110 kV同塔雙回線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流對(duì)人體的危害研究

史華勃，丁理杰，彭施語，梁曉斌，張 華

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072;2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830)

110 kV同塔雙回線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流對(duì)人體的危害研究

史華勃1，丁理杰1，彭施語2，梁曉斌1，張 華1

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072;2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830)

針對(duì)110 kV同塔雙回線路一回運(yùn)行、一回停運(yùn)，檢修人員對(duì)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流危害認(rèn)識(shí)不足的問題，以某次感應(yīng)電致死事故為原型，量化分析了110 kV線路典型設(shè)計(jì)方案下人體觸電時(shí)承受的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。在分析人體電阻以及人體傷害與感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流和持續(xù)時(shí)間關(guān)系基礎(chǔ)上，研究了檢修人員受感應(yīng)電傷害風(fēng)險(xiǎn)與線路長度、運(yùn)行線路潮流的關(guān)系。研究成果對(duì)于提升現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全意識(shí)，減少安全生產(chǎn)事故具有重要意義。

110 kV；同塔雙回；感應(yīng)電壓；感應(yīng)電流；人體危害

0 引 言

同塔雙回線路一回正常運(yùn)行、另一回停運(yùn)檢修時(shí)，由于回路之間的耦合作用，在被檢修線路上將會(huì)存在耦合電壓。為了安全起見，在檢修線路時(shí)，通常需要將該檢修線路的兩端接地，這樣，在接地處將會(huì)流過一定的感應(yīng)電流。若接地點(diǎn)斷開，或經(jīng)人體接地，人體將承受較高的感應(yīng)電壓；同時(shí)人體上將流過感應(yīng)電流，對(duì)人身造成危害。

眾多學(xué)者對(duì)500 kV及以上電壓等級(jí)的同塔線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的理論計(jì)算和仿真分析進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-3]對(duì)1 000 kV特高壓線路感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4]對(duì)750 kV輸電線路帶電作業(yè)安全防護(hù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)同塔架設(shè)的220 kV/500 kV輸電線路感應(yīng)電流與感應(yīng)電壓進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[6]對(duì)500 kV同塔雙回輸電線路下平行運(yùn)行的0.38 kV線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電荷進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]對(duì)一起500 kV隔離開關(guān)操作中感應(yīng)過電壓事故進(jìn)行了分析。

一般情況下，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流水平分析主要用來校核接地刀閘參數(shù)，為運(yùn)行、設(shè)計(jì)部門提供參考。但運(yùn)行線路對(duì)停運(yùn)線路感應(yīng)電對(duì)人體的危害研究較少，特別是110 kV及以下電壓等級(jí)的同塔線路，由于線路短、電壓等級(jí)低，其感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流對(duì)人的危害未得到足夠重視，從而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)常有人身傷亡事故發(fā)生，因此，研究110 kV同塔線路的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流對(duì)人體的傷害十分必要。

按照國家電網(wǎng)公司110 kV同塔雙回線路典型設(shè)計(jì)方案，采用PSCAD/EMTDC軟件建立了110 kV同塔雙回線路分布參數(shù)模型。分析了各種接地方式下110 kV線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，重點(diǎn)研究了停運(yùn)線路檢修，線路一側(cè)某相接地刀閘斷開并通過人體接地情況下的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。在研究人體電阻、人體傷害與感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流以及持續(xù)時(shí)間的基礎(chǔ)上，量化分析了檢修人員人身傷害風(fēng)險(xiǎn)與線路長度、運(yùn)行線路潮流的關(guān)系。研究成果對(duì)于提升現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全意識(shí)，減少安全生產(chǎn)事故具有重要意義。

1 人體傷害與感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流的關(guān)系

1.1 人體電阻

人體阻抗通常包括內(nèi)部阻抗和外部阻抗，外部阻抗與觸電時(shí)所穿衣服、鞋襪以及身體的潮濕情況有關(guān)，從幾千歐到幾十兆歐不等；內(nèi)部阻抗與觸電者的皮膚阻抗和體內(nèi)阻抗有關(guān)。

