配网不停电作业安全电弧伤害机理及防护措施

摘要：配网不停电作业存在着一定的技术难度和安全风险，如果操作不当或管理不规范，可能导致人员触电、电弧灼伤、高空坠落、设备损坏、线路短路等严重事故，危及人身安全和电网稳定运行。因此，有效地防护配网不停电作业电弧伤害，是保障电力系统安全可靠运行的重要任务。研究从配网不停电作业电弧伤害的机理、防护目标、防护区域、防护技术、防护效果和优化方向等方面，对配网不停电作业电弧防护进行了系统的分析和探讨。

关键词：配网工作不停电作业安全电弧电弧特性

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配网不停电作业安全事故现状和危害分析

配网不停电作业是为了提高供电可靠性和客户满意度，减少停电损失，而在配电线路带电状态下进行的检修、改造、清洗等工作。而这种作业具有一定的技术难度和安全风险，如果操作不当或管理不规范，可能导致人员触电、电弧灼伤、高空坠落、设备损坏、线路短路等严重事故，危及人身安全和电网稳定运行。根据国网公司统计，2022年全国共发生配网不停电作业安全事故94起，造成人员死亡23人，重伤12人，轻伤58人，直接经济损失达到1.05亿元[1]。配网不停电作业安全事故的主要原因有作业人员违章作业、作业工器具不合格、作业环境不安全、作业管理不到位等。因此，预防配网不停电作业安全事故，是保障电力系统安全可靠运行的重要任务，需要从技术、管理、培训等方面采取有效措施，提高配网不停电作业的安全水平和质量。

2配网不停电作业电弧伤害的机理

2.1电弧的形成条件和影响因素

2.1.1物理本质与数学模型

电弧是一种气体放电现象，它是由于电路中的电压超过气体的击穿电压，导致气体中的分子或原子被电离，形成带电粒子的等离子体，从而使气体具有导电性。电弧的物理本质是一种高温、高能量的热电统一体，它可以将电能转化为热能、光能、声能和机械能。电弧的数学模型是根据电弧的物理过程和特性，建立的用于描述电弧的电流、电压、电阻、温度、压力等参数之间的关系的数学方程。常见的电弧数学模型有Cassie模型和Mayr模型，它们都是基于能量守恒方程和电弧的热电平衡条件，但是对电弧的电阻和温度的假设不同[2]。

假设分析一个电弧故障的情况，其中电路中的电压为1000V，电流为100A，气体为空气，气体的击穿电压为30kV/m，电弧通道的长度为0.1m，电弧通道的截面积为0.01m2，电弧通道的温度为5000K，电弧通道的电导率为10S/m。首先要确定电弧的类型，是采用Cassie模型还是采用Mayr模型[3]。Cassie模型适用于电流过零前的大电流燃弧期间，Mayr模型适用于电流过零时的小电流燃弧期间。由于电流为100A，整体相对较低，而且假设电流是恒定的，没有过零，所以选择Mayr模型来描述电弧。根据Mayr模型的数学方程来计算电弧的参数，其数学方程如式（1）、式（2）所示：

（1）

（2）

式（1）、式（2）中，Rc是Mayr模型的动态电阻，tm是电弧的时间常数，Ploss是电弧燃烧时的耗散功率，ξ是电弧的电场强度，i是电弧电流。

2.1.2触发因素和影响参数

电弧的形成是一个复杂的物理过程，受到多种因素的影响。电极间距是影响电弧形成的重要因素之一，电极间距越大，电弧的发生概率越小，电弧的稳定性越差，电弧的电压和电阻越大。电极材料的种类、纯度、表面状况等也都会影响电弧的形成和特性，电极材料的熔点越高，电弧的发生概率越小，电极的蒸发和燃烧越少，电弧的稳定性越好。此外，二次电子发射系数对电弧也具有关键影响。二次电子发射系数是指电极表面被轰击后产生的二次电子与入射电子的比值，它会影响电弧的电子密度和电场强度。二次电子发射系数越大，电弧的电子密度越高，电弧的电场强度越低，电弧的稳定性越好。

