110 kV及以上變電設(shè)備帶電作業(yè)電場分布計(jì)算與仿真

朱翔宇，李人晟，劉功能，李百檔

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410005；3.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004)

110 kV及以上變電設(shè)備帶電作業(yè)電場分布計(jì)算與仿真

朱翔宇1，李人晟2，劉功能3，李百檔3

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410005；3.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004)

通過對不同電壓等級、不同設(shè)備等電位帶電作業(yè)時電場分布的計(jì)算，得出人體與周圍設(shè)備的電場分布圖。給出不同工況下人體周圍的最大場強(qiáng)和最大畸變率，以及人體進(jìn)入高電位過程中的人體電位分布，指出帶電作業(yè)人員作出典型動作時，人體突出部位電場強(qiáng)度較大、易發(fā)生畸變。

變電設(shè)備；帶電作業(yè)；電場分布；場強(qiáng)畸變

變電站電氣設(shè)備布置緊湊，凈空距離小，在電氣設(shè)備出現(xiàn)缺陷的情況下，帶電作業(yè)過程中安全距離和組合間隙安全性方面要求比較嚴(yán)格，并且變電站中的一些設(shè)備如斷路器、隔離開關(guān)和電流互感器等帶電檢修作業(yè)過程中一般會面對大電流接入與開斷操作，另外這些電器設(shè)備還與變電站保護(hù)系統(tǒng)有關(guān)，所以在變電站內(nèi)變電設(shè)備帶電作業(yè)對作業(yè)工具和作業(yè)技術(shù)有著更高的要求。

1 變電設(shè)備帶電作業(yè)電場分布計(jì)算與仿真

變電站帶電作業(yè)與線路帶電作業(yè)的區(qū)別在于變電設(shè)備絕緣的要求和占地的限制，變電設(shè)備相對地距離和相間距離都設(shè)計(jì)得比同電壓等級的線路要緊湊的多，帶電作業(yè)時各變電設(shè)備對空間電場的影響較大，所以建模時考慮將不同設(shè)備按照變電站的常規(guī)布置進(jìn)行組合，在1個或多個間隔中進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.1 仿真模型建立

如圖1所示，人體身高1.80 m，左手臂向前伸直模擬帶電作業(yè)時人體手部突出部位，右手臂彎曲以模擬帶電作業(yè)時肘部突出部位。

1.2 500kV電壓等級設(shè)備帶電作業(yè)電場分布計(jì)算與仿真

如圖2所示，建立母線、引下線，進(jìn)出線時，用直線母線代替有小弧垂的母線。對于斷路器、互感器和避雷器等變電設(shè)備，不同介質(zhì)面與面接觸時剖分效果較差，所以采用留有一段距離并在應(yīng)接觸面施加相同高電位的方法模擬導(dǎo)線連接情況。

人體處于A相母線正下方，距離A相互感器水平距離3.2m，由于人體在作業(yè)時會穿著全金屬屏蔽服，把人體相對介電常數(shù)設(shè)置為與金屬一樣，并進(jìn)行自耦合處理，電場中人體設(shè)置為浮動電位體從豎直方向接近母線進(jìn)入高電位，過程如圖2中箭頭方向所示。

母線距離地面高度16m，長度為10m，考慮A相電壓最大時的情況，故A，B，C三相電壓分別為:

絕緣柱底座、GIS斷路器接地部分等加載零電位，母線、引下線、進(jìn)出線等按照相序加載電壓，并在與帶電設(shè)備連接處施加于對應(yīng)導(dǎo)線相同的高電位，所有實(shí)體被2個空氣立方體包圍，地面和外包空氣邊界加載零電位。按照人體進(jìn)入高電位的方式，計(jì)算時改變?nèi)梭w在豎直方向上的位置，分別計(jì)算人體距離母線6m，4.4m，2.8m的情況。電場分布如圖3所示，計(jì)算結(jié)果見表1。

