特高压复合横担带电作业工况下人体放电附着点计算研究_韩轲明.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（编号：）。（）（）。：特高压复合横担带电作业工况下人体放电附着点计算研究韩轲明，彭 勇，吴 田，雷兴列（三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌；中国电力科学研究院有限公司，武汉；湖北省输电线路工程技术研究中心（三峡大学），湖北 宜昌）摘 要：特高压复合横担带电作业方式与常规塔型存在较大不同，组合间隙的放电特性尚不明确，识别放电初始附着点对确保人员与设备安全具有重要意义。笔者根据实际 特高压复合横担搭建了基于先导放电理论的带电作业计算模型，通过计算作业人员体表尖端部位稳定先导起始所需的最小背景电场，分析了不同工况下进出等电位的作业人员体表放电附着概率分布。结果表明：作业人员体表稳定先导始发背景电场较小的部位更易成为放电初始附着点；沿复合横担路径时，作业人员体表初始放电最易附着于手部，其余突出部位放电附着概率相对于手部均达到 以上；沿垂直向上路径时，初始放电最易附着于头部，下肢相对于头部的放电附着概率小于；沿垂直向下路径时，脚部最易成为放电初始附着点，其余部位相对于脚部的放电附着概率均小于 。在带电作业过程中需针对作业人员放电附着概率较高的部位调整作业人员的进入等电位路径、作业姿态和空间占位。关键词：复合横担；先导放电；带电作业；悬浮电位；背景电场 ，（，；，；，）：，；，；，年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）；，：；引言特高压复合横担杆塔相比传统角钢塔或钢管塔具有许多优点，其较好的电气绝缘性能使得线路更加紧凑化，其重量较小、机械强度较高等特点也改善了塔身的机械荷载。由于结构上取消了悬垂绝缘子串，复合横担杆塔有效的减小了风害对输电线路的干扰，降低了发生风偏闪络的风险。除此之外，复合横担还具有较低的制造成本与良好的使用寿命，因此受到了国内外的广泛关注。在特高压复合横担的带电作业过程中，作业人员与导线、塔身等部分形成组合间隙，人体在进入强电场区域时体表尖端部位会有放电现象发生，从而给作业人员带来干扰。若火花放电能量过大，还可能烧蚀作业屏蔽服，危及人身安全。对于带电作业长间隙放电特性的研究，国内目前主要采用 真型模拟杆塔进行典型工况下的冲击放电试验来完成，但研究结果大多集中于传统角钢杆塔。由于复合横担的间隙结构、电场分布和放电特性与传统的角钢塔的差异较大，针对角钢杆塔带电作业间隙的放电试验结果并不能直接应用于复合横担杆塔。针对等比模型试验周期长、成本高等不足，有学者提出利用分形理论对悬浮电位导体的放电附着点进行模拟，但现有的计算模型的由于适用范围的局限性，未能在带电作业人员放电附着点的计算中得到准确的结果。随着对先导放电机制研究的深入，模拟先导放电的传播以及双向先导的连接过程已成为带电作业放电特性研究的重要方法。在棒 板长间隙击穿试验数据的基础上提出了稳定先导起始电压公式作为稳定先导的起始判据，但其实际应用于特高压输电线路的计算结果与观测值有较大不同。通过对棒 板间隙放电特性的分析提出稳定的上行先导起始需要临界流注长度达到，但缺乏对先导放电物理机制的解释。等学者研究了放电发展过程中产生的空间电荷对间隙电位分布的影响，建立了从电晕起始到间隙击穿的先导传播物理模型。与 在 研究的基础上，对流注区域的空间电荷分布进行了优化，建立了充分考虑空间电荷影响的稳定先导传播物理模型，该模型为输电线路带电作业长间隙先导放电起始条件判断提供了一种新的方法。基于该方法，笔者根据复合横担杆塔带电作业与传统方式的不同，针对作业过程中人员体表容易形成放电的尖端部位，通过计算各部位稳定上行先导起始所需的背景电场，分析了作业人员以不同姿态与路径进入等电位时各部位产生放电附着的概率分布。