基于体表电场的110 kV电缆终端绝缘子带电作业方式选择研究

何光华，王兴宇，徐 骏，吴 田，黎 鹏

(1.国网无锡供电公司，江苏 无锡 214000；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌，443002；)

0 引言

随着城市化水平提高，城市电网的电缆化水平越来越高且提出了高可靠性的运行要求，我国经济发展和电力建设对110 kV及以上高压交联电缆的需求很大，近几年其增长比例为20%到25%。高压电缆终端长期暴露在户外，积污[1-2]、污闪[3-4]、绝缘子产品家族性缺陷、安装调试不当以及运行维护不到位等多种因素，会使电缆终端支柱绝缘子产生缺陷和故障[5-6]。电缆终端绝缘子主要起绝缘、支撑电缆终端的作用，严重的缺陷甚至使电缆终端发生位移导致故障，影响电缆线路安全可靠运行[7-9]。目前，高压电缆线路运维、检修、消缺和修复工作必须要在线路停运之后才能进行，对电缆线路的供电可靠性造成极大的影响。

带电作业是确保电力设备运行可靠性和安全的重要的技术手段，为确保作业人员的安全，目前国内外在输电线路带电作业的间隙距离、作业方法、工器具以及安全防护等方面开展了大量研究。电场防护是开展带电作业的关键参数，近年来国内学者在电场测量、仿真及防护等方面开展了大量的研究工作：刘会家等学者对超特高压输电线路带电作业方式进行了分析，为带电作业的开展、进入路径及作业人员的安全防护提供了参考[10-16]。宫瑞磊等采用时域有限元对电缆终端的电场进行了计算[17]， Miller C J对带电作业过程中典型作业工况下的电场进行了测量[18]，Göcsei G和罗日成等[19-20]对电场的安全防护进行了研究。

综上所述，目前在架空输电线路带电作业的研究比较全面，对电缆线路带电作业方式及人员防护方面的研究较少。由于电缆终端结构紧凑，且和现有的线路和变电站间隙的差异较大，另外国内对110 kV电缆带电作业及其方式缺少研究，因而基于电缆终端带电作业时的人体电场分布研究，为110 kV电缆终端带电作业方式的选择提供依据，对保证高压电缆线路的供电可靠性具有非常重要的意义。

1 仿真模型及计算

目前在110 kV及以上设备开展带电作业时，可以采用地电位、中间电位和等电位等3种作业方式，因而针对110 kV电缆终端塔上的终端绝缘子在3种带电作业方式下的人体体表电场进行了分析，仿真模型见图1。电缆终端塔用无锡110 kV单回路电缆终端杆模型，塔高26 m，电缆终端平台高9 m，电缆线从终端处引出接地。电缆终端依据110 kV XLPE电缆整体预制干式绝缘户外终端装配图建模，相间距离2 m，选择电缆线芯630 mm2。

图1 电缆终端带电作业整体模型及典型站位

人体模型参照人机工程学中中国男性的平均测量尺寸，身高168 cm，头部为椭球形，头围560 mm，身体厚度为212 mm，长533 mm，腿长834 mm，手臂长550 mm，建模尽量用球形和圆柱，所有尖角处用圆角处理[20]。

用一扇形区域模拟周围的无限空气开区域，包住整个模型，大小为模型的4到5倍，半径为120 m，边界施加0电位模拟无限空气域[21]。

模型中主要材料及其相关参数见表1。

表1 电场仿真材料属性参数

对于9 m高的电缆终端，等电位作业时需要借助绝缘梯、绝缘斗臂车或可升降的绝缘平台。进入等电位作业位置后，为了减小对作业间隙的短接，作业人员的脚部与电缆终端的顶部(高压引线位置)齐平并采用下蹲姿势，以电缆终端的中心线为水平的零点，获得距离电缆终端0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m等几个水平距离下的人体体表电场。

地电位作业站位见图 2，人体位于A相，水平距离电缆终端1m，竖直方向3个站位：1)肩部与电缆终端平台平齐，2)头部低于平台，3)终端塔底部。

图2 地电位作业站位示意图

中间电位作业时，人体与B相电缆终端平行，头部平行于电缆终端的末端，站位从紧贴电缆终端开始，水平方向远离终端；竖直方向上，在人指尖距电缆终端1 m处有3个站位：1)头部平行电缆终端末端(铝护套)，2)手部平行电缆终端末端，3)头部平行于应力锥。

计算的初始化条件是在电缆线芯施加额定相电压，在工作相施加110 kV相电压幅值89 kV，非工作相施加-44 kV电压，应力锥施加0 kV电压，电缆屏蔽层接地，施加0电位。在地电位作业时人体施加0电位；中间电位作业时人体采用自由耦合，悬浮电位；等电位作业时人体施加电压89 kV。

2 结果与分析

2.1 地电位作业时人体人体体表电场

电缆终端带电消缺地电位作业，站位1时整体的电场分布见图 3。由图 3(b)可知，地电位作业人员在该站位和作业姿势下头部电场最大，且最大值为2.08 kV/m。

图3 地电位作业站位1时人体电场分布

位于A相不同位置带电作业时，人体各部位电场值见图 4(图中的位置是头顶到地面的距离)及表2，可知，在靠近电缆终端的过程中，电场值上升，最大值由头部转移到手部，站位3时，手部电场最大值达到77.91 kV/m。