1.3 220kV電壓等級設(shè)備帶電作業(yè)電場分布計(jì)算與仿真

220 kV模型選取的是220 kV變壓器出線端B相電壓互感器進(jìn)行等電位帶電作業(yè)時人體與周圍設(shè)施的電場分布情況。

使人體距離地面4.3m，在水平方向上從距離2m開始向電壓互感器靠近，人體的前處理方式與500 kV計(jì)算時相同，相對介電常數(shù)設(shè)定跟金屬一致，并且進(jìn)行自耦合，水平移動過程中當(dāng)作浮動等電位體處理，移動過程如圖4所示。

加載條件考慮B相相電壓最大的情況，故A，B，C三相電壓分別為:

金屬底座等接地部分加載零電位，引下線、進(jìn)出線、連接線等按照相序加載電壓，并在與帶電設(shè)備連接處施加與對應(yīng)導(dǎo)線相同的高電位以減小誤差，所有實(shí)體被2個空氣立方體包圍，地面和外包空氣邊界加載零電位。

人體每移動0.5m計(jì)算一次，故共考慮伸出手臂前端距離電壓互感器2.0m，1.5m，1.0m，0.5m和空白對照組5種情況。

不同于500 kV母線作業(yè)在豎直方向上進(jìn)入高電位，220 kV絕緣柱帶電作業(yè)模型模擬的是水平靠近帶電設(shè)備的過程，通過電場分布圖5的初步分析得到，人體頭部、彎曲手臂和伸長的手臂3個人體部位畸變場強(qiáng)較大；而其他如腹部、肩部邊沿等尖端部位是人體模型在簡化過程中有尖角等曲率半徑較小的地方，導(dǎo)致這些部位電荷密度較大。故在以上3個部位與帶電設(shè)備之間各取1條直線路徑，在每條路徑上每0.05m取1點(diǎn)，在ANSYS中取出每一點(diǎn)的電場值數(shù)據(jù)，并在不放入人體的空白對照組模型中進(jìn)行相同的操作用于對比分析。路徑示意圖如圖6所示，圖中分別將伸長手臂、彎曲手臂、頭部這3條路徑記為路徑1、路徑2、路徑3。

3條直線路徑結(jié)果隨著人體的靠近結(jié)果對比見表2。

由表2可知，隨著人體向帶電設(shè)備靠近，身體各部位場強(qiáng)都在增大，而對應(yīng)的帶電設(shè)備周圍場強(qiáng)也有所增大。其中由于伸長手臂前端為距離帶電設(shè)備最近的部位，最大場強(qiáng)為3條路徑所對應(yīng)3個部位最大，畸變率也同為3個部位最大，對應(yīng)的帶電設(shè)備周圍場強(qiáng)增大的也最明顯。彎曲手部肘部由于在建模時用曲線弧代替，曲率半徑較手臂其他地方要大，聚集電荷少，故下方場強(qiáng)較空白對照組小。由于距離帶電設(shè)備越近，周圍空氣中電場強(qiáng)度原本較大，故雖然人體各部位距離帶電設(shè)備越近，最大場強(qiáng)越大，畸變率 (場強(qiáng)變化率)反而越小。

1.4 110kV電壓等級設(shè)備帶電作業(yè)電場分布計(jì)算與仿真

模型選取110 kV變電站某一間隔，研究相間帶電作業(yè)，人體與周圍設(shè)施電場分布計(jì)算與分析(如圖7所示)。

1)人體處于A，B相相間距中間 (人體模型坐標(biāo)原點(diǎn)處于相間中點(diǎn)，距離1 m)，距離地面3.2m，距離B相斷路器最近距離為0.35m(伸長的手臂)。

2)人體在情況1的基礎(chǔ)上向B相斷路器靠近0.1m(即人體模型坐標(biāo)原點(diǎn)距離 B相斷路器0.9m)，距離地面距離為3.7m，人體離斷路器上方均壓環(huán)最近距離為10 cm。

