输电线路带电作业人体在临界安全距离作业下的电场研究

张远建，王 琴，康 坦，王 威，韩 臻，顾亚健

(江苏兴力工程管理有限公司，江苏 南京 210000)

为了确保输电线路的安全稳定运行，带电作业已经成为较为广泛的作业方法[1-2]，带电作业虽然保证了电网的不间断运行，但也增加了作业人员的危险性[3-4]。

电力系统从业人员生命安全和身体健康是供电企业安全生产工作的重中之重，但目前电力安全事故仍然时有发生，形势比较严峻。据国家能源局统计，某年一个月就发生了电力人身伤亡事故 5 起、死亡 6 人，造成了巨大经济损失和不良社会影响[5-6]。因此，带电作业电场监测与报警装置成为研究热点，多数学者对此进行了深入研究[7-9]。例如文献[8]针对现有技术方法的缺陷提出基于电场过限确定安全距离的思路，通过仿真计算得到不同电压等级输电线路安全距离的临界电场，但没有考虑人体侵入的影响，此外，少数文献考虑了人体侵入的影响[10]；但缺少对实际高压输电线路不同电压等级下的差异性进行研究。

为此，本文分别建立35、110、220 kV等级输电线路带电作业的有限元模型，通过计算研究了临界安全距离下的临界电场，研究结果可为带电作业人员的安全性操作提供参考。

1 带电作业人体电场有限元计算模型

1.1 有限元计算原理

本文研究输电线路带电作业人体在临界安全距离作业下的电场，选取准静电场计算模型，计算域控制方程为：

(1)

式中，E为电场强度；D为电位移强度；U为电位值；ε0为真空绝对介电常数，取8.85×10-12F/m；ε1为介质的相对介电常数；e为体电荷密度。

1.2 输电线路安全距离下人体模型

本文仿真计算中，分别以35、110、220 kV等级输电线路为研究对象，研究输电线路带电作业人体在临界安全距离作业下的电场。

根据《国家电网公司电力安全工作规程—在带电线路杆塔上作业与带电导线最小安全距离》的规定，本文设置35、110、220 kV等级输电线路临界安全距离分别为1.0、1.5、3.0 m。

人体作业位置为导线侧方入侵，输电线路导线电压分别设置为35、110、220 kV。

建模所用人体总体身高179 cm，人体腿长90 cm，脚高5 cm，身体长度60 cm，脖子和头高 24 cm，如图1所示。相比于输电线路周围空气，空气电导率为0，而人体近似为导体。因此，本文将人体视为均匀介质，电导率取为 0.1 S/m，相对介电常数取为106。

图1 人体几何模型Fig.1 Geometric model of human body

根据有限元原理的计算方法，对输电线路带电作业人体在临界安全距离作业下的电场进行计算，计算完成后，本文选取人体从头部到脚部的沿面区域作为不同输电线路等级下的电场对比区域。电场对比路线如图2所示。

图2 电场对比区域示意Fig.2 Schematic diagram of electric field comparison area

3 临界安全距离下计算结果及分析

本文计算得到35、110、220 kV输电线路在临界安全距离下的电势和电场分布，同时分析了不同身体部位的电场差异性。

3.1 不同电压等级下的计算结果

以35 kV输电线路在侧方侵入带电作业人体时为例，其整体电场与电势分布如图3所示。

图3 35 kV输电线路整体电场与电势分布Fig.3 Overall electric field and potential distribution of 35 kV transmission line

从图3中可以看出，在输电线路带电作业时，人体表面存在局部电场畸变现象。为更加直观地分析人体表面电场分布，本文给出在35、110、220 kV等级输电线路时的人体电场分布局部图，如图4所示。

图4 不同电压等级下的人体电场分布Fig.4 Human electric field distribution under different voltage levels

从图4中可以看出，在不同电压等级的输电线路带电作业时，同样在临界安全距离下，人体表面电场分布有所差异。对于110 kV和220 kV等级输电线路，其人体表面电场畸变相对35 kV较大。此外，对于相同等级的输电线路，人体表面电场分布存在差异性。以220 kV等级输电线路为例，电场较大的位置分别位于头部，手腕部，肩部和脚部，且近电侧(右半体)和远电侧(左半体)电场分布存在差异性。

