配網(wǎng)不停電作業(yè)安全電弧傷害機(jī)理及防護(hù)措施

摘要：配網(wǎng)不停電作業(yè)存在著一定的技術(shù)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，如果操作不當(dāng)或管理不規(guī)范，可能導(dǎo)致人員觸電、電弧灼傷、高空墜落、設(shè)備損壞、線路短路等嚴(yán)重事故，危及人身安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有效地防護(hù)配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧傷害，是保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要任務(wù)。研究從配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧傷害的機(jī)理、防護(hù)目標(biāo)、防護(hù)區(qū)域、防護(hù)技術(shù)、防護(hù)效果和優(yōu)化方向等方面，對配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧防護(hù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和探討。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)工作不停電作業(yè)安全電弧電弧特性

SafetyArcDamageMechanismandProtectionMeasuresforDistributionNetworkwithoutPowerOutageOperation

ZHOUYongWUXianyanRANZhu

EnshiPowerSupplyCo.，Ltd，ofStateGridHubeiElectricPowerCo.，Ltd.，Enshi，HubeiProvince，445000China

Abstract：Therearesometechnicaldifficultiesandsafetyrisksinthedistributionnetworkwithoutpoweroutageoperation.Iftheoperationisimproperorthemanagementisnotstandard，itmayleadtoseriousaccidentssuchaselectricshock，arcburning，fallingfromhighaltitude，equipmentdamage，shortcircuitandsoon，endangeringpersonalsafetyandstableoperationofthepowergrid.Therefore，howtoeffectivelyprotectthearc damageofthedistributionnetworkwithoutpoweroutageisanimportanttasktoensurethesafeandreliableoperationofthepowersystem.Thispapersystematicallyanalyzesanddiscussesthemechanismofarcdamage，protectiontarget，protectionarea，protectiontechnology，protectioneffectandoptimizationdirection.

KeyWords：Distributionnetworkwork;Operationwithoutpoweroutage;Safearc;Arccharacteristics

1配網(wǎng)不停電作業(yè)安全事故現(xiàn)狀和危害分析

配網(wǎng)不停電作業(yè)是為了提高供電可靠性和客戶滿意度，減少停電損失，而在配電線路帶電狀態(tài)下進(jìn)行的檢修、改造、清洗等工作。而這種作業(yè)具有一定的技術(shù)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，如果操作不當(dāng)或管理不規(guī)范，可能導(dǎo)致人員觸電、電弧灼傷、高空墜落、設(shè)備損壞、線路短路等嚴(yán)重事故，危及人身安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)國網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)，2022年全國共發(fā)生配網(wǎng)不停電作業(yè)安全事故94起，造成人員死亡23人，重傷12人，輕傷58人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1.05億元[1]。配網(wǎng)不停電作業(yè)安全事故的主要原因有作業(yè)人員違章作業(yè)、作業(yè)工器具不合格、作業(yè)環(huán)境不安全、作業(yè)管理不到位等。因此，預(yù)防配網(wǎng)不停電作業(yè)安全事故，是保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要任務(wù)，需要從技術(shù)、管理、培訓(xùn)等方面采取有效措施，提高配網(wǎng)不停電作業(yè)的安全水平和質(zhì)量。

2配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧傷害的機(jī)理

2.1電弧的形成條件和影響因素

2.1.1物理本質(zhì)與數(shù)學(xué)模型

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，它是由于電路中的電壓超過氣體的擊穿電壓，導(dǎo)致氣體中的分子或原子被電離，形成帶電粒子的等離子體，從而使氣體具有導(dǎo)電性。電弧的物理本質(zhì)是一種高溫、高能量的熱電統(tǒng)一體，它可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能、光能、聲能和機(jī)械能。電弧的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)電弧的物理過程和特性，建立的用于描述電弧的電流、電壓、電阻、溫度、壓力等參數(shù)之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。常見的電弧數(shù)學(xué)模型有Cassie模型和Mayr模型，它們都是基于能量守恒方程和電弧的熱電平衡條件，但是對電弧的電阻和溫度的假設(shè)不同[2]。

