电力系统临近电安全距离预警系统研究*

张远建 陈搏卿 姜炫丞 康 坦 张乾雷 王士龙

(江苏兴力建设集团有限公司 南京 210000)

1 引言

近年来输电线路覆盖范围迅速扩大[1-5]，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[6-9]。

此外，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，也会导致事故发生。

另一方面，近年来电力行业防外力破坏手段普遍开始采用视频监控装置[10-11]，该类技术产品仍有一定的缺陷，表现在以下方面：视频监控镜头覆盖范围有限，存在拍摄盲区、视角重叠等客观问题，造成不可避免地出现误报和漏报；实时监控视频采用无线回传时，流量大、费用高，系统易断电停止工作；采用自动回传采样间隔较长的单帧图像，或手动开机远程查看现场实时视频，容易错漏关键样本视频，造成漏报。

考虑到上述技术所存在的缺陷，学者提出了基于感应电探测的输电线路安全距离预警技术，并开展了相关的研究工作[12-16]。但是这些研究都没有体现施工机械入侵情况下的电场计算，并且未考虑电压等级、线路布置方式的影响，使得基于临界电场阈值的安全距离预警方法缺乏科学的依据。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系统性研究。

基于此，文章介绍了所研制施工机械临近电作业安全距离预警系统的基本工作原理，以35～500 kV 典型交流输电线路为对象，建立可移动机械器具带电作业的三维有限元模型，并根据国网安规中的作业人员或机械器具与带电线路的风险控制安全距离值，通过有限元计算的方法得到了不同输电线路等级以及不同作业位置下的电场阈值，并且分析了入侵机械位置、接地方式、杆塔型式对临界电场阈值的影响。最后在现场开展了最小安全距离下的临界电场阈值验证试验。研究结果可为电力系统安全稳定运行提供技术支撑。

2 安全距离预警系统工作原理

如图1a所示为基于临界电场阈值的带电线路施工机械安全距离预警系统，包括近电感知端、后台中继、云端服务器和手持终端。近电感知端实时监测吊车吊臂端部电场强度，并发送给所述后台中继；后台中继接收到电场强度后与预先设定的阈值进行对比，判断是否报警。同时，后台中继将电场强度大小发送到云端服务器，手持终端通过访问云端服务器实现远程监控。如图1b所示，以汽车吊为例，近电感知端贴附在施工机械顶端，后台中继安装在驾驶室内。

图1 安全距离预警系统工作原理

后台中继设有多个电压等级档位，其对应的电场报警阈值不同，当超过阈值时后台中继会及时向现场作业人员及电力企业人员报警。因此，最小安全距离下电场阈值的选取是本系统的重要环节且直接影响预警效果的可靠性，且不同工况下的电场阈值具有差异性。因此将在下文建立带电环境下作业机械的三维有限元模型，并综合考虑以下工况：有无入侵机械设备，入侵机械设备是否接地，同塔双回路与单回路的区别。

3 最小安全距离下的临界电场数值计算

3.1 计算原理

随着计算机技术的迅速发展，越来越多的学者采用数值方法来计算绝缘子周围的电场和电位分布。最新的电磁场计算方法包括有限差分法、有限元法、表面电荷法、边界元法、矩量法、电荷模拟法等。其中，有限元法具有较强的灵活性，可以求解多自由度问题，已成为电磁场计算的主要方法。

由于交流电压的波长远大于绝缘子串长，绝缘子串在任一瞬间的电场都可近似认为是稳定的，因此可以采用静电场分析瓷绝缘子串周围的空间电场，由静电场原理，电场计算为准静态，空气、金具和施工机械的相对介电常数分别为1、1.0×1010和8.0。计算控制方程如下所示式中，D为电位移，C/m2；ρ为电荷密度，C/m3；E为电场强度，V/m；U为电势，V；ε0为真空的绝对介电常数，取8.85×10−12F/m；ε1为介质的相对介电常数。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。

3.2 仿真模型

文章仿真计算中，输电线路尺寸设置如表1所示。交流输电线路安全距离三维电场计算模型如图2所示。按照国家电网公司电力安全工作规程规定，35 kV、110 kV、220 kV和500 kV下的最小安全距离分别为4.0 m、4.5 m、6.0 m和8.0 m，文章以此为基准设置入侵机械与边相导线间的距离，从而进行仿真分析。为了考虑不同作业位置的影响，文章在仿真时提取边相导线水平外侧、斜45°外侧和垂直下方三个方向的临界电场大小进行对比分析。

