装设辅助设备输电线路软梯法进等电位电场仿真计算与分析

潘 静 李小春 陈天柱



装设辅助设备输电线路软梯法进等电位电场仿真计算与分析

潘 静1李小春2陈天柱2

（1. 国网安徽省电力公司，合肥 230061；2. 武汉大学，武汉 430072）

随着近年来输电骨干网架装设辅助设备的线路数量逐步增多，常规带电作业方法在装设有辅助设备线路上的安全性、适用性方面的研究还比较少。为此，本文提出一套关于装设辅助设备线路软梯法进等电位方法，并对作业区域内设备进行建模，利用谐响应分析及有限元分析理论对进入电场前后的空间电位、电场分布等参数进行了仿真计算。结果表明，方案中提到的等电位电工从铁塔主材上通过绝缘软梯从导线正下方，距离下方分裂导线0.6m时进行电位转移的进等电位方法满足带电作业安全要求。

辅助设备；输电线路；带电作业；谐响应分析；有限元分析；ANSYS

随着我国经济的发展，对电网供电质量要求越来越高。为了降低跳闸率，提高供电稳定性，近年来输电骨干网架线路安装线路避雷器等辅助设备的数量逐步增多[1]，运维工作中涉及安装有辅助设备的线路杆塔的情况也越来越频繁。由于部分辅助设备（如线路避雷器等）安装位置靠近带电体且体积较大，增加线路运维检修工作的难度，进行相关杆塔的带电作业中进出等电位空间更小，受限条件更多，所以关于装设辅助设备线路运维工作的研究已逐渐成为电力相关单位关注的重点。

为充分保证输电线路主网络的可靠运行，降低停电带来的安全风险及损失，国网公司要求在对500kV输电骨干网架线路缺陷检修时严格执行“能带不停”；带电检修作业在线路运维工作中占据的比重将越来越大。

近年来，关于输电线路带电作业的相关研究较多，但关于装设辅助设备线路带电作业的研究国内外还涉及较少。本文在充分调研现有带电作业项目作业指导书及相关安全规程的基础上，选取了安装有线路避雷器的某500kV线路杆塔为例，建模分析了等电位电工采用软梯法进出电场时的电位分布及场强变化，研究了在装设有线路避雷器的500kV线路软梯法进、出电场时的安全性和可行性，提出了一套完整的装设辅助设备线路软梯法进等电位方法。

1 作业方案

关于装设辅助设备线路软梯法进等电位方法，以安装有线路避雷器的某500kV输电线路杆塔为例，本文提出作业方案如下。首先，在作业位置上方横担处挂设绝缘软梯；然后等电位电工沿杆塔主材爬至作业侧带电导线下方水平约6m高度位置，再登沿绝缘软梯向上爬行，同时地面电工控制绝缘软梯牵引绳索使绝缘软梯平稳、缓慢靠近带电体，当等电位电工头部距离最下方分裂导线0.6m时停止移动；待软梯位置稳定后，等电位电工迅速抓住带电体进入等电位[2]，作业方案如图1所示。

图1 软梯法进等电位方案示意图

为了保证作业方案的安全性、可行性，其中等电位电工进入等电位过程中场强分布的改变是否对等电位电工带来安全风险需要通过模拟仿真计算分析验证。

2 计算方法

本文运用SolidWorks三维机械CAD软件对某500kV线路杆塔、绝缘子串、导线、避雷器及连接金具等进行等比例三维建模，再通过ANSYS软件对该区域内电场分布进行仿真计算。

为充分贴合交流线路实际情况，本文采用谐响应分析法分实部、虚部加载电压，并通过有限元法计算，最后通过合成得到所需的电位、电场参数[3-4]。

2.1 谐响应分析法

避雷针保护静止的构筑物时采用的滚球半径计算方谐响应分析法是一种用于确定线性结构在承受随时间按正弦规律变化的载荷时稳态响应分析方法。由于500kV输电线路产生的工频电场符合准静态场模型[5]，所以可将线路电压分为实部、虚部两部分进行谐响应分析计算，故用复数形式描述线路中A、B、C三相相电压可表示为

建模场景中500kV等电位体包括导线及与导线接触的连接金具等均可按照式（2）的表示根据相应相序加载电位；杆塔为地电位，故杆塔塔材、横担及与其连接的相关金具可加载零电位；场景中所有模型被空气包围，故外层空气及地表加载零电位。

经上述分析可知，空间内任意一点的电位均可以被分解为实部和虚部两部分，即

将上述描述的空间某点电位作为激励条件，分实部和虚部两次加载，然后计算出总场强。场域内某点的场强各个分量也可以用复数的形式表示为

2.2 有限元分析法

本文关注的作业区域的静电场是一种稳态电磁场，用麦克斯韦方程组描述静电场表达式为

由于泊松方程描述静电场，表达式为

根据静电场最小作用原理，当一个固定带电系统处于介质中，其表面电荷分布表现为其合成电场具有最小静电能量。又因为三维静电场有限元分析和二维静电场有限元分析类似[8]，所以以下通过二维静电场进行分析和求解与静电场微分方程的泛函极值问题。

