±800kV直流线路工程邻近带电体架线施工防护研究

彭飞，周亚傲，肖斌，邵宇鹰，周孝法

±800kV直流线路工程邻近带电体架线施工防护研究

彭飞1，周亚傲1，肖斌2，邵宇鹰2，周孝法2

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100055；2.国网上海市电力公司，上海 200137）

考虑直流输电线路邻近带电体架线施工风险，利用表面电荷法得到导线表面电场强度数学模型，应用有限元计算了邻近±800 kV直流输电线路和T型塔的空间电场分布情况，给出了架线施工时邻近线路和T型塔的最小关注距离。研制了直流电场安全监控报警装置并用于验证有限元仿真结果；依托昌吉–古泉±1 000 kV特高压直流工程甘3标段完成了装置功能验证，结合验证结果给出了邻近带电体施工管控措施。研究结果可为邻近带电体架线安全施工提供技术参考。

特高压直流输电；输电线路；邻近带电体；微电子机械系统；电场测量；安全防护

0 引言

受输电线路工程路径走廊空间限制，新建输电线路工程面临着与带电运行线路工程共用路径走廊、平行架设的施工环境。因带电运行线路存在静电感应、电磁感应，新建线路工程施工不可避免会受到带电运行线路产生的“电害”等干扰[1]，甚至影响到施工作业人员的安全。

为了系统性分析邻近带电运行线路感应电的影响，同时考虑输电线路周围场点到导线的距离远小于时谐电磁场在空气中波长的原因，采用静态电场的分析方法[2,3]，首次应用有限元计算带电运行的±800 kV特高压直流输电线路的空间电场分布情况。

为使现场施工人员在输电线路邻近带电体施工时不受邻近带电体产生的电害影响，本文通过有限元计算，细致分析环境因素和复杂工况对邻近带电体区域内电场分布情况的影响，精细化邻近带电体施工的安全距离和施工防护措施准则，为已形成的安全施工经验和措施提供更为充分的理论依据，并在此基础上进行预警装置和预警软件平台的研制。利用直流电场安全监控报警装置在昌吉–古泉±1 000 kV特高压直流工程进行测试，验证了有限元计算的结果，得出了施工人员线路施工时最小关注距离。

1 邻近带电体对线路工程施工影响的评估计算

1.1 邻近带电体感应电分布计算原则

采用等效半径法，将分裂导线用单根等效导线代替，通过计算每根等效导线的总电荷得到导线表面场强。

分裂导线的等效半径为：

以某±800 kV直流线路工程邻近带电体施工为算例。

T型杆塔如图1所示。杆塔全高63.800 m，呼称高57 m，地线挂点水平距离13.320 m，导线挂线水平距离10.459 m。图中，红色圆是导线，蓝色圆是地线。

图1 算例±800 kV工程T型塔示意图

为了降低有限元计算规模、提高计算效率，假设如下：

1）电荷分布沿输电线长度不存在畸变。

2）杆塔各处有效接地，不考虑绝缘子串等非金属部件对电场产生的影响。

3）地面为无穷大导体，电位为零。

4）邻近直流线路采用静电场分析选项。

5）计算杆塔或线路模型最大尺寸1.5倍空间内的电场分布，1.5倍空间以外视为无穷远处。

考虑到电场在线路或杆塔周围存在耗散效应，有限元计算模型包括线路或杆塔模型、空气域模型和无线场域模型。

空气域模型选用3-D实体单元SOLID 122单元，用于求解电场的空间分布；无线场域模型选用特殊单元INFIN 111单元。2种单元均为20节点的六面体单元。

采用局部自由–整体映射的网格划分原则，即：大部分空气域、无线场域采用映射划分，仅在不规则几何模型（如杆塔）、几何模型与紧邻空气域之间采用自由划分，如图2所示。图中，红色区域外的空气域和无限场域均采用映射分网，红色区域内部线路与空气域之间采用自由分网，紧邻线路的局部空气域采用映射分网。该划分原则可进一步提升有限元模型的计算效率和计算准确性。