从整体趋势来看，人体各部位电场都呈上升趋势，手指部位的电场上升幅度最大。头部作为进入强场区方向上的人体突出部位在站位3时的电场也达到42.29 kV/m。当地电位作业人员在电缆终端平台底部采用绝缘操作杆作业时，距离高压端较远时，人体体表各部位的电场处于较低水平。

图4 人体各部位电场

表2 不同站位人体不同部位电场比较

2.2 等电位作业时人体体表电场

等电位作业时接触带电体，由图 5 (图中位置是人与电缆终端的距离)及表3可知，紧贴电缆终端处，脚部电场达到最大值940.98 kV/m，远离终端的过程中，电场呈下降趋势。

图5 人体各部位电场

表3 不同站位人体不同部位电场值对比

从整体趋势来看，膝盖的电场值最低，曲线最为平滑，虽然有所波动，但整体电场在200 kV/m左右；背部的电场随人与电缆终端的距离的增大先上升后下降；贴近终端时头部电场最小，在距离电缆终端0.1 m处达到峰值之后呈下降趋势；手部电场也是随人与电缆终端的距离的增大先减小后上升，最小值在距离电缆终端0.3 m处，电场值为519.88 kV/m。因此等电位作业以下蹲姿势进行时，一方面可以减小短接的空气间隙，还可以避免人体体表电场和间隙电场的畸变。

2.3 中间电位作业时人体体表电场

当作业人员在地面由升降绝缘平台进入作业位置的过程中，体表各部位电场的变化见图 6，由图 6(图(a)中的位置是手与电缆终端的水平距离，图(b)中位置是头与地面的垂直距离)及表4可知，中间电位作业时电场最大值始终位于指尖，手指作为人体突出部位，畸变电场较大；脚部电场最小，最大值不超过10 k V/m；头部电场值水平方向不超过7 kV/m，竖直方向最大值为8.49 kV/m。因而，中间电位作业时电场比等电位时小，安全性相对较高。

图6 中间电位作业位移时人体的电场

表4 中间电位作业人体各部位电场

2.4 作业方式的选择及电场防护

在3种作业方式下，地电位和中间电位的最小距离为1 m，等电位和中间电位下的最小安全距离为1.2 m。通过对110 kV电缆终端塔进行校验，安全间隙均满足要求。在作业过程中为了避免作业人员的误操作而侵占过多的作业间隙，可以安装绝缘限位装置。

在作业间隙满足相关规范的要求的基础上，作业人员的电场特点及防护则尤为重要。等电位作业方式下人体体表电场最大，其次为地电位，最小为中间电位。一般认为，人体在均匀电场中，电场梯度在25 kV/m时，没有不正常反应，人体皮肤对表面局部场强的“电场感知水平”为240 kV/m，即为人体能承受的最大电场强度。所以，在中间电位和地电位作业时，人体各部位电场值均没超过人体的感知水平。在中间电位和地电位作业时可以通过增加与带电体的距离来减小体表的电场强度，还可以增大作业的安全距离，提高作业的安全性。

虽然110 kV电缆终端采用地电位和中间电位作业时的电场水平没有超过电场的感知水平，但仍然超过了相关标准给出的极低频电磁场的暴露水平限值，如ICNIRP[22]给出的极低频电场的居民和职业的暴露水平分别为5 kV/m和10 kV/m。而ICNIRP要求的职业暴露的时间为不大于8 h。根据现有的计算，在3种作业方式下，作业人员的体表均可能超过ICNIRP给出的职业暴露电场水平。

因而在110 kV电缆终端附近带电作业时，推荐作业人员穿戴屏蔽服，屏蔽服技术要求及屏蔽后人体电场最大值按照国家标准GB/T 6568-2008《带电作业用屏蔽服装》[23]规定，带电作业用屏蔽服屏蔽效率不小于40 dB，公式为

(1)

式中：E1为没有屏蔽时接收电极上的电场，E2为经屏蔽后的电场，当等电位作业人体电场为1 000 kV/m，屏蔽效率为40 dB时，屏蔽后的电场为10 kV/m，满足要求。

3 结论

根据110 kV XLPE电缆整体预制干式绝缘户外终端实际结构参数，建立正常运行时的三维计算模型，并搭建了不同带电作业方式的三维仿真模型，得到以下结论。

1)地电位作业时，手指作为人体突出部位，电场最高，地电位作业人体电场未超过人体能承受的最大电场240 kV/m。

2)等电位作业采用下蹲姿势，膝盖电场最小，未超过人体能承受最大电场，但等电位作业人体电场值极高，紧贴终端时脚部电场最大值可达到940.98 kV/m，因此电缆终端带电消缺作业等电位作业时应穿屏蔽服。

3)中间电位作业时，手指距离电缆终端1 m处，头部平行应力锥时电场最大，值为25.46 kV/m，电场值很小，不超过人体所能承受的最大电场。

4)3种作业方式下，作业人员的体表均可能超过ICNIRP给出的职业暴露电场水平，作业时推荐穿戴屏蔽服。