带电线路中施工机械安全距离作业下的临界电场研究

2021-01-11生红莹丁寅龙周林勇

机械与电子 2021年1期

生红莹，刘欢，朱琳，丁寅龙，周林勇，韩臻

(1.国网江苏省电力有限公司，江苏南京 210000；2.江苏兴力建设集团有限公司，江苏南京 210000)

0 引言

近年来，随着城市化进程的逐步加快，电力系统基础设施建设迅猛发展，输电线路覆盖范围也迅速扩大[1-4]，各种违法、违章行为所引起的输电线路杆塔破坏、设备短路等外力破坏的故障、事故时有发生，给供电企业造成巨大经济损失，电网的不正常运行得不到及时处理会对人民生活和经济建设构成极大的威胁[5-8]。

吊车野蛮施工，触碰输电线路是外力破坏事故的典型情况[9]。近几年常有高压输电线下吊车碰线事故的新闻报道。随着电力设备越来越多、施工环境越来越复杂，高压线路下施工现场的危险点也变的多样化，以及施工人员和设备的增多，导致人工操作工作量和技术复杂度的增加，不仅加大了劳动强度而且会由此引发诸多不安全因素，增大事故发生的可能性。

即使不发生带电作业机械设备触碰高压线的事故，也时有安全距离控制不得当而导致的输电线路对施工设备放电事故，进而破坏电力系统的稳定运行。

一些学者进行了输电线路安全距离方面的研究工作[10-12]，例如文献[12]提出了一种基于电场临界值的方法来测定安全距离，系统的仿真得到各个电压等级下在对应安全距离处的临界电场。但该研究主要基于二维仿真计算，且没有考虑施工机械入侵情况下的电场计算。因此，有必要对带电线路中施工机械安全距离作业下的临界电场进行研究。

基于此，本文建立可移动吊塔带电作业有限元模型，以110 kV 和220 kV 交流输电线路为例，研究安全距离下的临界电场，计算并得到不同作业位置的临界电场阈值。

1 输电线路安全距离确定方法

当下，惯用法与统计法是判断输电线路安全距离的常用方法。在此基础上，电力系统发展了多种测定安全距离的方法，例如红外测距、激光测距和超声波测距，这些设备成本通常较高、准确率低，在实际工程中应用受限。

因此，现阶段提出了一种基于电场过限的确定安全距离的思路。具体做法是安装近电感应器在作业机械端部，通过探测施工机械端部电场强度，进行数据分析识别后，将电场强度、电压等级信号发送给驾驶室的报警器，报警器判断电场强度是否越限，如果越限，则报警器发出报警信号。该方法可以起到如下作用：

a.以空间电场的大小作为防外破预警的参考值，可避免误报，且更加直观、准确。

b.通过安装分布式传感器，实现电力公司监管人员对管辖范围内、多台工程吊车安全作业的远程实时监控。

c.功耗低、长航时，便携性强，安装拆卸方便，不影响现场施工。

本方法可以辅助安全施工建设，从而在以下2个场景产生巨大作用，以避免施工机械跨越临近带电安全距离导致的恶性事件：

a.电力工程临近带电作业施工现场环境较为复杂，施工机械与带电设备及导线的距离难以测量，安全监护人及施工机械指挥人员仅凭经验判断机械近电距离，施工机械操作人员稍有疏忽便有可能致使机械与带电体安全距离过小，导致事故发生。

b.部分变电站、线路环境复杂，存在多电压等级交错、多电源供电情况，施工人员在确定某一路电源停电后，错误认为设备或线路已不带电，直接进场验电、施工，导致事故发生。

2 交流输电线路安全距离下临界电场计算

2.1 有限元计算原理

根据静电场原理，带电线路中施工机械与输电线路的整体电位分布满足泊松方程，如式(1)所示。且当场中无自由移动的空间电荷时，静电场中任意一点的电荷密度ρ为0，拉普拉斯方程成立，如式(2)所示。

(1)

(2)

ε为介质的介电常数；φ为电位；2为拉普拉斯算子；x、y、z为空间坐标。求解带电线路中机械器具与输电线路的整体电场分布时，其变分问题，与计算域单元顶点的点位表达式分别为：

(3)

(4)

F为场域中顶点的电位；V为场域。Fe(φe)对φe导数为0时可以得到式(5)。进一步表示为矩阵的形式，即可得到式(6)。

(5)