假設(shè)分析一個(gè)電弧故障的情況，其中電路中的電壓為1000V，電流為100A，氣體為空氣，氣體的擊穿電壓為30kV/m，電弧通道的長度為0.1m，電弧通道的截面積為0.01m2，電弧通道的溫度為5000K，電弧通道的電導(dǎo)率為10S/m。首先要確定電弧的類型，是采用Cassie模型還是采用Mayr模型[3]。Cassie模型適用于電流過零前的大電流燃弧期間，Mayr模型適用于電流過零時(shí)的小電流燃弧期間。由于電流為100A，整體相對較低，而且假設(shè)電流是恒定的，沒有過零，所以選擇Mayr模型來描述電弧。根據(jù)Mayr模型的數(shù)學(xué)方程來計(jì)算電弧的參數(shù)，其數(shù)學(xué)方程如式（1）、式（2）所示：

（1）

（2）

式（1）、式（2）中，Rc是Mayr模型的動(dòng)態(tài)電阻，tm是電弧的時(shí)間常數(shù)，Ploss是電弧燃燒時(shí)的耗散功率，ξ是電弧的電場強(qiáng)度，i是電弧電流。

2.1.2觸發(fā)因素和影響參數(shù)

電弧的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，受到多種因素的影響。電極間距是影響電弧形成的重要因素之一，電極間距越大，電弧的發(fā)生概率越小，電弧的穩(wěn)定性越差，電弧的電壓和電阻越大。電極材料的種類、純度、表面狀況等也都會影響電弧的形成和特性，電極材料的熔點(diǎn)越高，電弧的發(fā)生概率越小，電極的蒸發(fā)和燃燒越少，電弧的穩(wěn)定性越好。此外，二次電子發(fā)射系數(shù)對電弧也具有關(guān)鍵影響。二次電子發(fā)射系數(shù)是指電極表面被轟擊后產(chǎn)生的二次電子與入射電子的比值，它會影響電弧的電子密度和電場強(qiáng)度。二次電子發(fā)射系數(shù)越大，電弧的電子密度越高，電弧的電場強(qiáng)度越低，電弧的穩(wěn)定性越好。

2.2電弧的特性和類型

電氣特性和熱力學(xué)特性是影響電弧放電現(xiàn)象的兩個(gè)重要方面，它們之間存在著相互作用和影響。電弧的電氣特性包括電位梯度、電導(dǎo)、電流密度及其分布等，它們決定了電弧的電壓、電阻、功率和能量轉(zhuǎn)換等參數(shù)。電弧的熱力學(xué)特性包括溫度、輸入熱能、散出熱能、熱流及其分布等，它們決定了電弧的熱穩(wěn)定性、熱平衡和熱效應(yīng)等現(xiàn)象。電弧的電氣特性和熱力學(xué)特性又受到電弧的組成部分、形成條件、類型、介質(zhì)、電流、電壓等因素的影響[4]。表1給出了一些常見的電弧類型及其電氣特性和熱力學(xué)特性的數(shù)值范圍：

表1電弧類型及其電氣特性和熱力學(xué)特性

電弧類型

電位梯度（V/cm）

電導(dǎo)（S/m）

電流密度（A/cm2）

溫度（K）

熱流（W/cm2）

交流電弧

10～1000

10～1000

10～10000

3000～30000

100～10000

直流電弧

10～1000

10～1000

10～10000

3000～30000

100～10000

脈沖電弧

100～10000

100～10000

100～100000

10000～100000

1000～100000

氣中電弧

10～1000

10～1000

10～10000

3000～30000

100～10000

真空電弧

100～10000

100～10000

100～100000

10000～100000

1000～100000

電弧類型可以根據(jù)其電氣特性和熱力學(xué)特性分為穩(wěn)態(tài)電弧和非穩(wěn)態(tài)電弧。穩(wěn)態(tài)電弧是指電弧的電流、電壓、溫度、長度等參數(shù)在一定范圍內(nèi)保持相對恒定的電弧，其電弧電阻和電弧功率也基本不變。穩(wěn)態(tài)電弧的形成需要滿足一定的條件，如電弧的電流大于臨界電流、電弧的長度小于臨界長度、電弧的溫度高于電離溫度等。非穩(wěn)態(tài)電弧是指電弧的電流、電壓、溫度、長度等參數(shù)隨時(shí)間或空間而變化的電弧，其電弧電阻和電弧功率也隨之變化。非穩(wěn)態(tài)電弧的形成則通常是由于電弧的觸發(fā)因素或影響參數(shù)發(fā)生變化，如電弧的電流波動(dòng)、電弧的長度變化等。非穩(wěn)態(tài)電弧的穩(wěn)定性和可控性較差，容易出現(xiàn)電弧的閃爍、熄滅、再燃等現(xiàn)象[5]。

