特高壓同塔雙回交流輸電線路下方鋼架大棚暫態(tài)電擊特性研究

梁利輝, 李立峰, 付煒平, 池 城, 張胤祿, 韓 笑

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司 石家莊 050022； 2.華北電力大學(保定) 河北 保定 071000)

0 引言

高壓輸電線路的電磁環(huán)境問題主要包括工頻電磁場、無線電干擾及可聽噪聲[1-4]。隨著輸電線路規(guī)模和電壓等級的不斷提高，線路強電磁場引發(fā)的環(huán)境效應風險也在不斷增加[5-7]。其中由于高壓線路電磁感應現(xiàn)象所引發(fā)的感應電擊問題，倍加受到線路附近居民及線路檢修人員的擔憂和恐慌。

相關學者曾對不同電壓等級輸電線路的感應電壓、感應電流進行了仿真計算，探究了輸電線路參數(shù)對其數(shù)值的影響[8-14]，并對交流輸電線路施工及檢修中存在的感應電擊現(xiàn)象開展了研究，為線路施工作業(yè)人員安全防護措施提出了技術參考[15-17]。

線路附近工作人員觸碰金屬構筑物是感應電擊頻發(fā)的場景，因此有必要深入研究特高壓交流輸電線路下方常見工況下的人體感應電擊特性。馬愛清等人針對線下車輛對人體的感應電擊進行了研究[18]，劉麗娜及甘艷等人分別研究了直流及交流輸電線路下方人體觸碰懸浮導體所受到的感應電擊現(xiàn)象[19-20]。

重慶大學田子山等通過數(shù)字化人體模型對交流輸電線路附近人體內(nèi)的感應電流進行了計算研究[21]。華北電力大學李秀英等[22]用有限元軟件對交流輸電線下獨立人體進行建模，并結合MATLAB分析了線下人體接觸金屬棒時遭受暫態(tài)電擊的過程，得到了不同條件下人體遭受暫態(tài)電擊及穩(wěn)態(tài)電擊的情況。山東農(nóng)業(yè)大學王冉冉等[23]計算了特高壓輸電線路下方大棚感應電壓及感應電流大小，提出了線路與大棚的安全距離，但并沒有具體對人體進行更加深入的討論。陜西電科院吳健等[24]建立了輸電線下的人體模型和3種常見的線下感應物體模型——金屬骨架的傘、金屬晾衣桿和汽車模型，計算其感應電壓和可能引起人體暫態(tài)電擊的能量水平，對感應電擊的瞬時特性討論較少。呂建紅等人研究了民房導電涂料對人體暫態(tài)電擊的抑制效果[25]。近年來，溫室大棚的普及、輸電走廊的短缺，特高壓輸變電工程鄰近鋼架大棚的現(xiàn)象愈發(fā)普遍，而此類區(qū)域正是人體受到暫態(tài)電擊的常見區(qū)域。

為此，筆者針對1 000 kV交流輸電線路下方鋼架大棚對人體的暫態(tài)電擊現(xiàn)象開展研究，通過建立輸電線路、鋼架大棚和人體精細化模型，對不同絕緣程度的人體遭受暫態(tài)電擊時的感應電壓、電流進行瞬態(tài)仿真分析，并對大棚不同接地方式下人體暫態(tài)電擊大小進行計算，給出了大棚不同接地方式對人體暫態(tài)電擊的影響。

1 模型構建與簡化

1.1 特高壓交流輸電線路和桿塔模型的建立

模型采用1 000 kV特高壓交流同塔雙回輸電線路，導線為8×LGJ-630/45型鋼芯鋁絞線，線長取210 m。根據(jù)文獻[23]，建模時將輸電線路的上相、中相和下相弧垂高度分別設置為6 m，7 m和7 m，導線架設點高度分別設置為82.5 m，61.5 m和39.5 m，導線間距分別設置為31 m，40 m和36 m，輸電線路參數(shù)見圖1。

圖1 輸電線路參數(shù)示意圖Fig.1 Diagram of transmission line parameters

按照保持對地電容相等的原則將分裂導線用一虛擬的等效單根圓柱形導線代替，等效半徑見式(1)[26]：

(1)

其中Ri代表分裂導線等效半徑；R代表分裂導線半徑，即分裂導線外接圓半徑；n代表子導線根數(shù)；r代表子導線半徑16.5 mm，將導線型號代入上式計算可得等效單導線半徑為487.81 mm。

1.2 線下鋼架大棚模型的建立

大棚的尺寸由實際測量得到，見圖2。其中大棚寬為8 m，側邊立柱高度為1.7 m，棚頂最高點為3 m，每個鋼架間隔1.5 m，鋼架大棚總長度為13.5 m。

圖2 鋼架大棚尺寸示意圖Fig.2 Steel frame shed dimensions diagram

將鋼架大棚放置于線路檔距中央、距離線路中心軸線水平距離30 m的位置，模型見圖3。

圖3 輸電線路與鋼架大棚位置示意圖Fig.3 Diagram showing the location of the transmission line and the steel frame shed

