±500 kV直流输电系统接地极线路带电作业安全防护研究

尹 洪,闫旭东，程 绳，杜 勇，胡志鹏

（国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050）

直流接地极是直流输电工程中的重要设施，在单极大地返回运行方式和双极运行方式中分别担任着引入电流和不平衡电流的重任，在正常双极运行时还起着牵制换流阀中性点电位的作用，保护换流阀的安全。带电作业是在线路设备不停电的条件下对其进行检修作业，这对保障接地极线路的正常运行，提高直流输电系统的可靠性具有重要意义。

近几年，国内针对直流线路及换流站带电作业技术已开展了相关研究及应用。胡毅、胡建勋等在对±500 kV交直流线路带电作业人员在典型作业位置的体表场强进行了测量，研究了人员电场防护措施[1]。丁玉剑、孙辉等开展了±400 kV青藏联网直流输电线路带电作业安全距离研究[2]。孟遂民、徐文洋等针对±500 kV直流线路带电作业存在作业环境复杂等问题,采用模糊层次分析法评价了带电作业的安全性[3]。但是在±500 kV直流输电系统接地极线路带电作业安全防护技术上尚未见到相关研究报道。因此笔者通过仿真计算和试验研究，提出了±500 kV直流输电系统接地极线路带电作业的安全防护措施，为接地极线路带电作业提供了安全保障。

1 电场及高温导线的影响

1.1 电场防护

±500 kV直流输电系统接地极线路上的对地运行电压可用式（1）计算，最大值为5 kV，此时的运行方式为单极大地运行。若系统处于双极运行时，接地极线路电压约为300 V左右，而处于单极金属回路运行时，接地极上无电压。因此电场防护仅考虑在单极大地运行方式[4-5]。

式中：Up为接地极线路点p处的电压（V）；IN为系统额定直流电流（A）；Re为接地极对无穷远处的接地电阻（Ω）；R0为接地极线路单位长度线路的电阻（Ω/km）；Lp为点p离开接地极的距离（km）。

为分析接地极架空线路空间电场强度水平，进行了计算研究。计算采用工频电场的三维有限元计算方法，计算模型同时考虑铁塔、线路的不同运行方式等对电场分布的影响；忽略绝缘子串对电场分布的影响，铁塔表面视作导体平面，大地视为无限大导体平面。

通过仿真计算，等电位作业人员在接地极线路不同作业位置时的体表电场强度如表1所示。

表1 人体体表电场强度（单位：kV/m）Tab.1 Electric field intensity of human body surface(unit:kV/m)

GB/T 6568《带电作业用屏蔽服装》规定，带电作业时人体裸露部分的体表场强不应大于240 kV/m。作业人员人体体表场强最大值出现在换流站出口处进行等电位作业时的人体手部，此时的电场强度远小于240 kV/m的限制。因此,在接地极线路上开展带电作业时，线路上的电场不会对人体产生危害[6-7]。

1.2 高温导线的影响

接地极架空线路在单极大地运行方式下需要承载整个±500 kV直流输电系统的数千安培的额定负荷电流。因此接地极线路采用2×2JNRLH60/G1A-500/45钢芯耐热铝合金绞线，保证导线在大电流高温条件下仍能正常运行。

表2 导线基本性能Tab.2 Basic performance of conductor

±500 kV直流输电线路额定电流为5 kA，当系统处于单极大地运行时，流过单根子导线的电流为1.25 kA，因此导线的最大运行温度接近120℃。而人体皮肤接触70℃的温度持续1 min，皮肤可能会被烫伤。因此,在单极大地运行时，带电作业人员须避免直接接触高温导线，应使用隔热用具或穿戴隔热防护用具后方可开展直接作业[8]。

2 安全防护措施

2.1 隔热防护服装

虽然接地极线路带电作业时，人员无须对电场进行防护，但仍需穿戴屏蔽服装旁路电流[9]。当导线温度较高，作业人员穿戴的屏蔽服不仅需要满足常规屏蔽服的要求，还应满足一定的隔热防护要求，以避免作业人员在作业过程中受到高温影响。取屏蔽服衣料进行耐高温试验，分别进行160℃、200℃、240℃条件下的耐高温试验，试验结果如图1～3所示。