该研究有助于复合横担杆塔不停电运维方法的完善，可以为带电作业防护以及后续复杂作业环境的放电附着点分析提供良好的依据。人体始发稳定先导模型 人体稳定上行先导形成条件特高压带电作业中，当作业人员介入到导线附近一定距离时，会在强电场作用下引发先导放电。根据起始位置和发展方向的不同，先导分为由导线产生的下行先导和由人体产生的上行先导，双向发展的先导头部流注区域在空气间隙内部相接建立起贯通的电离通道，会出现明显的放电现象，而人体表面的放电附着点主要取决于稳定上行先导的始发位置。先导发展模型迭代过程中为了提高计算效率，采用一种稳定电场的方法代替动态变化的下行先导作用，此方法假设下行先导起始所需的时间内，间隙的背景电场不会发生显著的变化，从而将问题简化为主要考虑人体表面上行先导起始与发展的背景电场条件。人体表面上行先导发展模型见图。其中，背景电位是人体所在区域的电位分布，可近似用直线()表示为（）（）年第 期特高压复合横担带电作业工况下人体放电附着点计算研究（总第 期）式中，为直线斜率；为直线截距；为人体尖端部位起始的先导沿发展方向延伸的距离。图 先导起始与传播过程模型 该模型忽略了初始电晕起始的复杂过程，认为分析区域背景电场满足初始电晕起始条件，人体尖端部位已有初始电晕产生，电晕区域的背景电位分布可以表示为（）（）式中，为电晕区域电位梯度，通常取值为 。由此，二次电晕区域的头部位置（）和电荷量()可分别表示为（）（）（）（）（）式中，为电压与电荷量的相关常量，通常取值为 （）。当 时，视为不稳定先导起始。假设初始先导长度为 ，向前步进迭代，经过 次迭代后，电势（）可以表示为（）（）（）（）不稳定先导头部位置（）为（）（）（）（）（）先导头部电势（）为（）（）（）（）式中，为先导电位梯度，取值为 ；为先导发展速度与时间常数的乘积，可取值为.。经过 次迭代后，电晕头部电荷量()可由与阴影区面积的乘积表示为（）（）（）（）（）（）（）（）先导发展长度的计算公式可表示为（）（）（）（）（）（）（）式中，（）表示第 个迭代步的先导长度；（）表示先导每次迭代增加的长度；为先导通道的单位电荷量，通常取值为 。根据 先导发展模型分析得出的结论，若迭代过程中先导发展长度（）出现了负增长，则视为未形成稳定先导；当不稳定先导发展距离 达到临界长度 时，视为稳定的先导起始，计算流程见图。临界长度 的取值与人体在组合间隙中的位置有关，将在 节中讨论。图 计算流程图 上行先导起始区域判断为了确定导线附近区域满足先导放电起始条件的空间电场范围，采用了文献提出的先导起始区域的平均电场判据：首先计算导线与人体之间的平均电位梯度，当人体周围的 达到稳定流注起始所需的电位梯度均值 时，即判定该区域内满足稳定先导放电起始条件。计算公式为（）式中，为导线电位；为作业人员电位；为人体与端部等电位的距离。作业人员进入等电位的路径对体表放电具有较大影响。在复合横担杆塔的带电作业过程中，年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）人员除了从上层横担或地面通过“吊篮法”垂直进入等电位之外，还可以沿横担表面路径进入。为了获取沿不同路径的放电起始条件差异，选取文献所述路径作为计算路径，分别为：）沿横担表面路径；）垂直向下路径；）垂直向上路径。图（）为中国电力科学院有限公司提供的一种新型无中间金属连接点的 特高压复合横担样品。本研究以之为例建立三维计算模型，计算域为半径、宽度 的半圆柱形区域，其中复合横担长度为、导线长度为。将导线端（导线及横担端部带电体）施加初始恒定电位 ，塔身与空气域边界设置为接地，见图（）。图 特高压复合横担塔导线 杆塔间隙 人体沿上述 种进入等电位路径的空间电位分布计算结果见图。经计算，沿横担表面和垂直向下两种路径人体距离导线 区域内平均电位梯度分别达到了 和 ，垂直向上进入路径在距离导线 区域内 达到了 。