2.3電弧對人體和設(shè)備的傷害機(jī)理

電弧會將電能轉(zhuǎn)化為熱能、光能、聲能和機(jī)械能，對人體和設(shè)備造成多方面的傷害。常規(guī)環(huán)境下，電弧的溫度可以達(dá)到幾萬攝氏度甚至幾十萬攝氏度，它會產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射，對人體的皮膚、眼睛、呼吸道等造成嚴(yán)重的灼傷，甚至引起燒傷性休克和死亡。電弧的熱輻射也會對設(shè)備的絕緣材料、電子元件、金屬結(jié)構(gòu)等造成損壞或熔化，影響設(shè)備的正常運(yùn)行和安全性。

3配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧傷害的防護(hù)措施

3.1配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧防護(hù)的目標(biāo)

配網(wǎng)不停電作業(yè)應(yīng)將目標(biāo)設(shè)定為降低電弧發(fā)生的概率，減少電弧對人體和設(shè)備的傷害程度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要從技術(shù)、管理、培訓(xùn)等方面采取有效的措施，提高配網(wǎng)不停電作業(yè)的安全水平和質(zhì)量。例如：在作業(yè)過程中使用合格的絕緣、遮蔽、隔離和消弧設(shè)備和工具，保證作業(yè)人員和設(shè)備之間的安全距離和電氣隔離。在日常工作過程中，還要求提高作業(yè)人員的安全意識和技能，加強(qiáng)電弧防護(hù)的理論和實(shí)踐教育，提升作業(yè)人員的應(yīng)急處置能力[6]。

3.2電弧防護(hù)區(qū)域

為了有效地防護(hù)配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧傷害，作業(yè)團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)電弧的危險(xiǎn)程度和影響范圍，劃分出不同的防護(hù)區(qū)域，對不同的防護(hù)區(qū)域采取不同的防護(hù)措施。實(shí)踐作業(yè)中，可劃分五個(gè)區(qū)域，如表2所示。

表2防護(hù)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)一覽

區(qū)域

電弧危險(xiǎn)性

電弧影響范圍

防護(hù)措施

電弧數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

帶電暴露區(qū)

最高

直接暴露在帶電部分

絕緣、遮蔽、隔離、個(gè)人防護(hù)用具、作業(yè)程序

電位梯度：大于1.5kV/cm

電導(dǎo)：大于0.1S/m

電流密度：大于10A/cm2

溫度：大于3000K

熱流：大于100kW/m2

禁止進(jìn)入?yún)^(qū)

較高

距離帶電暴露區(qū)一定距離

警示標(biāo)志、禁止無關(guān)人員和設(shè)備進(jìn)入

電位梯度：小于1.5kV/cm

電導(dǎo)：小于0.1S/m

電流密度：小于10A/cm2

溫度：小于3000K

熱流：小于100kW/m2

限制接近區(qū)

較低

距離帶電暴露區(qū)一定距離

警示標(biāo)志、限制無關(guān)人員和設(shè)備接近

電位梯度：小于0.5kV/cm

電導(dǎo)：小于0.01S/m2

電流密度：小于1A/cm2

溫度：小于1000K

熱流：小于10kW/m2

管制接近區(qū)

最低

距離帶電暴露區(qū)一定距離

警示標(biāo)志、管制無關(guān)人員和設(shè)備接近

電位梯度：小于0.1kV/cm

電導(dǎo)：小于0.001S/m2

電流密度：小于0.1A/cm2

溫度：小于500K

熱流：小于1kW/m2

電弧保護(hù)區(qū)

可忽略

距離帶電暴露區(qū)一定距離

電弧檢測和預(yù)警設(shè)備、消弧裝置

電位梯度：小于0.01kV/cm

電導(dǎo)：小于0.0001S/m2

電流密度：小于0.01A/cm2

溫度：小于300K

熱流：小于0.1kW/m2

3.3配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧防護(hù)的技術(shù)