图2 线路电场分布模型局部自由–整体映射网格划分

1.2 邻近线路的电场分布计算

图3 邻近±800 kV直流线路电场有限元计算截图

±800 kV直流输电线路周围电场分布如图4—7所示。由图可知，电场分布主要集中在线路下方，在线路左侧、右侧、上方的电场分部较少。

由图4可知：±800 kV直流输电线路下方电场在地面电场强度峰值为2.26 kV/m；在离地面高度为45 m时，电场强度峰值为84.60 kV/m，感应电场强度随离地面高度增加而增大；在离地面高度为0～35 m时，电场强度随水平距离的增加而减小；在离地面高度为40～45 m时电场强度随水平距离的增加先增大后减小。

图4 ±800 kV直流输电线路下方电场分布

Fig. 4 Distribution of electric field under ±800 kV DC transmission line

图5 ±800 kV直流输电线路上方电场分布

图6 ±800 kV直流输电线路（左侧）电场分布

由图5可知：±800 kV直流输电线路上方电场在离地面高度为65 m时，电场强度峰值为7.70 kV/m，电场强度随离地面高度增加而减小；在离地面高度为65～75 m时，电场强度随水平距离的增加先减小后增大再减小；在离地面高度为80～85 m时，电场强度随水平距离的增加先增大后减小。

由图6、图7可知，±800 kV直流输电线路左侧和右侧电场强度随离地面高度增加而减小。

图7 ±800 kV直流输电线路（右侧）电场分布

参考国际非电离辐射防护委员会规定的 25 kV/m直流电场强度限值，计算电场强度不超过25 kV/m的空间范围，结果如表1所示。从表1可以看出，该空间范围的邻近线路的水平距离随距地高度变化。

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表1 邻近±800 kV直流输电线路电场强度不超过25 kV/m的空间范围

1.3 邻近杆塔的电场分布计算

邻近T型塔电场分布的有限元计算截图如图8所示。由图可知，邻近杆塔的电场强度在导线附近加强，在地线附近减弱，电场强度峰值主要分布在导线和杆塔之间。

图8 邻近±800 kV直流工程T型塔电场有限元计算截图

T型塔周围电场分布见图9—13。由图可知，电场分布主要集中在输电线路下方，在线路左侧、右侧、上方的电场分部较少。

由图9、图10可知，T型塔下方电场在地面电场强度峰值为1.48 kV/m。在离地面高度为45 m时，电场强度峰值为93.62 kV/m；在水平距离 40 m内，感应电场强度随离地面高度增加而增大；水平距离超过40 m后，感应电场强度大小基本不受地面高度的影响。在离地面高度为0～40 m时，电场强度随水平距离的增加而减小；在离地面高度为45 m时，电场强度随水平距离的增加先增大后减小。

由图11、图12可知，T型塔左侧和右侧电场强度随离地面高度增加而减小。在距地高度为50～55 m时，电场强度随水平距离的增加而减少；在距地高度为60 m时，电场强度随水平距离的增加先增加后减小。

图9 ±800 kV T型塔（左侧）电场分布

图10 ±800 kV T型塔（右侧）电场分布

图11 ±800 kV T型塔（左侧）电场分布

图12 ±800 kV T型塔（右侧）电场分布

由图13可知，电场在塔上方离地面高度为65 m时，电场强度峰值为2.31 kV/m；电场强度随水平距离的增加先增加后减小。可见，由杆塔引入的畸变电场使地面附近的电场强度降低[4]，使线路附近的电场强度增大，使线路上方的电场强度降低。

计算T型塔电场强度不超过25 kV/m的空间范围，结果如表2所示。从表2可以看出，邻近±800 kV工程T型塔时，电场强度不超过25 kV/m的空间范围在紧邻线路的40～55 m高度处，距邻近线路的水平距离随高度而变化；其他空间区域中电场强度值均小于25 kV/m，属安全范围。

表2 邻近±800 kV工程T型塔电场强度不超过25 kV/m的空间范围

由表1和表2数据可知，同一电压等级、同一杆塔类型的情况下，邻近线路和邻近杆塔2种情况对应的电场强度不超限值的空间范围并不相同。一般而言，在邻近杆塔情况下要求的水平方向距离值更大、垂直方向距离值更小；该结果反映出在多数情况下，杆塔引入的畸变电场具有增大空间电场强度的效果。

