±800 kV输电线路带电作业人员体表电场仿真分析

刘程，孔祥美

(广东电网有限责任公司汕头供电局，广东 汕头 515000)

±800 kV输电线路带电作业是在输电线路带电状态下进行的，该状态下带电作业人员会受到导线产生的电磁场的影响[1-4]。因此，对±800 kV输电线路带电作业人员体表电场进行研究，以保障带电作业人员的人身安全，是目前电力行业亟需解决的问题[5-9]。

目前，国内外专家学者对超高压直流输电线路带电作业进行了广泛研究。文献[2]研究了±800 kV特高压直流线路带电作业安全防护用具，分析了带电作业使用的安全工具应达到的安全水平。文献[5]采用试验研究的方法，对比了3种带电作业方式，并校核了各种作业方式所需的最小安全距离。文献[6]使用仪器测量了带电作业人员在不同作业位置时的体表合成电场，并采用有限元法进一步计算了±800 kV输电线路离子流场。文献[10]运用ATP软件，分析了带电作业人员进入等电位的最优方式，该研究对于带电作业安全防护具有参考价值。文献[11]采用Ansoft软件仿真研究带电作业对体表电场的影响，但该研究集中在屏蔽措施的选择，并未触及作业人员作业姿势的问题。文献[12]利用ANSYS建立仿真模型，计算分析了作业人员进入等电位所有可能途径中的体表电场，该计算结果与试验测量数据较为吻合。文献[13]以哈郑线±800 kV郑州站接地极为例，计算了2种接地运行方式下带电作业的最小安全距离，但该结论有待试验进一步验证。文献[14]研究了带电作业过程中不同转移距离与人体电位、放电电流和能量的关系，弥补了该项领域的空白，但该文对带电作业人员人体电场研究不够充分。

本文根据实际带电作业操作过程，采用Ansoft仿真软件，仿真研究±800 kV输电线路带电作业人员从杆塔横担和塔身处进入带电作业过程中横担、塔身与导线之间地电位、中间电位、等电位6个典型位置处人体体表电场分布，为±800 kV输电线路带电作业提供依据。

1 直流线路合成电场分析理论基础

1.1 直流导线合成电场计算模型

±800 kV输电线路合成电场由导线产生的静电场和空间离子流场组成。导线周围电场主要是标称电场，离子流形成的电场强度较小。由于本文主要研究塔上带电作业人员在不同工作位置的体表电场，故采用合成电场来计算作业人员的体表电场。

式(1)—(8)为有限元法计算双极直流输电线路合成电场的计算方程[15-16]：

·E=(qp-qn)/ε0.

(1)

·Jp=-Riqpqn/qe.

(2)

·Jn=Riqpqn/qe.

(3)

Jp=MpqpE-Dpqp+Wqp.

(4)

Jn=MnqnE-Dnqn+Wqn.

(5)

J=Jp+Jn.

(6)

·J=0.

(7)

E=-U.

(8)

式中:E为计算点的电场强度，V/m；qp、qn为正常运行条件下正负电荷浓度，qe为电子的电荷量；Jp、Jn分别为正、负电流密度，A/m2；Mp、Mn分别为正、负离子迁移率；Dp、Dn分别为正、负离子扩散系数；Ri为离子复合率，m3/s；W为风速，m/s；U为线路运行电压，V；ne为电子浓度;ε0为介电系数；J为电流密度。

1. 2 基本假设及边界条件

为简化计算，计算过程中采取如下假设[17]：

a)假设导线周围电晕层厚度为零。

b)不考虑导线电晕的暂态过程。

c)导线表面发生电离后，表面起晕场强值不变。

d)正负离子迁移率为常数。

e)不考虑空间电荷的扩散作用。

f)将三维问题简化为二维。

g)正极导线与地面之间只存在正电荷，负极导线与地面之间只存在负电荷，且电荷均匀分布在导线周围。

计算过程中采取如下边界条件[18]：

a)导线表面电压为线路运行电压。

b)地面电压为零。

c)人工边界处电压为零。

2 建立杆塔、人体仿真模型

本文以云广±800 kV特高压双极输电线路为算例[18]。作业人员、线路及杆塔的计算模型按照与实际尺寸1∶1比例建模，然后采用Ansoft仿真软件进行仿真研究。该线路采用导线型号为6×LGJ 630/45，子导线直径为33.6 mm，导线分裂间距为0.45 m，塔身高度为44 m，塔身宽度为4 m，横担长为22 m，所架设导线高度为33 m，导线与铁塔塔身侧面间距为11 m，架空线路导线与横担间距为10 m，六分裂导线距离人工边界处距离均为30 m。

本文主要研究作业人员体表场强，因此只建立了作业人员的人体外形轮廓，具体模型如图1所示。作业人员正面站立模型中，作业人员上身高度

图1 作业人员剖面图Fig.1 Profile map of operating personnel

为60 cm，宽度为50 cm；腿部高度为80 cm，宽度为30 cm；作业人员臂展长度为170 cm；头部为椭圆形且高度为30 cm。考虑到人体本身含有的离子物质，人体介电常数取值为80。