人體阻抗并非純電阻，但主要由人體電阻決定。人體電阻也不是一個(gè)固定的數(shù)值，一般認(rèn)為干燥的皮膚在低電壓下具有相當(dāng)高的電阻，約100 kΩ。當(dāng)電壓大于300 V時(shí)，這一電阻便下降為約1 000 Ω。表皮具有這樣高的電阻是因?yàn)樗鼪]有毛細(xì)血管，手指某部位的皮膚還有角質(zhì)層，角質(zhì)層的電阻值更高，而不經(jīng)常摩擦部位的皮膚的電阻值是最小的。皮膚電阻還同人體與帶電體的接觸面積及壓力有關(guān)。當(dāng)表皮受損暴露出真皮時(shí)，人體內(nèi)因布滿了輸送鹽溶液的血管而具有很低的電阻。

一般認(rèn)為，接觸到真皮里,一只手臂或一條腿的電阻大約為500 Ω，因此，由一只手臂到另一只手臂或由一條腿到另一條腿的通路相當(dāng)于一只1 000 Ω的電阻。假定一個(gè)人用雙手緊握帶電體，雙腳站在水坑里而形成導(dǎo)電回路，這時(shí)人體電阻基本上就是體內(nèi)電阻，約為500 Ω。一般情況下，人體電阻可按1 000 Ω～2 000 Ω考慮。

大的接觸表面積，電流路徑為手到手，50 Hz/60 Hz交流接觸電壓為25 V至700 V，50%被測(cè)對(duì)象的人體總阻抗[8]如圖1所示。

圖1 人體電阻隨接觸電壓變化趨勢(shì)

1.2 感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

人體承受的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系[8-9]曲線如圖2所示。圖2(a)電流曲線中，曲線b的左側(cè)，AC-1至AC-2區(qū)域?qū)θ梭w影響較小，不會(huì)造成大的傷害；AC-3區(qū)域可使人產(chǎn)生不自主的肌肉收縮、呼吸困難、可逆性的心臟功能障礙；AC-4曲線，曲線C1右側(cè)即可使人產(chǎn)生心室纖維性顫動(dòng)，C2-C3區(qū)域可使心室纖維性顫動(dòng)的概率大于50%。根據(jù)圖2(b)電壓曲線，即使是220 V的市電，承受時(shí)間0.5 s以上就會(huì)有危險(xiǎn)，670 V以上的電壓承受40 ms就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

圖2 人體承受的電壓、電流與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

2 110 kV線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

2.1 110 kV線路典型設(shè)計(jì)方案

按照國家電網(wǎng)公司110 kV輸電線路通用設(shè)計(jì)[10]，1D1子模塊為海拔1 000 m以內(nèi)，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速23.5 m/s(離地10 m)，覆冰厚度10 mm，導(dǎo)線LGJ300/40的雙回路鐵塔，地線JLB-100。該模塊直線塔平地和山區(qū)共用1套鐵塔。耐張塔由1D2子模塊兼，懸垂串按I型布置，共4種塔型，桿塔具體設(shè)計(jì)條件和桿塔型號(hào)、尺寸見文獻(xiàn)[10]。導(dǎo)地線參數(shù)如表1所示。

表1 導(dǎo)地線參數(shù)

2.2 典型接地方式下的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

按照前面110 kV線路典型設(shè)計(jì)方案建立電磁暫態(tài)仿真模型，其中線路模型為考慮頻率特性的分布參數(shù)模型；參考2016年4月某次感應(yīng)電致死事故發(fā)生時(shí)的線路長度，仿真中設(shè)定為40 km，導(dǎo)線型號(hào)為LGJ300/40，地線型號(hào)為JLB-100。仿真中：導(dǎo)地線弧垂均取10 m，絕緣子長度1 m；線路按逆相序懸掛；110 kV系統(tǒng)短路電流一般不超過20 kA。計(jì)算時(shí)：線路兩側(cè)系統(tǒng)短路電流按5 kA計(jì)算等值阻抗； LGJ300線路熱穩(wěn)極限按100 MW考慮。110 kV系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行最高電壓為110×(1+7%)=117.7 kV，在計(jì)算中取115～117 kV。線路等效阻抗參數(shù)如表2所示。