为更加准确地分析不同电压等级的输电线路带电作业时人体表面临界电场分布的差异性，本文给出沿左右人体表面电场监测路径的电场分布，如图5所示。

从图5的分析中，可以得到以下结论。

(1)随着电压等级的升高，人体表面在临界安全距离下的电场值有逐渐增大的趋势。例如，以右半体为例，通过计算可知，35、110、220 kV输电线路在临界安全距离下人体表面电场平均值分别为0.77、1.83、2.20 kV/m，220 kV电压等级下平均临界电场较35 kV下的增加了184.69%。

(2)不同身体部分的表面电场差异性较大，表面电场最大值一般出现在左脚底位置。其中，220 kV电压等级下的电场最大值最大，可达19.41kV/m。

(3)近电侧(右半体)临界表面电场平均值略大于远电侧(左半体)。以220 kV电压等级为例，近电侧与远电侧的平均临界场强分别为2.20、1.72 kV/m。

2.2 不同身体部位电场差异性分析

为进一步分析人体不同位置时的电场差异性，本文统计了头顶、右肩部、左肩部、右手腕、左手腕、右脚腕和左脚腕7个位置的电场值，见表1。

图5 监测路径下的不同电压等级下的人体电场分布Fig.5 Human electric field distribution under different voltage levels under monitoring path

表1 不同身体部位电场差异性Tab.1 Difference of electric field in different body parts

从表1中可以得出：①人体不同位置的电场差异性较大，以220 kV电压等级下的电场计算结果为例，最小值位于左肩部，仅为1.07 kV/m，最大值位于左脚腕处，可达14.71 kV/m，二者相差13.71倍。②不同电压等级下的最大电场出现的位置相同，均为左脚腕处。而最小电场出现的位置有差异，对于35 kV和110 kV等级输电线路的最小电场，均出现在头顶处，而220 kV等级输电线路的最小电场出现在左肩部。③在进行带电作业人体电场监测与报警设备研制时，需要考虑报警器穿戴位置进行报警阈值的设定。

2.3 基于穿戴式近电感知装置的试验验证

为了验证本文提出的不同身体位置的报警阈值，以基于一种穿戴式近电感知装置、35 kV等级的电压为例，进行了试验验证，为保证试验人员安全，本文使用模拟人体的假人进行穿戴试验，向高压端入侵的方式与仿真设置的一致。其中穿戴式近电感知装置如图6所示。

电场探头通过电磁感应，探测穿戴位置(例如手腕脚腕)附近电场强度信号，检测主板对该信号进行滤波放大处理后，计算得到电场强度大小；检测主板识别旋钮对应的电压等级档位，根据所穿戴的身体位置设置报警阈值。

以35 kV等级的电压为例，头顶、右肩部、左肩部、右手腕、左手腕、右脚腕和左脚腕处的电场阈值分别设置为0.25、2.50、1.57、4.01、1.60、2.12、4.14 kV/m；检测主板将计算得到的电场强度大小预先设定的阈值进行对比，从而判断是否越限，如果越限，则蜂鸣器报警。

根据穿戴不同身体位置的试验结果，可以得到不同穿戴位置的报警距离和与实际安全距离的报警偏差，如图7所示。

图7 报警距离及偏差Fig.7 Alarm distance and deviation

从图7中可以看出，穿戴不同身体位置时的报警距离均在1 m附近浮动，误差绝对值最大值为0.09 m，最大误差仅为8.26%，虽然有一定的报警误差，但是误差范围较小，说明根据穿戴位置设置不同的报警阈值符合实际情况，值得在工程应用中采用。但由于偏差的存在，在实际应用中对报警阈值设置10%的裕度较为合理。

3 结论

本文建立了带电作业人体在35、110、220 kV等级输电线路作业的有限元模型，研究输电线路带电作业人体在临界安全距离作业下的电场，主要得出以下结论。

(1)随着电压等级的升高，人体表面在临界安全距离下的电场值有逐渐增大的趋势。例如，220 kV电压等级下平均临界电场较35 kV下的增加了184.69%。

(2)近电侧(右半体)临界表面电场平均值略大于远电侧(左半体)，以220 kV电压等级为例，近电侧与远电侧的平均临界场强分别为2.20、1.72kV/m。

(3)人体不同位置的电场差异性较大，以220 kV电压等级下的电场计算结果为例，最小值位于左肩部，仅为1.07 kV/m，最大值位于左脚腕处，可达14.71 kV/m，二者相差13.71倍。

(4)基于穿戴式近电感知装置的试验验证表明，根据穿戴位置设置不同的报警阈值符合实际情况，值得在工程应用中采用。但由于偏差的存在，在实际应用中对报警阈值设置10%的裕度较为合理。