35 kV线路带电作业电场仿真分析与防护

王磊，唐盼，杨芳，谢龙光

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510600；2.电网环境保护国家重点实验室，中国电力科学研究院武汉分院，武汉 430074；3. 广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远511538)

0 引言

35 kV线路属于我国配电线路中一个重要的部分，具有比10 kV配电线路输送容量大和线路损耗小等特点，是我国城市近郊及农村供电网重要的电压等级。35 kV线路具有线路长、运行环境差的特点，对其采用带电作业的方式进行运维检修作业，可以有效提高供电可靠性[1 - 4]。由于35 kV线路的杆塔结构和电压等级处于配电和输电线路之间，传统带电作业方法一般采用等电位作业法，作业人员需要穿戴屏蔽服装进行电场防护[5]。近年来，部分单位沿用10 kV线路带电作业的经验，在35 kV线路上尝试使用绝缘手套作业法。因此35 kV线路带电作业人员是否需要对电场进行防护成为一个具有争议的话题[6]。

在35 kV线路带电作业技术方面，内蒙古巴彦淖尔电业局曹国文从工具设计上改良，研制符合横担安装和操作的专用卡具，利用间接带电作业方式对损伤、脏污绝缘子进行更换处理[7]。天津城东供电公司黄旭以中间电位作业法带电更换35 kV输电线路绝缘子项目为例进行了具体的实例研究,分析了项目实施的主要难点和创新点，指出了项目实施时绝缘安全工器具要求及具体作业步骤流程[8]。云南红河供电局杨伟辉研究开发的35 kV带电作业绝缘手套、绝缘服和绝缘毯等防护用具和遮蔽用具将35 kV带电作业绝缘防护及绝缘遮蔽用具统一颜色为红色，方便不同电压等级遮蔽用具的区分[9]。虽然该领域的研究与应用已经取得了一定的进展，但主要集中于作业方式和工器具方面，对于35 kV线路带电作业电场防护并未开展研究[10]。

本文采用有限元仿真软件对35 kV线路单回和双回铁塔开展带电作业时的杆塔和人体周围电场进行仿真计算，结合输电线路带电作业的电场防护的要求，研究了35 kV线路带电作业的电场防护方法，从而指导现场作业安全开展。

1 35 kV单回直线塔电场仿真

1.1 35 kV单回直线塔参数及模型

典型35 kV单回直线塔采用上字型铁塔设计方案，导线型号为LGJ-150/25，三相导线呈倒三角排列，相间距离为3.4 m，横担长度为1.8 m，采用3片玻璃绝缘子，绝缘距离为1 m。线路的最高工作电压为40.5 kV。

采用三维有限元计算方法，计算点根据作业人员进入作业位置一般路径、杆塔结构等特点进行选取。首先在地面选取若干典型的地电位测试点，再当作业人员攀登到离开地面一定高度时选取塔身地电位测试点，以及考虑到绝缘子串支撑处是带电作业人员在塔上的经常工作位置，故选择绝缘子串支撑点处为计算点，为了从严考虑，还将直线绝缘子导线侧等电位作业处作为计算点，校核其作业安全性。35 kV单回直线塔塔身的各电场计算点的位置如图1所示，说明见表1。考虑到35 kV线路作业带电作业人员常常站立于横担、塔身或绝缘平台上开展操作，人体体表电场的最大值一般出现在头部、手部、脚部等尖端处，因此设置等电位和地电位作业人员的人体模型如图2所示，主要参数见表2。

表1 杆塔表面测量点Tab.1 Tower surface measurement points

图2 等电位和地电位作业人员人体模型Fig.2 Human body model of equipotential and earth potential personnel

表2 人体模型尺寸Tab.2 Model size of human body

由于人体结构相对于杆塔来说很小，要想一次性求解并得到较理想的结果则必然对计算机的硬件要求特别高，故采用子域法建立子模型对关键区域进行精细控制以得到较好的计算结果，同时减轻计算对计算机硬件设备的依赖。人体剖分时所用网格多达30万，必然消耗大量内存、减慢计算速度，故将人体作为导体不予剖分，仅剖分人体外表面，节点达3万，大大节省单元。

1.2 35 kV单回直线塔表面电场分布

在塔上无人作业条件下，单回直线铁塔和导线表面的电场强度分布如图3所示。

图3 35 kV单回线路导线截面和塔杆电场强度分布Fig.3 Distribution of electric field strength of conductor section and tower pole of 35 kV single circuit line

35 kV单回线路在逆时针正序加载的运行方式下，将图3中各计算点的电场强度计算值列于下表3中。其中导线表面由于其曲率较大，电场尖端效应更加明显，此时三相导线表面的电场强度大于240 kV/m，因此针对这几处典型作业位置的人体体表电场进行了计算分析。

表3 各计算点的电场强度计算值Tab.3 Calculation values of electric field strength at each calculation point