种情况下 均大于，表明在该区域满足稳定先导起始条件。图 作业人员沿不同路径的电位计算结果 放电初始附着点计算分析 人体姿态与计算点选取沿复合横担表面进入等电位时，作业人员通常视情况的不同在确保悬挂高空保护绳和安全带的情况下采取跨坐于横担表面缓慢行进或以保持平衡站立姿态缓慢行走的方式，依照以上两种作业姿态建立了沿复合横担路径的人体计算模型，见图 中工况 和工况；同时以常规路径作为对照，分别建立了从垂直向下和向上进入等电位的人体模型，见图 中工况 和工况。所有工况下的人体模型均按照人机工程学中中国男性身体平均测量数据建立，参数见表。为了减小计算过程中人体模型棱角处电场畸变造成的结果误差，建模时对棱角位置均采用圆角处理。表 人体模型参数 名称参数 身高 肩宽 头围 手臂长 腿长 图 沿复合横担路径进入等电位的两种姿态 年第 期特高压复合横担带电作业工况下人体放电附着点计算研究（总第 期）图 “吊篮法”垂直路径进入等电位 “”在作业人员靠近导线的过程中，人体表面突出部位（手尖、脚尖等）会引起空间电场的强烈畸变，先导放电在这些部位起始概率较大，因此选取人体在电场方向上曲率半径较小的部位作为计算点，分别为头部、左手、右手、左膝、右膝、左脚和右脚，编号为 ，见图。图 人体表面计算点选取示意图 体表放电附着概率分布计算根据前述计算得到的先导起始区域范围，计算作业人员身体表面各计算点的放电附着概率。例如在工况 对应的路径与姿态下，将人体置于距离横担端部带电体 的位置，设定导线端初始电位为 ，每次迭代根据先导能否稳定起始控制导线电位变化，即在第 次迭代中若先导能够稳定起始，则第 迭代时降低导线电位，反之则升高，直到计算出人体表面各计算点稳定上行先导起始所需的最小背景电场，将该电场称为稳定先导转化电场，记为。在迭代过程中，稳定先导临界长度 的取值需要考虑实际作业环境下先导传播距离的影响。从人体表面始发的上行先导在传播过程中其头部的流注区域与导线端始发的下行先导相接或直接接触导线端带电体表面，均可在人体与导线端之间建立起贯通的放电通道，因此上行先导最大传播距离为人体与导线端的距离。为了确保稳定上行先导的形成足以建立起放电通道，本研究选取先导最大传播距离作为稳定先导临界长度。计算工况中，工况、工况 与工况 的 取值为；工况 的 取值为 。对于作业人员各部位的放电起始概率，本研究使用相对数值法来描述：人体表面放电附着概率可以用两个部位稳定先导转化电场的比值来确定，假设稳定先导转化电场 最小的部位发生初始放电附着的概率为 ，其他部位出现放电附着的概率为该部位 与体表最小 的比值。计算结果与分析经计算得到不同工况下人体表面各计算点的稳定先导转化电场 及初始放电附着概率，见表。图 为沿横担路径进入等电位的两种姿态，通过体表放电概率分布可以得到，受到横担相对于导线倾斜角度的影响，作业人员右侧肢体放电附着概率略高于左侧，且放电概率最大的部位均集中于右手，记为 。沿横担路径时，作业人员除了手部之外的其他身体部位也具有较大的放电概率，例如工况 中采取跨坐姿态时，双脚放电概率达到了 左右。通过对比表 中工况 和工况 两种姿态的稳定先导转化电场 可以看出，作业人员采取跨坐姿态体表各部位 相对较小，表明在相同的背景电场下采取该姿态更易于放电附着现象的发生。这是由于在沿横担路径的电场方向上，作业人员采取跨坐姿态整体表现出更小的等效曲率半径，加剧了对背景电场的畸变，因此降低了始发稳定先导所需的背景电场值。图 沿横担路径的两种姿态下的放电附着概率分布 沿垂直路径的作业人员体表 及放电附着概率计算结果见表 中工况 和工况。与沿横担路径的工况 和工况 相比较可以得到，作业人员沿垂直路径时体表各部位 均相对较小，更容易产生上行先导起始。