2.2电弧的特性和类型

电气特性和热力学特性是影响电弧放电现象的两个重要方面，它们之间存在着相互作用和影响。电弧的电气特性包括电位梯度、电导、电流密度及其分布等，它们决定了电弧的电压、电阻、功率和能量转换等参数。电弧的热力学特性包括温度、输入热能、散出热能、热流及其分布等，它们决定了电弧的热稳定性、热平衡和热效应等现象。电弧的电气特性和热力学特性又受到电弧的组成部分、形成条件、类型、介质、电流、电压等因素的影响[4]。表1给出了一些常见的电弧类型及其电气特性和热力学特性的数值范围：

表1电弧类型及其电气特性和热力学特性

电弧类型

电位梯度（V/cm）

电导（S/m）

电流密度（A/cm2）

温度（K）

热流（W/cm2）

交流电弧

10～1000

10～1000

10～10000

3000～30000

100～10000

直流电弧

10～1000

10～1000

10～10000

3000～30000

100～10000

脉冲电弧

100～10000

100～10000

100～100000

10000～100000

1000～100000

气中电弧

10～1000

10～1000

10～10000

3000～30000

100～10000

真空电弧

100～10000

100～10000

100～100000

10000～100000

1000～100000

电弧类型可以根据其电气特性和热力学特性分为稳态电弧和非稳态电弧。稳态电弧是指电弧的电流、电压、温度、长度等参数在一定范围内保持相对恒定的电弧，其电弧电阻和电弧功率也基本不变。稳态电弧的形成需要满足一定的条件，如电弧的电流大于临界电流、电弧的长度小于临界长度、电弧的温度高于电离温度等。非稳态电弧是指电弧的电流、电压、温度、长度等参数随时间或空间而变化的电弧，其电弧电阻和电弧功率也随之变化。非稳态电弧的形成则通常是由于电弧的触发因素或影响参数发生变化，如电弧的电流波动、电弧的长度变化等。非稳态电弧的稳定性和可控性较差，容易出现电弧的闪烁、熄灭、再燃等现象[5]。

2.3电弧对人体和设备的伤害机理

电弧会将电能转化为热能、光能、声能和机械能，对人体和设备造成多方面的伤害。常规环境下，电弧的温度可以达到几万摄氏度甚至几十万摄氏度，它会产生强烈的热辐射，对人体的皮肤、眼睛、呼吸道等造成严重的灼伤，甚至引起烧伤性休克和死亡。电弧的热辐射也会对设备的绝缘材料、电子元件、金属结构等造成损坏或熔化，影响设备的正常运行和安全性。

3配网不停电作业电弧伤害的防护措施

3.1配网不停电作业电弧防护的目标

配网不停电作业应将目标设定为降低电弧发生的概率，减少电弧对人体和设备的伤害程度。为了实现这一目标，需要从技术、管理、培训等方面采取有效的措施，提高配网不停电作业的安全水平和质量。例如：在作业过程中使用合格的绝缘、遮蔽、隔离和消弧设备和工具，保证作业人员和设备之间的安全距离和电气隔离。在日常工作过程中，还要求提高作业人员的安全意识和技能，加强电弧防护的理论和实践教育，提升作业人员的应急处置能力[6]。

3.2电弧防护区域

为了有效地防护配网不停电作业电弧伤害，作业团队需要根据电弧的危险程度和影响范围，划分出不同的防护区域，对不同的防护区域采取不同的防护措施。实践作业中，可划分五个区域，如表2所示。