1.3 人體模型的建立

人體模型參數(shù)取自于成年男性標準身材，右手手指與鋼架大棚接觸，整個人體構成放電回路。人體模型高度為170 cm，臂展為82 cm，觸電位置距離地面高度為160 cm，腿長為110 cm，鼻尖與后腦間距為16 cm，胸背間距為18 cm，腰腹間距為15 cm，腰臀間距為20 cm，腳腕前后間距為6 cm，腳底長度為25 cm，人體模型尺寸見圖4。

圖4 人體模型尺寸Fig.4 Model sizes of man

三維人體模型是由大量曲面所構成的實體，因此在網(wǎng)格剖分的過程中對計算機的運算能力有較高的要求。人體模型共計81 975個網(wǎng)格頂點，401 588個單元，平均單元質量為0.644 3，網(wǎng)格體積為0.085 79 m3，滿足有限元網(wǎng)格剖分需求。由于手臂、腿部與人體連接處存在更多細節(jié)，因此這部分網(wǎng)格剖分的更加密集，而人體其他部位作為整體可適當增加網(wǎng)格邊界單元大小，這樣操作有利于提高仿真過程的效率，并且不影響仿真結果的精度。

2 暫態(tài)電擊過程理論及仿真方法

2.1 暫態(tài)電擊系統(tǒng)理論分析

特高壓交流輸電線路會在其周圍空間產(chǎn)生電場，空間中存在的物體會由于電容效應產(chǎn)生感應電壓[27]。當人體與空間中金屬感應電壓達到一定差值時，人體與金屬體接觸瞬間感應電荷會流過人體，對人體造成不同程度的電擊感受，即發(fā)生人體暫態(tài)電擊，模型見圖5。

圖5 人體暫態(tài)電擊系統(tǒng)模型Fig.5 Human transient shock system model

暫態(tài)電擊根據(jù)人體與金屬體接地情況不同分為兩種類型，一種為人體良好接地，金屬體接地不良；一種為人體對地絕緣，而金屬體良好接地。由于金屬中存在更多自由移動的電荷，因此兩種形式的暫態(tài)電擊前者對人體造成的傷害相對更大，二者發(fā)生暫態(tài)電擊時流過人體的電流方向也存在差異。人體與鋼架大棚的感應電壓可通過下式計算：

(2)

由于暫態(tài)電擊的作用時間很短，僅為幾微秒至十幾微秒，因此一般不會造成人體造成嚴重損傷，但這種電擊感會引起處于該環(huán)境中長期工作人員的極度不適感。

2.2 暫態(tài)電擊過程分析方法

通常暫態(tài)電擊發(fā)生的過程極短，通過時域研究可以更為清晰的分析瞬態(tài)電擊的特性。工頻電場呈現(xiàn)周期性變化，由于在20 ms 的周期中邊相導線正下方工頻電場在第5 ms時達到正向最大值，這時暫態(tài)電擊對人體的傷害更大，因此假定該時刻令人體與金屬大棚接觸，可得到接觸瞬間的暫態(tài)電擊特性。

同塔雙回交流輸電線路共有6種相序布置方案，其中逆相序布置方式可使線路附近工頻電場強度最小，該方案被廣泛用于實際線路的架設當中。1 000 kV同塔雙回交流輸電線路三相電壓在時域下的表達式見式(3)：

(3)

交流電頻率設置為50 Hz，添加半圓柱形空氣域，設置空氣域底部以及外部圓弧面的電位為0，模擬無限遠邊界。鋼架大棚的電氣參數(shù)主要表現(xiàn)為鋼質材料的電導率和介電常數(shù)，鋼架屬于合金材料，其電導率比純鐵略小約為1×105S/m，軟件內(nèi)置金屬的相對介電常數(shù)為1。

在外加電場作用下，人體的生物組織會表現(xiàn)出傳導性和介電性。文獻[22]給出了人體各個組織的相對介電常數(shù)和電導率，并給出了仿真過程中假定人體各組織均勻時的電參數(shù)，人體相對介電常數(shù)設置為1×106，電導率設置為0.05 S/m。

2.3 人體發(fā)生暫態(tài)電擊放電過程分析

當人體與接地良好的大棚接觸時，線路下方的人體與大棚將形成電位差，接觸瞬間放電電流會由人體通過大棚流入大地。不同的鞋子絕緣性能不同，人體所穿鞋子的電導率對暫態(tài)電擊過程有較大的影響，當鞋子電導率為5×10-6S/m時的暫態(tài)電擊量見圖6。

圖6 人體暫態(tài)電擊量Fig.6 Transient electric shock of human body

表1給出了人體電擊電流的各種感覺臨界值[28]，通過該表可以判斷人體遭受不同程度暫態(tài)電擊時的感受：

表1 交流電擊電流的臨界值表Table 1 Critical value of AC shock current table mA

由圖6(a)可知，當相對絕緣的人體接觸金屬大棚時放電電流瞬時最大值為0.8 A，經(jīng)過1.5 μs暫態(tài)電擊電流迅速穩(wěn)定，與文獻[12]中實測暫態(tài)電擊電流最大值1.2 A基本一致。