表2 LGJ300線路參數(shù)

典型接地方式下的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流如表3所示。

表3 典型接地方式下的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

由以上計(jì)算，線路一端接地時(shí)，停運(yùn)線路感應(yīng)電壓主要是電磁感應(yīng)分量，其大小與線路潮流成正比；感應(yīng)電流主要是靜電感應(yīng)分量，其大小與線路潮流無關(guān)，感應(yīng)電壓約600 V，最大感應(yīng)電流約420 mA。線路兩端均接地時(shí)，流過接地刀閘的電流與線路潮流成正比關(guān)系，最大電磁感應(yīng)電流約33 A，感應(yīng)電壓為0。被檢修線路不接地，停運(yùn)線路兩側(cè)最大靜電感應(yīng)電壓約4 kV，與線路潮流無關(guān)。

2.3 人體觸電時(shí)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

110 kV同塔雙回線路停運(yùn)檢修時(shí)，一般線路兩側(cè)均通過線路接地刀閘接地，人體最可能受感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流危害的風(fēng)險(xiǎn)為：在停電線路工作點(diǎn)未裝設(shè)人工接地線，停運(yùn)線路一側(cè)正常接地，另一側(cè)由于人為原因使某接地相斷開，此時(shí)，人身將承受一定的感應(yīng)電壓，并流過一定的感應(yīng)電流。

2016年4月，某地區(qū)實(shí)際生產(chǎn)中已發(fā)生過對(duì)線路側(cè)的隔離開關(guān)檢修時(shí)，檢修人員未加掛接地線，在擅自將線路隔離開關(guān)A相線路側(cè)接線板拆開時(shí)發(fā)生人身觸電死亡事故。人體在此情況下的觸電示意如圖3所示。

圖3 停運(yùn)線路上人體觸電示意圖

1)運(yùn)行線路潮流100 MW，人體電阻從3 000 Ω下降至1 000 Ω時(shí)，拆開線路接地刀閘，通過人體接地時(shí)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流變化趨勢(shì)如圖4所示。

停運(yùn)線路在此接地方式下，人體承受的感應(yīng)電壓基本不變，最大約700 V，且基本不隨人體電阻變化；人體接入AC相感應(yīng)電壓最高，接入B相最低，這主要與兩回導(dǎo)線的排列方式相關(guān)。感應(yīng)電流隨人體電阻的減小將逐漸增大，從200 mA增大到700 mA。

圖4 感應(yīng)電壓、電流隨人體電阻變化趨勢(shì)

2)人體電阻2 000 Ω條件下，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流隨運(yùn)行線路潮流變化趨勢(shì)如圖5所示。

由以上計(jì)算，人體電阻一定時(shí)，人體接觸電壓和流過人體的電流與運(yùn)行線路潮流成正比；線路潮流10 MW時(shí)，人體最大感應(yīng)電壓約70 V，最大感應(yīng)電流約35 mA；線路潮流達(dá)到20MW時(shí)人體感應(yīng)電壓可達(dá)140 V，流過人體的電流可達(dá)70 mA。

3)運(yùn)行潮流線路100 MW，人體電阻2 000 Ω條件下，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流隨線路長度變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖5 感應(yīng)電壓、電流隨運(yùn)行線路潮流變化趨勢(shì)

圖6 感應(yīng)電壓、電流隨線路長度變化趨勢(shì)

由以上計(jì)算，運(yùn)行線路潮流一定時(shí)，人體接觸電壓和流過人體的電流與線路長度成正比；線路潮流100 MW，線路長度5 km以下時(shí)，人體接觸電壓在90 V左右，人體電流約40 mA。考慮接觸電壓100 V以下時(shí)，人體電阻在2 000 Ω以上，實(shí)際通過人體的電流可能比計(jì)算值略小，但對(duì)人體仍然存在危險(xiǎn)。線路長度1 km以下，或者在母線上操作時(shí)，人體感應(yīng)電壓約20 V，感應(yīng)電流約10 mA。線路長度遠(yuǎn)小于5 km不裝設(shè)接地線在停電線路檢修時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較小。