第一类边界，能量表达式为

等价于下列泛函极值问题，即

第二、三类边界的等价泛函极值问题可表示为

模型中的所有单元能量之和可通过二次泛函表达式描述为

单元能量积分表达式为

又有

可得

其中：

可得

将所有子区域的方程联立合并，则有

将泛函问题被离散化为多元二次函数极值问题：

函数极值理论可知

即

3 模型构建

本文选取的研究对象杆塔型号为为SZT-40，四分裂导线型号为LGJ-630/55，长棒瓷绝缘子型号为LP75/18+17/1435×3，避雷器型号为YH20CX- 396/1050，连接用复合绝缘子型号为FXBW4。上述研究对象建模对象尺度相差较大，为降低后期剖分单元量，提高计算效率，在不影响分析结果的基础上，本文在建模过程中作如下简化：

1）由于杆塔体积较大，本文研究的带电作业工作仅在杆塔一侧进行，塔材距带电体较远，对作业区域电位、电场仿真影响很小，故仅建立作业侧部分杆塔模型，且简化了杆塔主材中的斜材。

2）杆塔附近的电场分布计算属于开域问题求解，而有限元法求解需把求解区域限定到一定范围内。考虑到当截断边界离所关心的区域足够远时，其产生的截断误差已足够小，计算精度可满足要求，故本文在建模中设定了一个远离工作区域电场中心的假想人工边界[9]。

3）在满足工程计算要求的前提下，简化了缘子均压环、连接金具，忽略了尺寸较小的线夹、防震锤等金具影响。

4）相对导线实际长度，本文讨论的作业区域内导线长度很短，故在建模中将导线设置为4根平行与地面，长15m的直圆柱导体；且考虑到其他相导线距离较远，所以忽略其影响[10]。

5）避雷线位于横担上方，考虑到一般情况下避雷线为地电位，且由于横担的屏蔽作用，在不影响实际工况的前提下，本文忽略了其对作业区域的电场影响。

6）因为作业中用到的绝缘软梯和牵引控制绳的介电常数与空气相近，对电场分布影响较小，故未对其进行建模。

简化后的杆塔及金具模型如图2所示。

图2 简化后的杆塔及金具模型

4 仿真分析

为研究等电位电工进入电场前后，工作区域内空间电场分布变化情况，本文对人体进入电场空间前后分别进行了仿真计算。

4.1 进入电场前电位、电场分布状态分析

通过第2节描述的计算方法加载第3节提到设备模型得到了人体进入电场前作业区域电位及电场分布云图，分别如图3、图4所示。在本文以下出现的云图中，电压单位为kV，场强单位为kV/m。

图3 进电场前作业区域电位分布云图

图3中绝缘子下部颜色越深代表该处电位越高，上部颜色越深代表电位越低，中部浅色部分电位处于中间位置。可以看到，图中长棒瓷绝缘子串上部靠近横担的区域逐渐变深，与横担侧连接金具及长棒瓷绝缘子串低压侧均压环部分为电压为0；长棒瓷绝缘子串下部靠近导线区域逐渐变深，与导线直接接触的联板、高压侧均压环电压相同均为线路电压；长棒瓷绝缘子串中部从上至下电位逐步升高。输电线路绝缘子串电压为非线性分布，低压侧及高压侧数片绝缘子承受的电压较高，中部的绝缘子承受的电压较低，绝缘子串整体的电压分布曲线呈马鞍形。可以看出，图3中长棒瓷绝缘子串靠近高低压侧均压环区域颜色变化较快，中间部分颜色变化较慢。

图4 进电场前作业区域电场分布云图

进电场前作业区域电场分布云图如图4所示，由于长棒瓷绝缘子串均压环均压效果其表面电场强度较大，除此之外，提线联板、避雷器连接杆及导线表面场强较高，图中最大场强为1529kV/m；而从空间电场的分布来看，避雷器连接杆下方空间电场强度分布均匀，变化平缓，符合带电作业中进入等电位通道的选择条件。避雷器远离带电部分，对作业区域影响较小，为简化计算，在电场仿真中将其视为等势体。

4.2 进入电场后电位、电场分布状态分析

本文选择当等电位电工即将进行电位转移时的状态进行人体进入电场后作业区域电位、电场分布的分析，并设定此时等电位电工位于导线下方，头部距离最下方分裂导线0.6m。进电场后作业区域电位、电场分布云图如图5所示。

在带电作业过程中，等电位电工身穿全套高压屏蔽服，在其沿软梯向上爬行且未进行电位转移前，人体可模拟为悬浮于空间中的等电位体[12]，电位为289kV。对比图5可以看出，人体接近作业区域后，空间电场分布发生了明显改变，局部场强峰值见 表1。

人体中最靠近带电体的头部及突出于身体的手、脚部附近，尖端效应导致电场畸变最为明显，电场强度明显上升，从表1中可以看到，电场最大值出现在屏蔽服帽子上端为1328kV/m。