图1 160℃高温处理衣料与常温对比Fig.1 Comparison of room temperature and 160℃

图2 200℃高温处理衣料与常温对比Fig.2 Comparison of room temperature and 200℃

图3 240℃高温处理衣料与常温对比Fig.3 Comparison of room temperature and 240℃

上述试验结果说明，现有屏蔽服的最外层衣料在160℃下经过30 min热老化试验，和未经过高温处理的衣料相比，结构及外观无变化，能保持较好的完整性；在200℃下经过短时30 min热老化试验，外表和未经加工的衣料相比有较明显的泛黄和碳化迹象；在240℃下经过30 min热老化试验，外表和未经加工的衣料相比有极其明显的泛黄和炭化迹象，发生明显的损坏。

由于常规屏蔽服不具有隔热性能，因此，对于160℃高温导线带电作业，需要在现有屏蔽服基础上增加隔热性能。

如图4所示，屏蔽服衣料采用屏蔽层、隔热毡、蚕丝层三层结构设计。外层屏蔽层主要起到电场和电流防护作用，中间层隔热毡为隔热作用，内层蚕丝层增加衣服的穿着舒适性。

图4 160℃耐热屏蔽服衣料Fig.4 Materials for heat resistant shielding clothing at 160℃

屏蔽服衣料在160℃条件下隔热性能试验，试验结果见图5。

图5 160℃隔热试验曲线Fig.5 Heat insulation test curve of 160℃

由试验结果可知，隔热屏蔽服160℃高温下上升至45℃需要15 min，因此隔热屏蔽服装可以满足短时接触作业的需求。

2.2 耐高温工具

由于带电作业常用的绝缘工器具为树脂基复合材料，其在高温条件下容易老化，因此还需考虑高温导线对带电作业绝缘工具的影响。器具与高温导线接触后，绝缘工器具与高温导线的接触点位置会发生热老化，接触点附近5 cm以内的区域会受到温度升高的影响。工器具局部温度升高，对其整体电气性能的影响可以忽略，主要对其机械性能影响较大。为了准确了解高温对工器具性能的影响，采用高温试验箱及万能试验机，进行了30 min高温老化后的机械性能试验，试验结果如表3所示。试验用绝缘管为直径30 mm，长度150 mm的玻璃纤维增强的环氧管，绝缘绳为直径16 mm的蚕丝绝缘绳。

表3 绝缘工具在高温条件下的机械性能Tab.3 Mechanical properties of insulating tools under high temperature

从表3的试验数据中可以看出，绝缘管的机械强度在120℃时比常温下降60%，160℃时比常温下降95%。绝缘绳在120℃时比常温下降37%，160℃时其强度比常温时下降50%左右。图6为160℃老化前后绝缘工具的对比图，绝缘工具的外观形态未发生明显变化，但是其机械强度严重降低，不能达到使用要求。因此在单极大地运行方式下开展带电作业，普通绝缘工具应避免直接接触导线，或者采用耐高温绝缘工具进行操作。

图 6 160℃老化前后绝缘工具Fig.6 Insulation tools before and after aging at 160℃

为了满足导线在高温运行时开展带电作业的需求，需要研制耐高温的带电作业工器具。耐高温性能是指工器具在高温的条件下仍能保持物理、机械等性能。

带电作业硬质绝缘工器具是采用玻璃纤维增强树脂的复合材料制成。玻璃纤维具有良好的耐高温性能，因此，提高硬质绝缘工器具的耐高温性能，主要是增加树脂的耐高温性能。其常见的树脂主要是不饱和聚酯、酚醛、环氧、聚氨酯等，其中环氧树脂和酚醛树脂具有较高的绝缘性能，并且通过一定的改性，可以有效提高其耐高温性能。但酚醛树脂的强度要低于环氧树脂，一般用于对机械强度要求不高的场合，带电作业绝缘工具不仅需要有较好的电气性能，还需要有较高的机械性能。综合以上考虑，选择改性的耐高温环氧树脂制作耐高温硬质绝缘工具。

带电作业软质绝缘工器具是采用天然或合成纤维制成。阻燃纤维均具有良好的耐高温性能，在消防、钢铁等行业多用于制成阻燃隔热纺织品。如阻燃涤纶、阻燃腈纶、维纶和耐高温的芳纶、酚醛纤维等。其中绝缘性能较高的主要由芳纶和酚醛纤维。从机械强度考虑，选择芳纶纤维用于制作耐高温软质绝缘工具。

