泥杆塔的接地电阻为Rt1，人体电阻为Rr，表示接地电阻，则流过检修人员的电流为

(1)

式(1)对r求导可得

(2)

2.3 平行长度的影响

500 kV运行电流为2 000 A，220 kV线路的运行电流设为800 A；通讯光缆杆塔高度为8 m，通信光缆偏移杆塔中心线距离为10 m，土壤电阻率为500 Ω·m保持不变，计算平行长度为50，100，150和200 m时，由于实际情况中的平行长度不会太长，而且光缆杆塔间的档距小于200 m是实际可行的，因此，平行长度可以通过调节仿真模型LCC中光缆杆塔间的档距实现，流过检修人员的人体电流，计算结果如图7所示，可知流过检修人员的人体电流随着平行长度的增加而增大，当光缆悬挂钢芯线与输电线路的平行长度超过150 m时，流过检修人员的人体电流大于3 mA。

图5 人体电流与土壤电阻率的关系

图6 感应电流分流

2.4 通讯光缆杆塔高度的影响

根据图3中的计算模型，计算通讯光缆杆塔高度对检修人员人体电流的影响。保持两回500 kV输电线路上的运行电流为2 000 A，两回220 kV线路上的运行电流为800 A；通信光缆偏移杆塔中心线距离为10 m，土壤电阻率为500 Ω·m不变。计算通信光缆杆塔高度为6，8，10和12 m时的人体电流，计算结果如图8所示。

由图8可知，流过检修人员的人体电流随着杆塔高度的增大而增大，杆塔高度为6 m时，流过检修人员的人体电流为3.4 mA，杆塔高度为12 m时，流过检修人员的人体电流为3.49 mA。输电线路杆塔的呼称高度已经确定，通讯杆塔高度改变时，相当于缩短了光缆悬挂钢芯线与输电线路间的距离，因此，光缆悬挂钢芯线周围的磁场强度变大，电磁感应电流增大，电磁感应电流在检修人员上流过的分量也相应变大，计算结果与之相吻合，验证了该文的正确性。

图7 人体电流与平行长度的关系

图8 人体的电流与通讯光缆杆塔高度的关系

2.5 通讯光缆偏移杆塔中心线的影响

根据图3中的计算模型，计算通讯光缆偏移杆塔中心线的距离对流过检修人员人体电流的影响。保持两回500 kV线路上的运行电流为2 000 A，两回220 kV线路上的运行电流设为800 A；通讯光缆杆塔高度为8 m，土壤电阻率为500 Ω·m不变，计算通信光缆偏移杆塔中心线的距离不同值时流过检修人员的人体电流，计算结果如图9所示。

由图9可知，流过人体的电流随着通信光缆偏移杆塔中心线距离的增大而减小。光缆悬挂钢芯线周围的磁场与它到输电线路的关系成反比，通信光缆偏移杆塔中心线的距离越远，则光缆刚性悬挂线周围的磁场越小，电磁感应电流越小，流过检修人员的电流分量也随之减小。因此，流过检修人员人体电流与通信光缆偏移杆塔中心线的距离成反比。

图9 人体电流与通讯光缆偏移杆塔中心线距离的关系

3 结语

笔者对500 kV/220 kV同塔四回混压输电线路下方平行排列架空光缆的情况进行了建模，分析了电磁感应作用对检修人员的影响，可得出以下结论：

1)当两回220 kV线路上的运行电流不变时，流过检修人员的人体电流随着两回500 kV线路上运行电流的增大而先减小后增大；

2)上述几种情况下的人体电流均超过了人体的感知电路阈值(0.5 mA)，但是流过检修人员的电流没有超过人体的摆脱阈值电流(10 mA)；

3)尽量避免架空光缆与高压架空输电线路的平行排列长度；如果无法避免，则可以在钢芯悬挂线进行特殊的处理，例如利用与电缆屏蔽铠甲类似的原理，可在钢芯悬挂线外布设屏蔽层，在水泥杆塔处使屏蔽层接地，此法可有效降低流过检修人员的人体电流。

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Research on electromagnetic coupling effects to communication optical cable maintenance

YANG Xin-wei, LIU Wei-na

(College of Electronic & Electrical Engineering，Henan Normal University，Xinxiang 453007, China)

The communication optical cable is located under 500 kV/220 kV four-circuit mixed-voltage transmission lines on the same tower. Electromagnetic induced current was produced on the steel core line to suspend communication cable, which is a threat to personal safety. An equivalent model which included four-circuit mixed-voltage transmission lines and communication optical cable was built by ATP/EMTP. Then the effect of factors on human current were considered, such as operation current, soil resistivity, parallel length, the height of communication optical cable tower and the distance between the central line and the communication optical cable. The results show that operation current, soil resistivity, parallel length and the tower height are positive proportional to human current, and the distance from tower central line is negative proportional to human current. The calculation results provide guidance for practical engineering application.

four-circuit transmission lines on the same tower；electromagnetic coupling; communication optical cable；electromagnetic induced current；human current

2016-07-29

杨新伟(1982—)，男，硕士，讲师，主要从事电磁场数值计算与分析、直线电机设计、高压电器优化设计等; E-mail： yangxw@htu.cn

TM913.7

A

1673-9140(2016)04-0195-07