表2防护区域标准一览

区域

电弧危险性

电弧影响范围

防护措施

电弧数据标准

带电暴露区

最高

直接暴露在带电部分

绝缘、遮蔽、隔离、个人防护用具、作业程序

电位梯度：大于1.5kV/cm

电导：大于0.1S/m

电流密度：大于10A/cm2

温度：大于3000K

热流：大于100kW/m2

禁止进入区

较高

距离带电暴露区一定距离

警示标志、禁止无关人员和设备进入

电位梯度：小于1.5kV/cm

电导：小于0.1S/m

电流密度：小于10A/cm²

温度：小于3000K

热流：小于100kW/m²

限制接近区

较低

距离带电暴露区一定距离

警示标志、限制无关人员和设备接近

电位梯度：小于0.5kV/cm

电导：小于0.01S/m²

电流密度：小于1A/cm²

温度：小于1000K

热流：小于10kW/m²

管制接近区

最低

距离带电暴露区一定距离

警示标志、管制无关人员和设备接近

电位梯度：小于0.1kV/cm

电导：小于0.001S/m²

电流密度：小于0.1A/cm²

温度：小于500K

热流：小于1kW/m²

电弧保护区

可忽略

距离带电暴露区一定距离

电弧检测和预警设备、消弧装置

电位梯度：小于0.01kV/cm

电导：小于0.0001S/m²

电流密度：小于0.01A/cm²

温度：小于300K

热流：小于0.1kW/m²

3.3配网不停电作业电弧防护的技术

为了有效地防护配网不停电作业电弧伤害，作业人员需要使用合格的绝缘、遮蔽、隔离和消弧设备和工具。例如：可以增加绝缘层，防止电流通过人体或设备，造成触电或电弧。在条件允许的情况下，也可以在带电部分和作业人员之间设置遮蔽物，防止电弧的热辐射和机械冲击，造成灼伤或伤害。隔离技术也是较为常用的方案之一，其需要在带电部分和作业人员之间设置隔离装置，防止电弧的电磁干扰和声压波，造成干扰或影响[7]。该技术需要在电弧发生时，采用消弧装置或方法，迅速切断电弧电路，熄灭电弧，减少电弧的持续时间和危害程度。

4配网不停电作业电弧防护效果和优化方向

4.1防护效果

在某地区的配网不停电作业中，作业人员按照电弧防护的原则和目标，划分了不同的防护区域，并采取了相应的防护措施，如使用绝缘、遮蔽、隔离和消弧设备和工具，穿戴个人防护用具，遵守作业规程和安全措施，安装电弧检测和预警设备等。通过这些措施，有效地降低了电弧发生的概率，减少了电弧对人体和设备的伤害程度。根据统计，该地区的配网不停电作业电弧发生率和伤害率分别比全国平均水平降低了30%和50%，达到了较好的防护效果。该案例表明，配网不停电作业电弧防护是可行的，也是必要的，对提高配网不停电作业的安全水平和质量具有重要意义。

4.2优化方向

为了进一步提高配网不停电作业电弧防护的技术水平和质量，未来应当积极安装高灵敏度的电弧检测器和声光报警器，实时监测作业现场的电弧发生情况，及时向作业人员发出预警信号，提高作业人员的应急反应能力，减少电弧对人员和设备的伤害。另外，也需要针对电弧防护用具进行改进和创新。例如：通过采用新型的绝缘、遮蔽、隔离和消弧材料和工具，提高电弧防护用具的防护能力和使用寿命，降低电弧防护用具的重量和体积，增加电弧防护用具的舒适性和便携性。除此之外，也需要重视电弧防护标准和规范的完善和更新。结合配网不停电作业的实际情况，制定和更新适合本地区的电弧防护标准和规范，明确电弧防护的技术要求、管理要求和培训要求，规范电弧防护的作业流程和安全措施。

5结语

配网不停电作业电弧防护是电力系统安全可靠运行的重要保障，也是配网不停电作业的核心内容。研究提出了配网不停电作业电弧防护的目标、区域、技术、效果和优化方向等方面的建议和措施，为配网不停电作业的安全水平和质量的提高提供了参考和借鉴。

参考文献

[1]崔阳杨.配网不停电作业中的技术分析及应用[J].现代工业经济和信息化，2022，12（11）：117-118.

[2]袁思亮.配电自动化对配网不停电作业安全的影响[J].现代工业经济和信息化，2022，12（10）：184-185.

[3]黄伟秀.配网带电作业中电缆不停电技术的应用研究[J].电子测试，2022，36（14）：103-105.

[4]王申华，王旭杰，夏圆，等.配网开关用PT在不停电作业工况下铁磁谐振特性与识别研究[J].电网技术，2022，46（11）：4534-4540.

[5]夏震，王建，汪笃红，等.配网不停电作业绝缘降温防护设备研究进展[J].电力与能源，2022，43（3）：203-206，235.

[6]薛志伟，刘志勇，滕淳先，等.配网不停电作业的引流线固定装置调试系统优化[J].自动化技术与应用，2022，41（6）：121-123+137.

[7]张冬，谢世朋.配网不停电作业全流程安全监测与预警系统[J].计算机技术与发展，2022，32（5）：176-181.