按照160℃高温热老化＞100 h后，在常温下的破坏强度不低于热老化前80%，选择了合适的绝缘材料，研制了耐高温硬质及软质绝缘工器具。耐高温硬质绝缘工器具采用耐高温环氧树脂树脂和无碱玻璃纤维制成；耐高温绝缘绳索采用耐高温绝缘芳纶纤维制成。对耐高温绝缘工具高温条件下的机械性能进行了测试，耐高温绝缘工具的尺寸与表3中测试的常规绝缘工具一致，老化时间100 h，试验数据如表4所示。

表4 耐高温绝缘工具在高温条件下的机械性能Tab.4 Mechanical properties of heat resistant insulating tools under high temperature

可以看到，耐高温绝缘管160℃老化条件下的轴向破坏强度为常温下轴向破坏强度的80.4%，耐高温绝缘绳索160℃老化条件下的断裂强度为常温下断裂强度的81.9%，均符合预期要求，耐热性相比常规绝缘工具有较大改善，能满足作业要求。

3 结论

（1）接地极线路带电作业时的人体体表电场强度小于240 kV/m，作业人员无需对电场进行防护。

（2）当接地极线路处于单极大地运行方式时，导线最大温度可达120℃。作业人员和绝缘工具应避免直接接触高温导线，并采用相应的隔热措施。

（References）

[1]胡毅,胡建勋,刘凯,等.特高压交直流线路带电作业人员的体表场强[J].高电压技术,2010,36(1):13-18.HU Yi,HU Jianxun,LIU Kai,et al.Field strength of body surface during the live working on UHV AC and DC transmission lines[J].High Voltage Engi⁃neering，2010,36(1):13-18.

[2]丁玉剑，孙辉,李军,等.±400 kV青藏联网直流输电线路带电作业安全距离[J].电网技术,2014,38(10):2894-2899.DING Yujian,SUN Hui,LI Jun,et al.Safety dis⁃tance for live working on ± 400 kV DC transmis⁃sion line interconnecting Qinhai power grid with Ti⁃bet power grid[J].Power System Technology,2014,38(10):2894-2899.

[3]孟遂民,徐文洋,唐波,等.基于模糊层次分析法的特高压直流输电线路带电作业安全评价[J].高压电器,2016,52(11):42-46.MENG Suimin,XU Wenyang,TANG Bo,et al.FAHP-based safety evaluation for live-line working on ultra high voltage DC transmission line[J].High Voltage Apparatus,2016,52(11):42-46.

[4]朱韬析，欧开健，朱青山，等.直流输电系统接地极过电压保护缺陷分析及改进措施[J].电力系统自动化，2008(7):104-107.ZHU Taoxi,OU Kaijian,ZHU Qingshan,etal.DC transmission system grounding overvoltage protection defect analysis and improvement measures[J].Auto⁃mation of Electric Power Systems,2008(7):104-107.

[5]许箴,秦勇明,唐盼,等.35 kV线路带电作业安全距离计算与放电特性分析[J].电力科学与技术学报,2014,29(2):71-75.XU Zhen,QIN Yongming,TANG Pan,et al.Discharge characteristics analysis and minimum approach dis⁃tance calculation for live working on 35 kV line[J].Journal of Electric Power Science and Technology,2014,29(2):71-75.

[6]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 876-2004带电作业绝缘配合导则[S].北京：中国电力出版社，2004.NationgalDevelopmentand Reform Commission.DL/T 876-2004 Guide of insulation co-ordination for live working[S].Beijing:China Electric Power Press,2004.

[7]李如虎.带电作业进入等电位方式点评[J].南方电网技术，2009，3(2)：59-61.LI Ruhu.Comments on the enter ways into equal potential in electrification operation[J].Southern Power System Technology,2009,3(2):59-61.

[8]胡毅,王力农,刘凯,等.特高压交流输电线路带电作业现场应用试验[J].高电压技术,2009,35(9):2053-2058.HU Yi，WANG Linong,LIU Kai,et al.On-site ap⁃plication test of live working of UHV AC transmis⁃sion line[J].High Voltage Engineering,2009,35(9):2053-2058.

[9]杜勇,唐开平,彭勇,等.特高压线路直升机带电作业电位转移试验及安全防护[J].湖北电力,2017,41(4):9-13.DU Yong,TANG Kaiping,PENG Yong,et al.UHV transmission line helicopter live working potential transfer test and safety protection[J].Hubei Elec⁃tric Power,2017,41(4):9-13.