[K][φ]=[0]

(6)

[K]为刚度矩阵，通过求解器的迭代计算，最终可以求得带电线路中机械器具与输电线路的整体电场分布。

2.2 交流输电线路安全距离电场仿真模型

本文仿真计算中，介质参数和输电线路尺寸设置分别如表1和表2所示。

表1 介质参数

表2 输电线路参数

交流输电线路安全距离三维电场计算模型如图1所示。本文考虑施工机械从水平入侵、45°侧下方入侵和正下方入侵的3种情况。考虑到工程接地保护，施工机械与大地设为等电位。

此外，本文安全距离为按照《建设安规》所规定的在专项措施下的距离，即110 kV交流输电线路为6.5 m，220 kV交流输电线路为8.0 m。

图1 交流输电线路安全距离电场仿真模型(单位 m)

2.3 交流输电线路安全距离电场仿真结果

对不同工况下的仿真结果进行统计，统计结果如图2所示。

由图2a可知，110 kV输电线路下，当无入侵设备时，输电线路安全距离下的水平侧方、45°侧方和正下方的电场强度值分别为4.07 kV/m、5.87 kV/m和7.34 kV/m。当存在入侵设备时，输电线路安全距离下的水平侧方、45°侧方和正下方的电场强度值分别为29.09 kV/m、24.28 kV/m 和23.24 kV/m。

图2 临界电场计算结果

由图2b可知，220 kV输电线路下，当无入侵设备时，输电线路安全距离下的水平侧方、45°侧方和正下方的电场强度值分别为6.56 kV/m、10.09 kV/m 和12.24 kV/m。当有入侵设备时，输电线路安全距离下的水平侧方、45°侧方和正下方的电场强度值分别为56.85 kV/m、45.31 kV/m 和41.92 kV/m。

本章节仿真计算得出主要结论如下：

a.当输电线路有施工机械入侵时，其安全距离下的临界电场会有较大的变化，具体言之，其相同安全距离下的临界电场强度将增大3.4 ～ 7.3倍。因此当使用吊车等设备进行作业时，临界电场不能采用无吊车时的计算结果。

b.不同输电线路等级下，在安全距离位置的临界电场各不相同，因此，在采取临界电场过限法标定安全距离时，需要对不同电压等级下的临界电场进行系统研究。

c.施工机械设备位置不同时，在相同安全距离下，其临界电场亦有差别。建议采取最低的、即施工机械从水平侧方入侵时的临界电场作为标定安全距离的阈值，以保留一定安全裕度，其中对于110 kV，临界电场阈值取4.07 kV/m，对于220 kV，临界电场阈值取6.56 kV/m。

3 现场测试及验证

为验证上述计算结果，从而指导实际使用，研制了施工机械临近电监控预警系统，其通过近电感应器实时测量吊车吊臂顶部电场强度(如图3a所示)，并发送给后台中继(如图3b所示)，后台中继将电场强度数据发送至云端服务器，手持终端通过访问云端服务器获取电场强度数值。

图3 施工机械吊臂电场测量监控装置

近电感应器由微型电场探头、放大滤波模块、LoRa通信模块、MCU模块、锂电池、电池电压采集模块及充电保护模块组成，其工作原理为：放大滤波模块将微型电场探头输入的微弱电压信号放大，并滤除高频电磁干扰分量，输出至MCU模块的ADC端口；MCU模块采集ADC端口工频电场信号、并采取软件滤波的方式进一步消除外部干扰，然后将信号传送至LoRa通信模块，进而发送给后台中继，如图4所示。

图4 电场感应测量工作原理

为了准确测量空间电场大小，在高压实验室开展电场校准实验。利用2个圆形且互相平行的平板电极产生均匀电场(如图5a所示)，将近电感应器放置正中央，读取手持终端的电场监测结果，并与实际的电场强度计算值相比较，对比结果如图5b所示。

由图5b可知，所研制近电感应器测得的电场强度与实际值的误差在10%以内，考虑到试验过程中外施电压也有一定的波动，因此该误差满足工程运用要求。将该近电感应器安装在机械吊臂顶端，并利用后台中继、手持终端观测电场强度大小，操控机械吊臂使其从外侧缓慢靠近高压导线，待数值达到上文所确定的最低阈值时停止操作，采用激光测距仪测量吊臂与高压导线的距离。现场测试情况如图6所示。