1.3 作业人员在不同位置的体表电场场强

根据带电作业时作业人员在塔杆和导线间的4个典型位置，选取测量点进行测量，分别为：位置1：人在上相导线上方横担处。位置2：人在上相导线等电位处。位置3：人在下相导线上方横担处。位置4：人在下相导线等电位处。考虑到塔杆上相导线在左侧，由上文塔身电场计算可知，塔杆下相左侧方向的场强较右侧强，故人在下相的两种工况位置3和位置4，应选取人在左侧下相计算较好。

1.3.1 左侧上方横担上方作业时人体体表电场

处于位置1的地电位作业人员体表电场分布如图4所示，不同身体部位的电场最大值见表4。

图4 位置1地电位人员的体表电场Fig.4 Electric field of human body surface at position 1

表4 位置1人体表面不同部位电场强度最大值Tab.4 Maximum electric field intensities of human body at position 1

由计算结果可知：由于人距离导线较远，表面场强不大，场强最大处出现在人体最靠近导线的脚部，人体远离导线的躯干和头部场强相对较小。人的颈部由于胸部和头部的屏蔽作用，场强明显减少。

1.3.2 上相导线等电位处人体体表电场

处于位置2的等电位作业人员体表电场分布如图5所示，不同身体部位的电场最大值见表5。

由计算结果可知：场强最大处出现在人体靠近导线的躯干下部，人体靠近导线的躯干上部分及头部场强相对较小。虽然导线表面电场强度较大，但人位于导线表面时，人体体表电场大幅下降，最大值只有24 kV/m。

图5 位置2等电位人员的体表电场Fig.5 Electric field of equitential human body at position 2

表5 位置2人体表面不同部位电场强度最大值Tab.5 Maximum electric field intensities of human body at position 2

1.3.3 下相导线上方横担处人体体表电场

处于位置3的地电位作业人员体表电场分布如图6所示，不同身体部位的电场最大值见表6。

图6 位置3地电位人员的体表电场Fig.6 Electric fields of different parts of human body at position 3

由计算结果可知：场强最大处出现在靠近导线的手臂处，人体躯干和头部离导线距离较远处场强相对较小。

由计算结果可知：场强最大处出现在人体靠近上相导线的手部，人体躯干远离导线处及脚部场强相对较小。

表6 位置3人体表面不同部位电场最大值Tab.6 Maximum electric field intensities of human body at position 3

1.3.4 下相导线等电位处人体体表电场

处于位置4的等电位作业人员体表电场分布如图7所示，不同身体部位的电场最大值见表7。

图7 位置4人体表面不同部位电场分布Fig.7 Electric fields of different parts of human body at position 4

表7 位置4人体表面不同部位电场最大值Tab.7 Maximum electric field intensity of human body at position 4

2 35 kV双回直线塔电场仿真

2.1 35 kV双回直线塔参数及模型

典型35 kV双回直线塔的两回导线采用上、中、下垂直排列，导线型号为LGJ-150/25，相间距离为3.0 m，横担长度2.0 m，采用3片玻璃绝缘子，绝缘距离为1 m。

电场强度计算点的位置如图8所示。各计算点的位置说明列于表8中。人体模型与单回线路计算相同。

图8 电场强度计算取值点图Fig.8 Calculation point of electric field strength

表8 电场强度计算点说明Tab.8 Description of electric field intensities calculation points

2.2 双回线路杆塔空间电场计算

在塔上无人作业条件下，双回直线铁塔和导线表面的电场强度分布如图9所示。

图9 双回线路杆塔与导线表面电场强度分布Fig.9 Electric fields on the surface of tower and conductor of double circuit line

35 kV双回线路在由上到下正序加载运行方式下。将图9中各计算点的电场强度计算值列于下表9中。与单回线路类似，电场最大值出行在导线表面，均超过240 kV/m，因此选取相应的典型作业位置的人体体表电场进行计算分析。

2.3 作业人员在不同位置的体表电场场强

根据带电作业时作业人员在塔杆和导线间的4个典型位置，选取测量点进行测量。4个典型位置分别为：位置5：人在下相导线上方横担处。位置6：

表9 各计算点的电场强度计算值Tab.9 Calculation value of electric field intensities at each calculation point

人在下相导线等电位处。位置7：人在中相导线上方横担处。位置8：人在中相导线等电位处。

2.3.1 下相导线上方横担处人体体表电场

处于位置5的地电位作业人员体表电场分布如图10所示，不同身体部位的电场最大值见表10。

图10 位置5地电位人员的体表电场Fig.10 Electric fields of human body surface at position 5

表10 位置5人体表面不同部位电场最大值Tab.10 Maximum electric fields of human body at position 5

由计算结果可知：场强最大处出现在靠近导线手臂处，人体躯干离导线距离较远处场强相对较小。

2.3.2 下相导线等电位处人体体表电场

处于位置6的等电位作业人员体表电场分布如图11所示，不同身体部位的电场最大值见表11。

图11 位置6等电位人员体表电场Fig.11 Electric fields of human body surface at position 6

表11 位置6人体表面不同部位电场最大值Tab.11 Maximum electric fields of human body surface at position 6