加載條件考慮B相相電壓最大的情況，故A，B，C三相加載電壓分別為:

金屬底座等接地部分加載零電位，引下線、進(jìn)出線、連接線等按照相序加載電壓，并在與帶電設(shè)備連接處施加于對應(yīng)導(dǎo)線相同的高電位以減小誤差，所有實(shí)體被2個空氣立方體包圍，地面和外包空氣邊界加載零電位。人體相對介電常數(shù)設(shè)定跟金屬一致，并且進(jìn)行自耦合，當(dāng)作浮動等電位體處理。

在進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理時作伸出長手臂(以下簡稱長手)、人體中間、彎曲手臂 (簡稱彎手)3個切面云圖來體現(xiàn)人體周圍電位分布情況(如圖8所示)。

在上一小節(jié)中，通過云圖的初步分析知，人體頭部、彎曲手臂、伸長手臂和人體背部到腳跟處，4個人體部位畸變場強(qiáng)較大；分別將伸長手臂、彎曲手臂、頭部和背部這4條路徑記為路徑1、路徑2、路徑3、路徑4(如圖9所示)，結(jié)果對比見表3。

2 結(jié)論

文中進(jìn)行了500 kV變電站母線、220 kV變電站電壓互感器、110 kV變電站斷路器相間帶電作業(yè)時人體與周圍設(shè)施電場仿真計(jì)算，得到了不同電壓等級下，對不同變電設(shè)備作業(yè)時，人體與周圍設(shè)施的電場分布。給出了不同工況下人體周圍的最大場強(qiáng)和最大畸變率，以及人體進(jìn)入高電位過程中的人體電位。找到了帶電作業(yè)時人體作出典型動作時，電場強(qiáng)度較大、易發(fā)生畸變的部位。

1)在人體靠近帶電設(shè)備的過程中，人體電位不斷升高，直到與帶電設(shè)備接觸與其電位相等，頭部作為進(jìn)入高電位方向上的人體突出部位，周圍電場強(qiáng)度較大。

2)人體的介入使空間電場發(fā)生畸變，不僅會使人體某些部位周圍的場強(qiáng)變大 (如2條手臂，腳后跟以及背部)，也會因?yàn)槟承┎课磺拾霃酱?如頭部，彎曲的肘部)，電荷密度較小，使部分空間場強(qiáng)變小。

3)在沿人體到帶電設(shè)備移動方向上的人體突出部位周圍場強(qiáng)較高，畸變率較大，距離帶電設(shè)備越近的部位對應(yīng)帶電設(shè)備表面附近場強(qiáng)變化越明顯。

4)人體距離帶電設(shè)備越近，身體各部位場強(qiáng)越大，但畸變率 (場強(qiáng)變化率)越小。

〔1〕胡毅，胡建勛，劉凱，等.特高壓交直流線路帶電作業(yè)人員的體表場強(qiáng)〔J〕.高電壓技術(shù)，2010，36(1):13-18.

〔2〕易輝.帶電作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系及標(biāo)準(zhǔn)解讀 〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔3〕國家技術(shù)監(jiān)督局.GB－10000-88中國成年人人體尺寸 〔S〕.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

〔4〕王力農(nóng)，胡毅，劉凱，等.特高壓輸電線路帶電作業(yè)組合間隙的放電機(jī)理 〔J〕.高電壓技術(shù)，2011，37(5):1 224-1231.

〔5〕肖賓，胡毅，劉凱，等.1000 kV交流緊湊型輸電線路等電位進(jìn)入方式 〔J〕.高電壓技術(shù)，2011，37(8):1 868-1 874.

〔6〕杜志葉，阮江軍，干喆淵，等.變電站內(nèi)工頻電磁場三維數(shù)值仿真研究 〔J〕.電網(wǎng)計(jì)術(shù)，2012，36(4):229-235.