2 线路施工时最小关注距离

2.1 邻近±800 kV直流输电线路

邻近±800 kV直流输电线路人体的峰值电场计算结果见图14所示，对应的关注距离见表3。

由图14知，当人体对地高度为0～15 m时，随着距邻近线路水平距离的增大，人体峰值电场的变化趋势为先增大后减小。该结果与前述线路下方电场主要集中在线路附近的结论是一致的。当人体对地高度为20～65 m时，人体峰值电场随距邻近线路水平距离的增大而减小。这种变化趋势反映出线路附近电场作用于人体的影响。

图14 邻近±800 kV直流工程人体峰值电场分布

表3 邻近±800 kV直流输电线路人体关注距离

从表3可见，邻近±800 kV直流输电线路人体关注距离是比较小的，在距离地面30～60 m高度范围内人体关注距离集中在4.8～8.7 m范围内。

2.2 邻近±800 kV直流工程T型塔

邻近±800 kV工程T型塔直流输电线路人体的峰值电场见图15，对应的关注距离见表3。

由图15知，当人体对地高度为0～25 m时，随着距邻近线路水平距离的增大，人体峰值电场的变化趋势为先增大后减小；当人体对地高度为30～65 m时，人体峰值电场随距邻近线路水平距离的增大而减小。从数值来看，邻近±800 kV T型塔的人体峰值电场远高于邻近线路情况。杆塔引起的畸变电场是造成这一变化的主要原因。

图15 邻近±800 kV直流工程T型塔人体峰值电场分布

表4 邻近±800 kV T型塔人体关注距离

从表4可见，在25～55 m高度范围内，邻近±800 kV直流工程T型塔情况下人体关注距离集中在11.6～24.1 m范围内。

3 实验验证

为验证本文用有限元方法得到的邻近±800 kV直流工程T型塔人体关注距离，研制了微电子机械系统（Micro-electro-mechanical system，MEMS）直流电场安全监控报警装置，并对邻近±800 kV直流工程T型塔的电场进行了测量。

MEMS直流电场安全监控报警装置结构如图16所示。图中，装置主要包括MEMS电场传感器探头、激励与信号处理模块、北斗定位模块、CPU、232分配器、232 DTU、433 DTU、GPRS DTU、电源模块、锂电池、指示灯、开关、高亮度报警灯以及高分贝蜂鸣器等[5-7]。样机实物如图17所示。MEMS电场安全监控报警装置性能[8]主要由MEMS电场传感器探头决定。采用电场测试自动标定系统测试MEMS电场传感器探头的分辨力，测试结果见图18所示。由图可知，分辨能力达到20 V/m。

图16 MEMS直流电场监控报警装置结构

图17 安全监控报警装置实物

选取了昌吉–古泉±1 000 kV特高压直流工程甘3标段进一步测试MEMS直流电场安全监控报警装置功能。该标段与已投运的哈密南–郑州±800 kV特高压直流输电工程存在长距离的平行，邻近哈郑直流线路。

图18 直流电场分辨力测试结果

如图19所示，在T型塔从地面至横担处共计5个平面上实测10个点。观察人在高空作业时，所面临的电场场强变化情况；同时，测量电场强度的变化情况。

图19 T型塔电场实测点分布

MEMS直流电场安全监控报警装置在邻近±800 kV特高压直流线路时的测试数据如表5所示。由表可知，测试电场强度随离地面距离的增加先增大后减小，与有限元计算结果趋势一致。

表5 邻近±800 kV特高压直流线路感应电数值

4 邻近带电体施工管控措施研究

输电线路邻近带电体施工时，为保护现场施工人员不受邻近带电体产生的电害影响、避免触电，需要做好三方面的工作：划定工作区、佩戴监测装置和做好接地工作。

4.1 划定工作区

根据《邻近带电体组塔及架线施工工艺导则》标准规定，当电压等级为±800 kV时，作业人员或机械器具与带电线路及其他带电体的风险控制值为17 m。通过有限元仿真计算，避免产生感应电的危害所应进行的最小关注距离计算值为24.1 m，发现计算值大于标准规定值。建议施工时根据计算值划定工作区，树立警示牌。