3 仿真分析

本文采用Ansoft仿真软件，仿真研究了带电作业人员从横担处和塔身侧面进入等电位作业区域时，6个典型带电作业位置对人体表面电场的影响，并对带电作业人员在等电位作业时，张开双臂时的体表电场进行了仿真研究。6种典型作业位置分布如图2所示。

图2 带电作业典型位置Fig.2 Typical locations of live working

图2中带电作业人员在位置1、2、4、5时，作业人员均没与带电体直接接触，所以该处作业为间接作业。在位置1、4处时作业人员在杆塔上，杆塔是良导体，所以作业人员与大地相连，作业人员身体的电位与大地相同，又称地电位作业。在位置2、5处作业时，作业人员既不与大地接触，也不与带电体接触，又称为中间电位作业。在典型作业位置3、6处时，作业人员与导线直接接触，称直接带电作业，在该处带电作业时人体与导线电位相同，又称等电位作业。

综合以上3种作业情况，本文分别选取从杆塔横担和塔身侧面进入地电位、中间电位和等电位作业时的6种作业位置，对带电作业人员体表场强进行仿真研究。

3.1 地电位作业时人体电场仿真

特高压直流输电线路中，带电作业人员只能位于杆塔横担与塔身侧面位置使用工具进行带电作业，因此地电位带电作业人体体表电场仿真选取人位于杆塔横担和塔身侧面2种情况。

3.1.1 作业人员位于横担处电场仿真

带电作业人员经过杆塔和地面相连，且带电作业人员位于负极导线正上方垂直高度为10 m处的横担上。通过对导线和人体周围的空间电场进行仿真研究，得到图3、图4所示的仿真结果。

图3 在杆塔横担作业时电场分布Fig.3 Electric field distribution when working on crossarm of tower

图4 x=-11 m时电场在y轴方向上的变化曲线Fig.4 Variation curve of electric field in the y direction as x=-11 m

图3所示为带电作业人员位于杆塔横担处的负极导线周围空间电场分布。由图3仿真云图可知，带电作业时人体对导线附近电场分布的影响较低，由于电磁感应现象作业人员周围发生电场畸变，且在人体脚部位置的电场畸变最显著。图4为图3中细线位置处(即x=-11 m)电场强度在y轴方向上的变化曲线。由图4曲线可知，导线处电场强度最大，最高可达到550 kV/m，随后沿y轴正方向急剧下降。当存在带电作业人员时，在人体处电场强度显著增大，作业人员头顶和脚部位置都产生电场畸变，脚部位置处的畸变电场最强。因人体为导体，作业人员内部场强为零。与线路正常运行的情况相比，作业人员脚部位置电场强度由17 kV/m升高至89 kV/m，增大了72 kV/m，为正常运行时的5.24倍。

3.1.2 作业人员位于塔身侧面处电场仿真

带电作业人员位于距离正极导线10 m处的塔身侧面时，作业人员通过杆塔与大地相连。通过对导线和人体周围的空间电场进行仿真研究，得到图5、图6所示的仿真结果。

图5 在杆塔侧面处作业时的电场分布Fig.5 Electric field distribution when working on the side of tower

图6 y=20 m的电场在x轴方向上的变化曲线Fig.6 Variation curve of electric field in the x direction as y=20 m

由图5仿真云图可以看出，作业人员在塔身侧面地电位作业时，作业人员靠近导线侧电场强度较高，远离导线侧电场强度较低，这是由于带电作业人员靠近导线侧电场发生了畸变。图6为图5中平行于x轴的细线位置(即y=20 m)的电场值沿x轴方向的变化曲线。由图6曲线可知，与正常运行时相比，电场畸变范围和畸变场强都较小，只有靠近导线侧人体发生了电场畸变，电场强度由34.6 kV/m增大到51.4 kV/m，增大了16.8 kV/m，为正常运行时的1.5倍。

3.2 中间电位作业时人体电场仿真

中间电位是由地电位作业到等电位作业的中间环节，对于中间电位作业，本文主要研究带电作业人员位于导线正上方3 m处和导线水平距离3 m处2种情况。

3.2.1 作业人员位于导线正上方3 m处电场仿真

当带电作业人员位于负极导线正上方3 m时，对导线周围的空间电场进行仿真，所得仿真结果如图7、图8所示。

图7 在导线上方3 m处作业时的电场分布Fig.7 Electric field distribution when working over 3 m of the wire

图8 x=-11 m时电场在y轴方向上的变化曲线Fig.8 Variation curve of electric field in the y direction as x=-11 m

由图7仿真云图可以看出，作业人员位于负极导线正上方3 m时，作业人员的存在导致导线周围的空间电场发生畸变，人体脚部及头顶位置处电场畸变较为显著。图8为图7细线位置处(即x=-11 m)电场强度变化曲线。由图8曲线可知，作业人员位于导线正上方3 m处时，人体头顶和脚部位置电场畸变较为显著，体表最大场强出现在脚部，达到210.6 kV/m，同正常运行条件下(场强为97.8 kV/m)相比，增加了112.8 kV/m，为正常运行时的2.15倍。