〔7〕Zhuang C，Zeng R，Zhang B，et al.The optimization of entering route for live working on 750 kV transmission towers by space electric-field analysis〔J〕.Power Delivery，IEEE Transactions on，2010，25(2):987-994.

〔8〕劉凱，胡毅，王力農(nóng)，等.1 000 kV輸電線路帶電作業(yè)保護(hù)間隙的研究 〔J〕.高電壓技術(shù)，2006，32(12):83-88

〔9〕胡毅，王力農(nóng)，舒印彪.帶電作業(yè)保護(hù)間隙的放電特性研究〔J〕.高電壓技術(shù)，2002，28(11):17-18.

〔10〕寧慧英.高壓開關(guān)柜中三維電場的計(jì)算與分析〔D〕.沈陽工業(yè)大學(xué)，2007.

〔11〕田冀煥，周遠(yuǎn)翔，郭紹偉，等.直流換流站閥廳內(nèi)三維電場的分布式并行計(jì)算 〔J〕.高電壓技術(shù)，2010，36(5):1205-1210.

〔12〕羅霄.特高壓輸電線路和變電站電磁場仿真計(jì)算研究 〔D〕.重慶大學(xué)，2010.

〔13〕趙志斌，崔翔，張波，等.應(yīng)用矩量法計(jì)算變電站內(nèi)的空間電磁場 〔J〕.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004(11):150-155.

〔14〕夏慶輝.500 kV變電站帶電作業(yè)研究與實(shí)踐 〔J〕.中國電力，2004(10):31-34.

〔15〕鐘連宏，趙國平，王鳳鳴，等.500 kV變電站帶電作業(yè)間隙試驗(yàn)研究 〔J〕.高電壓技術(shù)，1994(04):20-22.

〔16〕饒明忠，譚邦定，黃鍵.電磁場計(jì)算中的棱邊有限元法 〔J〕.中國電機(jī)工程報(bào)，1994(05):63-69.

〔17〕張淮清，俞集輝.電磁場邊值問題求解的徑向基函數(shù)方法〔J〕.高電壓技2010，36(02):531-536.

〔18〕劉強(qiáng)，周平，朱雪松，等.220 kV變電站帶電作業(yè)的安全間隙試驗(yàn)分析 〔J〕.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(03):77-82.

〔19〕 Nikolovski S，Klaic Z，Kraus Z，et al.Computation and measurement of electromagnetic fields in high voltage transformer substations〔C〕 //MIPRO，2010 Proceedings of the 33rd International Convention.IEEE，2010:641-646.

〔20〕Nikolovski S，Klaic Z，Stefic B.Measurementsand computation of electromagnetic field in transformer station 400/110 kV ernestinovo〔C〕//PowerTech，2009 IEEE Bucharest.IEEE，2009:1-8.

〔21〕Trkulja B，Stih Z.Computation of electric fields inside large substations〔J〕.Power Delivery，IEEE Transactions on，2009，24(4):1 898-1902.

〔22〕崔翔.應(yīng)用有限元方法計(jì)算含有電位懸浮導(dǎo)體的電場分布〔J〕.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995(2):1-7.

Calculation and simulation of hot-line work electric field distribution for 110 kV and above power transformation equipment

ZHU Xiang-yu1，LIRen-sheng2，LIU Gong-neng3，LIBai-dang3
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410004，China；3.State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410004，China)

The human body and surrounding equipmentelectric field distributionmap is obtained by calculation ofequipotential hot-line work for different voltage grades and different equipments.The map gives themaximum field strength and maximum distortion rate for the human body around in different conditions，and provides the human body potential distribution when entering the high potential area.The paper points out that the electric field of human body prominent parts is greater and prone to distortion when the hot-line worker takes typical action.

transformation equipment；hot-line work；electric field distribution；field distortion

TK264.11

B

1008-0198(2014)06-0017-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.005

2014-09-11