為了有效地防護(hù)配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧傷害，作業(yè)人員需要使用合格的絕緣、遮蔽、隔離和消弧設(shè)備和工具。例如：可以增加絕緣層，防止電流通過人體或設(shè)備，造成觸電或電弧。在條件允許的情況下，也可以在帶電部分和作業(yè)人員之間設(shè)置遮蔽物，防止電弧的熱輻射和機(jī)械沖擊，造成灼傷或傷害。隔離技術(shù)也是較為常用的方案之一，其需要在帶電部分和作業(yè)人員之間設(shè)置隔離裝置，防止電弧的電磁干擾和聲壓波，造成干擾或影響[7]。該技術(shù)需要在電弧發(fā)生時(shí)，采用消弧裝置或方法，迅速切斷電弧電路，熄滅電弧，減少電弧的持續(xù)時(shí)間和危害程度。

4配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧防護(hù)效果和優(yōu)化方向

4.1防護(hù)效果

在某地區(qū)的配網(wǎng)不停電作業(yè)中，作業(yè)人員按照電弧防護(hù)的原則和目標(biāo)，劃分了不同的防護(hù)區(qū)域，并采取了相應(yīng)的防護(hù)措施，如使用絕緣、遮蔽、隔離和消弧設(shè)備和工具，穿戴個(gè)人防護(hù)用具，遵守作業(yè)規(guī)程和安全措施，安裝電弧檢測和預(yù)警設(shè)備等。通過這些措施，有效地降低了電弧發(fā)生的概率，減少了電弧對人體和設(shè)備的傷害程度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)的配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧發(fā)生率和傷害率分別比全國平均水平降低了30%和50%，達(dá)到了較好的防護(hù)效果。該案例表明，配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧防護(hù)是可行的，也是必要的，對提高配網(wǎng)不停電作業(yè)的安全水平和質(zhì)量具有重要意義。

4.2優(yōu)化方向

為了進(jìn)一步提高配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧防護(hù)的技術(shù)水平和質(zhì)量，未來應(yīng)當(dāng)積極安裝高靈敏度的電弧檢測器和聲光報(bào)警器，實(shí)時(shí)監(jiān)測作業(yè)現(xiàn)場的電弧發(fā)生情況，及時(shí)向作業(yè)人員發(fā)出預(yù)警信號，提高作業(yè)人員的應(yīng)急反應(yīng)能力，減少電弧對人員和設(shè)備的傷害。另外，也需要針對電弧防護(hù)用具進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。例如：通過采用新型的絕緣、遮蔽、隔離和消弧材料和工具，提高電弧防護(hù)用具的防護(hù)能力和使用壽命，降低電弧防護(hù)用具的重量和體積，增加電弧防護(hù)用具的舒適性和便攜性。除此之外，也需要重視電弧防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的完善和更新。結(jié)合配網(wǎng)不停電作業(yè)的實(shí)際情況，制定和更新適合本地區(qū)的電弧防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，明確電弧防護(hù)的技術(shù)要求、管理要求和培訓(xùn)要求，規(guī)范電弧防護(hù)的作業(yè)流程和安全措施。

5結(jié)語

配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧防護(hù)是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保障，也是配網(wǎng)不停電作業(yè)的核心內(nèi)容。研究提出了配網(wǎng)不停電作業(yè)電弧防護(hù)的目標(biāo)、區(qū)域、技術(shù)、效果和優(yōu)化方向等方面的建議和措施，為配網(wǎng)不停電作業(yè)的安全水平和質(zhì)量的提高提供了參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]崔陽楊.配網(wǎng)不停電作業(yè)中的技術(shù)分析及應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022，12（11）：117-118.

[2]袁思亮.配電自動(dòng)化對配網(wǎng)不停電作業(yè)安全的影響[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022，12（10）：184-185.

[3]黃偉秀.配網(wǎng)帶電作業(yè)中電纜不停電技術(shù)的應(yīng)用研究[J].電子測試，2022，36（14）：103-105.

[4]王申華，王旭杰，夏圓，等.配網(wǎng)開關(guān)用PT在不停電作業(yè)工況下鐵磁諧振特性與識別研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2022，46（11）：4534-4540.

[5]夏震，王建，汪篤紅，等.配網(wǎng)不停電作業(yè)絕緣降溫防護(hù)設(shè)備研究進(jìn)展[J].電力與能源，2022，43（3）：203-206，235.

[6]薛志偉，劉志勇，滕淳先，等.配網(wǎng)不停電作業(yè)的引流線固定裝置調(diào)試系統(tǒng)優(yōu)化[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2022，41（6）：121-123+137.

[7]張冬，謝世朋.配網(wǎng)不停電作業(yè)全流程安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2022，32（5）：176-181.