（a）电位分布

（b）电场分布

图5 进电场后作业区域电位、电场分布云图

表1 屏蔽服表面局部场强峰值

根据《GB/T 6568—2008 带电作业用屏蔽服装》屏蔽服屏蔽效率不得低于40dB标准，屏蔽效率为40dB即屏蔽服衣内人体表面的电场强度为衣外电场强度的1/100[13]，故仿真中出现电场最大值的头部，衣内场强为13.28kV/m，满足衣内体表场强不大于15kV/m的要求。这说明按照本文第1节设计的作业方案中装设辅助设备线路软梯法进等电位方法满足安全要求。

5 结论

本文设计了一种装设辅助设备线路软梯法进等电位的作业方法，并通过建模仿真计算了等电位电工进入电场过程中作业区域场强分布变化，分析得出结论：在等电位电工沿软梯向带电体靠近过程中，应选择从方向电场梯度较小的导线正下方接近带电体；在头部距最下方分裂导线约0.6m处进行电位转移，此时全身式屏蔽服表面场强最大处出现在头部为1328kV/m，衣内体表最大场强为13.28kV/m满足不得高于15kV/m的安全标准。

上述结论表明，本文提出的一种装设辅助设备线路软梯法进等电位的作业方法从理论上满足带电作业安全标准。这说明在严格按照操作规程、穿戴全套高压屏蔽服的基础上，在装设有如线路避雷器的辅助设备输电线路上利用本文提出的软梯法进行等电位的操作是安全可行的。

[1] 王兰义, 赵冬一, 胡淑慧, 等. 线路避雷器的研究进展[J]. 电瓷避雷器, 2011(1): 26-34.

[2] 尹洪, 吴启进, 周玎. 500kV紧凑型输电线路进入等电位方式探讨[J]. 湖北电力, 2009, 33(4): 53-54.

[3] 冯慈璋, 马西奎. 工程电磁场导论[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000.

[4] 王青于, 杨熙, 廖晋陶, 等. 特高压变电站人体工频电场暴露水平评估[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(24): 4188-4194.

[5] 肖国斌, 虞泽, 俸世荣, 等. 500kV线路避雷器的设计与应用[J]. 电瓷避雷器, 2009(3): 26-30.

[6] 吴小雁, 薛毓强, 黄云程. 考虑复杂地势的交流超高压输电线路电场[J]. 电气技术, 2015, 16(9): 7-10.

[7] 汪沨, 廖平军, 黄俊, 等. 含污秽薄层的高压复合绝缘子表面电场计算新方法[J]. 电工技术学报, 2016, 31(10): 78-84.

[8] 袁建生, 鞠勇, 邹军, 等. 330kV特高压直流输电线路屏蔽环三维有限元电场计算方法与策略[J]. 电工技术学报, 2015, 30(10): 7-13.

[9] 徐志钮, 律方成, 李和明, 等. 绝缘子电场有限元分析法的影响因素及其优化[J]. 高电压技术, 2011, 37(4): 944-951.

[10] 吕殿利. 特高压电场的数值计算与全局优化[D]. 天津: 河北工业大学, 2010.

[11] 张秀斌, 牟中华, 孙亚明, 等. 基于ANSYS的330kV有机复合绝缘子表面电场建模和优化[J]. 电气技术, 2015, 16(6): 63-66, 88.

[12] 王建华, 文武, 阮江军. 特高压交流输电线路工频磁场在人体内的感应电流密度计算分析[J]. 电网技术, 2007, 31(13): 7-10.

[13] 邵瑰玮, 胡毅, 王力农, 等交流特高压输电线路带电作业安全防护用具与措施[C]//中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集, 2007.

Simulation and Analysis about Installation of Auxiliary Equipment Transmission Line by Ladder Method into the Equipotential Field

Pan Jing1Li Xiaochun2Chen Tianzhu2

(1. State Grid Anhui Electric Company, Hefei 230061; 2. Wuhan University, Wuhan 430072)

With the gradual increase in the number of installation of auxiliary equipment transmission line with backbone transmission network in recent years, the research of safety and applicability about conventional method for live working on the installation is still relatively small. Therefore, this paper proposed a method about installation of auxiliary equipment line by ladder into potentiometric, modeled the equipments in the operating area and simulated the parameters of space potential and electric-field distribution by utilizes harmonic response analysis and finite element analysis theory before and after into the electric field. The result showed that the method has mentioned in the plan can meets safety requirement when equal potential operator performed the shift of potential through insulating ladder from main materiel of the tower where directly below the wire and 0.6 meters to the lower bundle conductor.

auxiliary equipment; electric transmission line; live working; harmonic response analysis; finite element analysis; ANSYS

潘 静（1969-），女，本科，国网安徽省电力公司，主要从事输电线路状态评价及运维相关工作。

国家电网公司总部科技项目资助项目（SGSX0000YJJS [2014] 457）