图2 交流输电线路安全距离电场仿真模型

3.3 临界电场仿真结果及分析

以110 kV线路、施工机械处于垂直入侵为例，仿真结果如图3和图4所示。从图3、4可以看出，有无入侵机械、作业机械是否接地、杆塔型式均对带电导线安全距离附近的电场分布产生显著影响。

图3 110 kV单回路仿真结果

图4 110 kV同塔双回路仿真结果

进一步分析各个电压等级最小安全距离下的临界电场大小，对比不同工况下的仿真结果如图5所示。

图5 电场阈值计算结果

由图5可知，施工机械入侵位置不同时，最小安全距离下的临界电场值有差异。以110 kV单回路、入侵设备接地情况为例，水平侧方、45°侧方和正下方三个入侵位置的临界电场值分别为29.09 kV/m、24.28 kV/m 和23.24 kV/m。经计算，不同入侵位置下，临界电场值的差异在20.6%～

45.4%。

此外，有无入侵设备、入侵设备是否接地，对最小安全距离下的临界电场也有显著影响。以220 kV线路，当机械水平入侵时，施工机械接地、不接地情况下的临界电场值分别为56.19 kV/m和13.45 kV/m，两者差异很大。

杆塔型式对临界电场值有一定的影响，以110 kV为例，计算得到单回、双回两种情况下的临界电场值差异在11.7%～48.5%。

综上，施工机械设备位置、杆塔型式、接地方式均对最小安全距离下的临界电场值有显著影响。而实际工程中的施工环境是多样的，这些因素都是不确定的，因此需要科学地选取临界电场阈值，从而适用于多种作业场所。为了考虑安全裕度，本文建议采取较低的临界电场值作为报警阈值，即入侵设备不接地、水平方向、单回路条件下的临界电场值仿真结果。现场测试验证见第4节。

4 基于电场阈值的安全距离预警系统及验证

为验证上述临界电场报警值，从而对指导实际使用，利用文章所研制系统在现场开展了施工机械临近电安全距离检测试验。文章所研制的系统装备如图6所示。

图6 施工机械临近电安全距离预警系统装备

图6中左下角装置为前文所述近电感知端，用来测量电场强度。在高压实验室对其开展电场测量校准试验，利用两个圆形、且互相平行的平板电极产生均匀电场，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7所示。由图7可知，所研制系统装备的电场强度测得值与实际值的误差在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。

图7 近电感应器电场测量校准试验

按照前文所述的系统工作方式开展现场试验，即将近电感知端安装在施工机械顶部，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，待数值接近上文所确定的报警阈值时停止操作，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8所示。

图8 现场电场强度及安全距离测量试验

测得不同线路下的临界电场、安全距离实际大，并与理论值进行对比，如表2所示。

表2 吊车入侵电场强度及安全距离测试结果

由表2中结果可知，按照文章所设置的临界电场报警阈值，实际测得的最小安全距离要比理论值大0.7～1.6 m，相对误差在25%以内，表明按照仿真计算结果设置最小安全距离下的临界电场阈值比较合理，且留有一定的安全裕度。

5 结论

文章展开了基于临界电场阈值的带电线路施工机械安全距离预警系统研究，得到如下结论。

(1) 施工机械入侵位置不同时，最小安全距离下的临界电场值有差异，文章仿真得到不同入侵位置下，临界电场值的差异在20.6%～45.4%；有无入侵设备、入侵设备是否接地，对最小安全距离下的临界电场也有显著影响；杆塔型式对临界电场值有一定的影响，仿真得到单回、双回两种情况下的临界电场值差异在11.7%～48.5%。

(2) 考虑到施工环境的多样性和不确定性，以及一定的安全裕度，建议采取较低的临界电场值作为报警阈值，即入侵设备不接地、水平方向、单回路条件下的临界电场值；对于35 kV、110 kV、220 kV和500 kV，临界电场阈值可依次取3.8 kV/m、9.1 kV/m、14.3 kV/m和20.7 kV/m。

(3) 文章所研制的带电线路施工机械安全距离预警系统，设置了相应的临界电场报警阈值后，实际测得的最小安全距离明显大于理论值，且相对误差在25%以内，表明文章所提的临界电场阈值比较合理，且保证了一定的安全裕度。