这是由于在沿垂直路径时人体与 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）电场梯度下降方向保持平行，人体头部和脚部作为悬浮电位导体的两端有着更小的曲率半径并且人体在电场方向上具有较大的空间占位，两方面因素共同加剧了空间电场畸变，导致先导放电更易于发生，同时也提升了各部位的放电附着概率差异，见图。从工况 的计算结果可以得到，当作业人员从导线下方沿垂直向上路径进入等电位时头部放电附着概率最大。考虑到人体各部位对放电承受能力不同，当头部出现放电附着时对人体危害最为严重，在作业过程中应避免该情况的发生。表 沿横担表面路径的 及放电附着概率计算结果 计算工况体表计算点（）附着概率 工况（跨坐于横担表面）工况（站立于横担表面）工况（坐姿沿垂直向下路径）工况（坐姿沿垂直向上路径）图 沿垂直路径不同方向的放电附着概率分布 此外，通过垂直两种方向的计算结果对比可以得出，电场方向上各部位之间的电场屏蔽作用对放电附着概率具有一定的影响。见图 中工况 和工况，沿垂直向下路径时，由于脚尖对膝部的电场屏蔽作用，膝部空间位置虽然比手部更接近强电场区域，但放电附着概率小于手部；当沿垂直向上路径时，由于头部和手部共同的电场屏蔽作用，较大程度上降低了膝部和脚部的放电附着概率。因此在进入等电位的过程中，作业人员可以调整姿态或借助防护用具对头部等重要部位形成电场屏蔽，减少极端条件下放电对作业人员较为敏感部位的干扰及危害。结 论）特高压复合横担带电作业过程中，作业人员体表手部、脚尖等曲率半径较小的部位先导起始所需背景电场较小，导致放电初始附着概率较大。）作业人员沿复合横担路径进入等电位时，手部产生放电初始附着的概率最大，同时身体其他各部位也有较大概率出现放电附着，其概率从大到小为手部、脚尖、膝部、头部。）作业人员从复合横担端部导线下方沿垂直向上路径进入等电位时，放电初始附着概率最大的部位为头部，应加强作业间隙距离的校核。参考文献：杨林，谭浩文，王加龙，等 酒杯型复合横担杆塔电场仿真计算及电晕试验 电网技术，（）：，（）：陆兴华，刘建军，张廼龙，等 考虑舞动和微风振动的复合横担疲劳评估 力学季刊，（）：年第 期特高压复合横担带电作业工况下人体放电附着点计算研究（总第 期），（）：袁金，邢照亮，张卓，等 可踩踏复合绝缘横担塔设计及真型试验 绝缘材料，（）：，（）：蔡康毅，方晴，杜新喜，等 高压输电线路复合横担受力性能研究 工业建筑，（）：，（）：石凯，徐文洋，雷冬云，等 特高压直流输电线路带电作业方式 电瓷避雷器，（）：，（）：方雅琪，王力农，李瑞，等 高海拔带电作业间隙操作冲击放电特性及放电电压校正 电工技术学报，（）：，（）：卞蓓蕾，曹京荥，刘鹏 中低压电力电缆金属屏蔽接续状态带电测试技术 电力工程技术，（）：，（）：刘东庭，鲁林军，刘聪汉，等 配电带电作业绝缘遮蔽工具的设计和应用 电网与清洁能源，（）：，（）：雷兴列，彭勇，肖宾，等 交流特高压复合横担对带电作业安全影响 中国电力，（）：，（）：盛金马，李鸿鹏，张丹丹，等 同塔双回钻跨一体线路带电作业人体体表场强分析 高压电器，（）：，（）：徐思恩，杜砚，杨文良，等 罐式电容式电压互感器长期带电考核研究 电力电容器与无功补偿，（）：，（）：孙柯岩，赵小莹，张功磊，等 基于分形理论的飞机雷击初始附着点的数值模拟 物理学报，（）：，（）：顾超超，陈晓宁，黄立洋，等 基于分形理论的直升机雷击附着位置数值分析 电子技术应用，（）：，（）：李瑞芳，陈力生，陈奎，等 基于分形理论的高速铁路高架桥接触网系统雷击空间电场研究 铁道学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期），：，（）：，（）：，：，（）：，（）：张秋实，王力农，方雅琪，等 带电作业组合间隙放电特性仿真分析方法 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