4.2 佩戴监测装置

在邻近带电体施工过程中，给人员及设备佩戴本文研制的MEMS电场安全监控报警装置。当人员及设备进入近电施工危险区域时，安全监控报警装置及时进行声光报警，可有效避免感应电害及触电事故。

4.3 做好接地工作

邻近带电体架线施工管控措施[9,10]主要针对施工工器具及人员的管控，具体措施包括：

1）牵张设备应可靠接地，临时接地应符合要求，即牵、张机机体接地和牵、张机前方线（绳）分别安装接地滑车。

2）牵张设备操作人员应站在干燥的绝缘垫上且不得与未站在绝缘垫上的人员接触。

3）施工线路近距离平行于带电体，各直线塔放线滑车必须采用专用接地线接地，也可采用专用导电放线滑车，防止感应电害。

4）接地棒应镀锌或采取防腐措施，直径应不小于12 mm，插入地下深度大于0.6 m。

5）在导引绳展放、升空施工过程中，对铁塔的接地逐基检查，确保良好，对导引绳挂、卡、拉的情况采用绳子拉、拽的方法升空，同时在金属导引绳的两端进行接地。导引绳展放后由专人对连接器进行连接、检查，防止拉开等意外发生。

5 结论

以±800 kV直流线路工程邻近带电施工为研究背景，采用静态电场的分析方法，利用有限元开展了±800 kV直流线路邻近带电体感应电计算，确定了施工最小关注距离，并提出了邻近带电体施工管控措施。主要结论如下：

1）邻近±800 kV输电线路时，电场分布主要集中在线路下方，并随高度增加而增大。高度为45 m时，场强峰值为84.6 kV/m。在30～60 m高度范围内，人体关注距离集中在4.8～8.7 m范围内。

2）邻近±800 kV T型塔时，电场强度在导线附近加强，在地线附近减弱，电场强度峰值主要分布在导线和杆塔之间。高度为45 m时，电场强度峰值为93.62 kV/m。在高度25～55 m范围内，邻近±800 kV线路T型塔情况下，人体关注距离集中在11.6～24.1 m范围内。由杆塔引入的畸变电场使地面附近的电场强度降低，使线路附近的电场强度增大。

3）研制了MEMS直流电场安全监控报警装置。该设备测量量程为0～1 000 kV/m，分辨能力为20 V/m，能满足输变电线路工程邻近带电体施工测量需求，可用于避免近电施工中人员及设备的感应电害及触电事故。

4）提出了邻近带电体架线施工防护措施，主要包括划定工作区、佩戴监测装置和做好接地工作。

[1] 刘鹏. 施工线路平行接近高压运行线路感应电影响及预防措施[J]. 中国高新科技, 2020(24): 14-15. LIU PENG. Influence and preventive measures of the construction line paralleling to the high-voltage operating line[J]. China High and New Technology, 2020(24): 14-15(in Chinese).

[2] 于建立, 张迎栋, 程龙, 等. 基于优化模拟电荷法的直流输电线路电场特性计算[J]. 控制理论与应用, 2022, 39(3): 469-479. YU JIANLI, ZHANG YINGDONG, CHENG LONG, et al. Calculation of electric field characteristics of direct current transmission lines based on optimized charge simulation method[J]. Control Theory & Applications, 2022, 39(3): 469-479(in Chinese).

[3] 宋福根, 林韩, 兰生. 特高压输电线路交叉跨越区域工频电场分布计算[J]. 电气技术, 2016(1): 6-10. SONG FUGEN, LIN HAN, LAN SHENG. Accurate calculation of distribution of power frequency electric field for crossing UHV transmission lines[J]. Electrical Engineering, 2016(1): 6-10(in Chinese).