人體接觸金屬大棚時的電擊電流包括暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量，根據(jù)IEC標準[29]60479-2 《Effects of current on human beings and livestock -Part 2: Special aspects》和國標[30]GB/T 13870.2-2016 《電流對人和家畜的效應 第2部分：特殊情況》中，對于暫態(tài)短時單向單脈沖電流，當持續(xù)時間小于10 ms時，依據(jù)能量I2t進行感知和痛覺判斷，文中暫態(tài)分量能量值小于5 μJ，遠低于人體感知閾的下限值，因此主要依據(jù)電擊電流穩(wěn)態(tài)值進行人體感受判斷。計算得出暫態(tài)電擊電流穩(wěn)定值為0.038 A，已超出了可感知限值。

由圖6(b)可知，由于人體腳底部通過絕緣鞋接地，因此腳底電壓稍低，與頭部形成約為0.2 V的電壓差，人體最大感應電壓為14 V。

由于人體與接地良好的大棚存在于空間中，導致空間電位發(fā)生了畸變，此時人體頭部表面附近電位及大棚頂部附近電位約為870 V。從圖中電位線的疏密程度可以看出人體頭部與大棚頂部的電位線更加密集，可以判斷出這兩個位置空間電場發(fā)生了更為明顯的畸變。

3 暫態(tài)電擊影響因素分析

3.1 不同絕緣程度人體暫態(tài)電擊特性分析

當大棚良好接地時，人體絕緣程度對暫態(tài)電擊電流有較大的影響。圖7表示鞋子的電導率由5×10-5S/m變化至5×10-2S/m時，人體接觸大棚瞬間暫態(tài)電擊電流變化規(guī)律。通過分析不同鞋子電導率下人體暫態(tài)電擊電流變化曲線，其最大值及穩(wěn)態(tài)值見表2。

圖7 不同絕緣程度人體暫態(tài)電擊電流特性Fig.7 Transient shock current characteristics of human body with different insulation levels

表2 人體暫態(tài)電擊電流Table 2 Human transient electric shock current

由表2可知，隨著鞋子絕緣程度下降，人體與大棚的電位差逐漸減小，暫態(tài)電擊發(fā)生時放電電流最大值也逐漸降低，同時電流穩(wěn)定值也隨之減小。當鞋子電導率為5×10-5S/m時，暫態(tài)電流穩(wěn)定值為6.7 mA，已超過人體可感知限值。當鞋子電導率與人體電導率相等為5×10-2S/m時，認為人體直接接地，此時得到的放電電流最大值為2.8 mA，穩(wěn)定值為0.13 mA，感應電壓最大值為0.07 V，此時人體幾乎無電擊感。

3.2 大棚不良接地時人體暫態(tài)電擊特性分析

考慮到土壤、地質條件等不同因素的影響，可能存在大棚與大地之間處于接地不良的狀態(tài)，為此，文章針對大棚不良接地的情況進行了仿真。為了模擬大棚不良接地狀態(tài)，大棚底部端子部分設置接地，其余端子電導率設置為1×10-5S/m，大棚接地方式見圖8，不同接地方式下人體暫態(tài)電擊計算結果見圖9。

圖8 大棚接地方式Fig.8 Grounding mode of greenhouse

圖9 不同接地方式下人體暫態(tài)電擊電流特性Fig.9 Transient shock current characteristics of human body under different grounding modes

將圖9所得大棚不同接地方式下人體暫態(tài)電擊電流最大值及穩(wěn)定值列表見表3。

表3 不同接地方式下人體暫態(tài)電擊電流值Table 3 Transient electric shock current values of human body under different grounding methods mA

由圖表可得，大棚接地效果越差人體暫態(tài)電擊電流越大，當大棚只有遠點位置接地時，人體流過的瞬態(tài)電流穩(wěn)定值為1.632 mA，部分人體將感受到不舒服的電擊。人體與大棚接觸點附近的大棚端子接地效果越好，流過人體的放電電流越小，當大棚僅靠近人體一側良好接地時，流過人體的放電電流穩(wěn)定值為人體感受不到的0.392 mA，因此為了使得在大棚中工作的人盡可能免受暫態(tài)電擊，最好在保證人體穿導電鞋的同時，保證大棚各個接地端可靠接地。

4 結論

1)人體暫態(tài)電擊放電時間持續(xù)約為1.5 μs，當大棚與人體均良好接地時，暫態(tài)電擊電流穩(wěn)定值為人體感受不到的0.130 mA。

2)對于接地良好的人體，鋼架大棚不同的接地方式會使人體遭受不同程度的暫態(tài)電擊，大棚接地越可靠，人體暫態(tài)電擊感受越小。

3)文中4種接地方式中除遠點接地方式引發(fā)的暫態(tài)電擊電流穩(wěn)定值最大為1.632 mA，會使人體感受到強烈電擊感，其余接地方式均不會使人體感受到電擊。