3.2.2 作业人员位于导线水平方向3 m处电场仿真

当带电作业人员位于距离正极导线左方3 m处的中间电位时，对导线周围的空间电场进行仿真，仿真结果如图9、图10所示。

图9 在导线左侧3 m处作业时的电场分布Fig.9 Electric field distribution when working on the left 3 m of the wire

图10 y=20 m的电场在x轴方向上的变化曲线Fig.10 Variation curve of electric field in the x direction as y=20 m

由图9仿真云图可以看出，带电作业人员位于正极导线侧面3 m时，作业人员会导致导线周围电场发生畸变。图10为图9中细线位置(即y=20 m)处电场强度在x轴方向的变化曲线。由图10曲线可知，作业人员位于导线侧畸变场强大于杆塔侧，作业人员带电作业时畸变场强为107.2 kV/m，同正常运行条件下(场强为91.0 kV/m)相比，增加了16.2 kV/m，为正常运行时的1.17倍。

3.3 等电位作业时人体电场仿真

等电位作业时人体体表电场水平最高，各种作业动作都会造成附近电场畸变，甚至造成局部空气放电，危及生命安全和输电线路安全稳定运行。因此，本文对作业人员在导线上和导线侧面的站立模型以及带电作业人员站在导线上张开手臂模型进行仿真研究。

3.3.1 作业人员位于导线上方时电场仿真

当作业人员在导线上等电位作业时，对导线周围空间电场进行仿真，仿真结果如图11、图12所示。

图11所示为带电作业人员位于负极导线上方时空间电场分布云图。图12为图11中细线位置(即x=-11 m)处的电场值在y轴方向的变化曲线。由图12曲线可知，作业人员带电工作时人体头顶位置电场强度最大，能到达474.6 kV/m，导线下部位置场强为419.1 kV/m，这是因为导线和人体形成整体后，人头部面积比导线面积小，人体头部位置面积变化大，造成的畸变场强比导线侧的畸变场强大。作业人员头顶处畸变场强与正常运行条件下(场强为89.4 kV/m)相比，增加了385.2 kV/m，为正常运行时的5.3倍,电场畸变极为严重。

图11 作业人员站在导线上作业时的电场分布Fig.11 Electric field distribution when operating personnel working on the wire

图12 x=-11 m时电场在y轴方向上的变化曲线Fig.12 Variation curve of electric field in the y direction as x=-11 m

3.3.2 作业人员位于导线侧面时电场仿真

当作业人员由杆塔侧面进入正极导线侧面等电位作业时，对导线周围的空间电场进行仿真，仿真结果如图13、图14所示。

图13所示为作业人员站在正极导线侧面等电位作业时，导线与人体附近空间电场分布情况。图14为图13中细线位置(即y=20 m)处电场随x轴的变化曲线。由图14曲线可知，正常运行时正极导线附近空间最大场强为510.5 kV/m，带电作业时为358.2 kV/m，减小了152.3 kV/m。这是因为等电位作业时人体与导线形成一个整体，增大了导线有效半径，对周围空间电场起均压作用，使导线附件空间电场最大值减小。与正常运行相比，作业人员远离导线侧，位置电场由190.3 kV/m增大到233.2 kV/m，增加了42.9 kV/m，为正常运行时的1.23倍。

图13 作业人员在导线侧面作业时的电场分布Fig.13 Electric field distribution when operating personnel working on the side of the wire

图14 y=20 m的电场在x轴方向上的变化曲线Fig.14 Variation curve of electric field in the x direction as y=20 m

3.3.3 作业人员在导线上张开双臂时电场仿真

当作业人员在负极导线上等电位作业且张开双臂时，对导线周围的空间电场进行仿真，仿真结果如图15、图16所示。

图15 等电位检修人员张开双臂状态下电场分布Fig.15 Electric field distribution when maintainer opening arms

图16 x=-11m时电场在y轴方向上变化曲线Fig.16 Variation curve of electric field in the y direction as x=-11 m

图15所示为作业人员在负极导线上张开双臂时，导线与人体附近空间电场分布情况。图16表示图15中细线位置(即x=-11m)处电场值在y轴方向的改变情况。由图15曲线可知，当作业人员站在导线上张开双臂时，人体与导线作为一个整体影响周围空间电场的分布，导线下部、手臂端部、头顶位置的电场产生了比较严重的畸变。由图16可知张开双臂时手臂端部位置畸变场强达到382.1 kV/m，与正常运行时该处电场强度89.4 kV/m相比，增加了292.7 kV/m，为正常运行时的4.27倍。

通过对±800 kV输电线路带电作业人员体表电场仿真研究，最终得到的结果见表1。

表1 带电作业人体体表电场仿真数据统计Tab.1 Simulation data statistics of body surface electric field during living working

4 结论

本文通过仿真研究表明：进行±800 kV输电线路带电作业时，作业人员从横担进入等电位作业时，电场畸变程度比从塔身侧面进入等电位作业时的电场畸变严重，作业人员应尽量选择在塔身侧面进行带电作业；在等电位作业时，作业人员的头顶、手、脚3个部位畸变场强最大，作业人员张开双臂后手臂端畸变场强最大，在等电位作业时作业人员应减小动作弧度。