由计算结果可知：场强最大处出现在靠近导线手臂处，双腿处场强相对较小。

2.3.3 中相导线横担处人体体表电场

处于位置7的地电位作业人员体表电场分布如图12所示，不同身体部位的电场最大值见表12。

图12 位置7地电位人员的体表电场Fig.12 Electric fields of human body surface at position 7

表12 位置7人体表面不同部位电场最大值Tab.12 Maximum electric fields of human body surface at position 7

由计算结果可知：场强最大处出现在靠近导线手臂及躯干下部，远离导线的手臂及头部场强相对较小。

2.3.4 中相导线等电位处人体体表电场

处于位置8的等电位作业人员体表电场分布如图13所示，不同身体部位的电场最大值见表13。

图13 位置8等电位人员的体表电场Fig.13 Electric fields of human body surface at position 8

由计算结果可知：场强最大处出现在靠近导线手臂处，远离导线的躯干和四肢场强相对较小。

表13 位置8人体表面不同部位电场最大值Tab.13 Maximum electric fields of human body surface at position 8

3 35 kV线路电场特点与人员安全防护

综合以上计算分析可知，35 kV交流单、双回线路带电作业时，最大电场强度位于导线表面处，约为370 kV/m，其随着与导线的间距的增大快速减小，在铁塔表面处的电场强度均小于10 kV/m。铁塔表面的电场最大值一般出现在导线登高处或导线正上方、正下方横担处。对于双回线路，中相导线附近电场较大。因此地电位作业条件下的空间电场强度与输电线路下方的居民电场强度要求基本相当。

当作业人员沿杆塔攀爬至作业位置时，人体表面总的场强值大小大致与人和塔杆场电场强最强点的距离成反比，距离越近，场强越大。而人体表面场强的具体分布与离人体距离最近的导线有直接关系，距离导线最近的躯干或手臂处场强最大，远离导线的部分躯干场强迅速减少，而人的颈部、手腕等部分由于受到头部、拳头的屏蔽作用，场强较小。地电位作业人员的体表电场一般在5～15 kV/m之间。等电位作业人员的体表场强略微高于地电位作业人员，但其最大值不超过30 kV/m，相比导线表面电场均大幅下降。为了尽可能降低作业人员体表电场强度，当作业人员采用直接作业法时，除直接接触的手部外，身体的其他部位应尽可能远离导线。

GB/T 6568—2008规定，带电检修人员未穿戴防护服装时不应暴露在大于240 kV/m的电场环境中[11]。根据上文的仿真计算结果表面，作业人员可能接触的最大电场出现在等电位作业时的人体手指处，但仍远小于240 kV/m的限值。对于500 kV及以下线路带电作业常用的I型屏蔽服其屏蔽效率为40 dB，即屏蔽服装内部电场为外部电场的1/100。依据标准和计算结果表明，作业人员无论是处于地电位还是等电位，其体表场强未超过人体允许裸露的限制，因此可以不用穿戴屏蔽服装进行电场防护。

综合考虑35 kV线路的作业间隙、电场防护要求与国内外带电作业基本原则的35 kV线路带电作业宜采用配网不停电作业的方法开展，即绝缘手套作业法和绝缘杆作业法，依靠绝缘平台、绝缘工具与空气间隙作为主绝缘，绝缘防护用具、绝缘遮蔽用具、绝缘隔离用具作为辅助绝缘[10]。因为绝缘用具的阻断作用，此时无需考虑电位转移电流的影响。

4 结论

本文通过模拟仿真计算，对35 kV线路带电作业电场进行了分析，得出以下结论。

1)35 kV线路杆塔上的最大电场位于导线表面处，其随着与导线的间距的增大快速减小至塔身表面的10 kV/m以下。

2)作业人员身体表面的电场场强值大小大致与人和塔杆场电场强最强点的距离成反比，距离越近，场强越大。而人体表面场强的具体分布与离人体距离最近的导线有直接关系，距离导线最近的躯干或手臂处场强最大，远离导线的部分躯干场强迅速减少，而人的颈部、手腕等部分由于受到头部、拳头的屏蔽作用，场强较小。

3)作业人员在35 kV单回和双回线路直线杆上按照4种典型工况进行作业时，作业人员在作业位置处体表的电场强度均在限值以内，满足标准要求，不用穿戴带电作业屏蔽服装。

4)35 kV线路带电作业宜采用配网不停电作业的方法开展，即绝缘手套作业法和绝缘杆作业法。