裝設(shè)人工接地線后，即使一相接地刀閘通過人體接地，人體上的感應(yīng)電壓將被人工接地線強(qiáng)制鉗位為0，感應(yīng)電流全部通過接地線入地，此時(shí)可以保證人身安全。

3 人身傷害風(fēng)險(xiǎn)分析

按前面計(jì)算，線路長度一定時(shí)，接地端一相通過人體接地后，人承受的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流與運(yùn)行線路潮流成正比。

1)按人體正常情況下的電阻2 000 Ω計(jì)算，線路40 km，潮流100 MW情況下，人體承受的最大感應(yīng)電壓約700 V，人體流過的最大感應(yīng)電流約350 mA；即使線路潮流20 MW情況下最大感應(yīng)電壓約140 V，人體流過的最大感應(yīng)電流約70 mA，會(huì)對(duì)人體造成巨大危害。

實(shí)際上，人體在承受300 V以上電壓時(shí)，人體電阻將會(huì)下降至1 000 Ω左右；電壓100 V以上，人體電阻仍然低于2 000 Ω，約1 500 Ω。線路潮流100 MW情況下，人體承受的最大感應(yīng)電流約700 mA；若線路潮流20 MW，最大感應(yīng)電流為93 mA。

由以上分析，停運(yùn)線路一端一相通過人體接地時(shí)，人體通過的電流和接觸電壓遠(yuǎn)大于人體對(duì)電壓和電流的耐受能力，因此，人在觸電瞬間如果不能快速脫離帶電體，必然會(huì)造成人身傷亡。

2)運(yùn)行線路潮流一定時(shí)，人體接觸電壓和流過人體的電流與線路長度成正比；線路潮流100 MW，線路長度5 km以下時(shí)，人體接觸電壓在90 V左右，人體電流約40 mA?？紤]，接觸電壓100 V以下時(shí)，人體電阻在2 000 Ω以上，實(shí)際通過人體的電流可能比計(jì)算值更小，但仍然有風(fēng)險(xiǎn)。線路長度1 km以下，或者在母線上操作時(shí)，人體感應(yīng)電壓約20V，感應(yīng)電流約10 mA，人體可以承受。

4 結(jié) 論

110 kV同塔雙回線路，一回停電檢修時(shí)，若拆開一端接地點(diǎn)的其中一相，對(duì)人身將產(chǎn)生嚴(yán)重的危害甚至死亡。

在此接地方式下，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流主要是電磁感應(yīng)分量，人體觸電時(shí)承受的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流與運(yùn)行線路潮流、線路長度成正比；感應(yīng)電壓與人體無關(guān)，感應(yīng)電流隨人體電阻減小而增大。

線路長度大于5 km或運(yùn)行線路潮流大于20 MW，若直接拆開一相接地刀閘存在極大的人身安全風(fēng)險(xiǎn)；在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)嚴(yán)禁此類事件發(fā)生。

對(duì)停運(yùn)線路隔離開關(guān)進(jìn)行檢修，或者其他可能失去接地保護(hù)的情況，必須對(duì)停運(yùn)線路先裝設(shè)人工接地線再開展工作才能保證人身安全。

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Aiming at the problem that maintenance personnel lack of knowledge about induced voltage and induced current on the non-energized line while another line is energized in 110 kV double-circuit transmission lines, the quantitative analysis of induced voltage and induced current bore by human body when getting an electric shock is carried out based on the typical 110 kV line design. Based on the analysis of human body resistance and the relationship between harms to human body, the induced voltage and induced current and their duration, the relationship between the risk of injury by induced electricity, line length and line flow of energized line is studied. The research results are of great significance to improve the safety consciousness of operators and reduce production safety accidents.

110 kV; double-circuit transmission line on same tower; induced voltage; induced current; harm to human body

TM726.1

A

1003-6954(2017)03-0052-04

2017-01-24)

史華勃(1987)，碩士、工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制的研究。