[4] 杨勃, 徐禄文, 刘彤. 高压交流输电线路邻近城市高层建筑时的畸变电场计算[J]. 南方电网技术, 2021, 15(10): 59-64. YANG BO, XU LUWEN, LIU TONG. Calculation of distorted electric field for high-voltage AC power transmission lines adjacent to urban high buildings[J]. Southern Power System Technology, 2021, 15(10): 59-64(in Chinese).

[5] 黄雄峰, 肖粲然, 张宇娇. 临近带电体作业设备报警装置研制[J]. 中国电力, 2018, 51(4): 1-6. HUANG XIONGFENG, XIAO CANRAN, ZHANG YUJIAO. Design and implementation of distance measuring and warning device for live working[J]. Electric Power, 2018, 51(4): 1-6(in Chinese).

[6] 朱明柱, 李浙学, 凌攀, 等. 基于ZigBee的临近带电体安全距离报警装置研制[J]. 通信电源技术, 2017, 34(1): 70-72. ZHU MINGZHU, LI ZHEXUE, LING PAN, et al. Design and implementation of distance measurement device adjoining high voltage potential based on ZigBee[J]. Telecom Power Technologies, 2017, 34(1): 70-72(in Chinese).

[7] 范良进. 输变电作业安全预警用工频电场传感器设计与检测研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2020. FAN LIANGJIN. Design and detection of power frequency electric field sensor for safety early warning of power transmission and distribution operation[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2020(in Chinese).

[8] 全国微机电技术标准化技术委员会. MEMS电场传感器通用技术条件: GB/T 35086-2018[S].北京: 中国标准出版社, 2018.

[9] 电力行业高压直流输电技术标准化技术委员会. ±800 kV架空输电线路张力架线施工工艺导则: DL/T 5286-2013[S]. 北京: 中国电力出版社, 2013.

[10] 刘勇, 刘承志, 任红昕, 等. ±1 100 kV吉泉线并行交流特高压线路施工中电磁感应及接地分析[J]. 电测与仪表, 2019, 56(21): 103-109. LIU YONG, LIU CHENGZHI, REN HONGXIN, et al. Research on electromagnetic induction and grounding analysis of Jiquan ±1 100 kV Anhui-to-East UHV parallel AC line construction[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2019, 56(21): 103-109(in Chinese).

±800 kV Direct Current Line Project Adjacent to the Construction of Live Wire Protection

PENG Fei1, ZHOU Yaao1, XIAO Bin2, SHAO Yuying2, ZHOU Xiaofa2

(1.China Electric Power Research Institute, Beijing 100055, China; 2.State Grid Shanghai Electric Power Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

Considering the construction risk of the direct current transmission line adjacent to the electrified body, the mathematical model of the electric field intensity on the conductor surface is obtained by using the surface charge method, and the spatial electric field distribution of ±800 kV DC transmission lines and t-type towers is calculated by using the finite element method, with providing the minimum attention distance between adjacent lines and T-type towers during overhead line construction. A DC electric field safety monitoring and alarming device was developed and used to verify the finite element simulation results, and the functional verification of the device was completed based on the Gan 3 bid section of the Changji-Guquan ±1 000 kV UHVDC project, and combined with the verification results, the construction management and control measures of adjacent electrified bodies are given. The research results can provide a technical reference for the safety construction of adjacent electrified body.

ultra-high-voltage direct current transmission; transmission lines; adjacent live bodies; micro-electro-mechanical system; electric field measurement; safety protection

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2024.03.008

TM752

A

1672-0792(2024)03-0070-09

国家电网有限公司总部管理科技项目（5200-202217091A-1-1-ZN）。

2023-09-15

彭飞（1988—），男，高级工程师，研究方向为输变电工程架空导地线施工技术；

周亚傲（1991—），男，工程师，研究方向为输变电工程施工技术及施工装备、施工安全质量智能监测、近电施工监测预警；

肖斌（1982—），男，高级工程师，研究方向为输变电工程项目管理、施工技术及施工装备、智能监测；

邵宇鹰（1977—），男，高级工程师，研究方向为智能感知、基建现场作业智能管控；

周孝法（1973—），男，教授级高级工程师，研究方向为输变电工程建设技术及智能装备。

彭飞