低压配网不停电作业电弧伤害及防护技术研究_邵九.pdf

/低压配网不停电作业电弧伤害及防护技术研究邵九陈曦张召亮黄俊杰张志锋（.国网江苏省电力有限公司技能培训中心.武汉科迪奥电力科技有限公司）摘要：低压配电线路因受到目前供电可靠性未覆盖至低压配网和电弧安全防护措施欠缺因素影响，尚未广泛开展，特别是低压作业人员电弧安全防护意识和措施不足问题，不仅导致低压不停电作业安全风险较大，也限制了多种低压作业项目开展。本文分析低压配网不停电作业过程中人员和设备存在的电弧安全风险；计算分析低压不停电作业各工况下的典型电弧参数，搭建低压不停电作业电弧试验平台，对试验获取的电弧特性数据进行综合分析，提出不停电作业人员及设备应对电伤害、热伤害和弧光伤害安全防护技术，以期能有益于低压配电网不停电作业工作的安全开展。关键词：低压配网；不停电作业；安全防护 引言不停电作业是以实现用户不停电为目的，对配网设备进行检修的作业，是减少停电时间、提高供电可靠性和服务水平的重要手段。低压（.，下同）配网不停电作业在我国还未广泛开展。一方面，由于我国目前对供电可靠性的要求还未覆盖低压配网，大部分的计划检修和抢修仍采用停电作业方式；另一方面，由于配网容易产生故障电弧，但国内相关的研究较少，对作业人员电弧防护措施、安全防护用具及标准化作业方面还缺乏技术支撑。随着国家电网公司“大检修”体系建设的逐步推进，低压配网线路的检修逐渐向着以实现用户不停电为目的的综合不停电检修方向发展。本文将对低压配网不停电作业电弧伤害进行试验研究，并对试验所得结果和数据进行综合分析，提出电弧伤害安全防护技术，促进低压配网不停电作业的安全推广应用。低压不停电作业电弧危害分析.电弧对人体及设备的危害相间或相地短路产生电弧释放巨大的能量，进而对附近的工作人员造成严重的伤害。例如触电伤害会侵害人的肌肉、神经；电弧燃烧产生的热辐射会使人的皮肤严重烧伤，强烈的闪光会刺伤眼睛造成暂时性失明，爆破性的声音会造成人的耳膜、内脏震损，电弧燃烧所产生的有毒气体会伤害人的呼吸系统等。电弧的产生是空气中高阻抗电流放电的过程，通常伴随着巨大的光能和热能释放。在一条短时耐受电流为 、电弧电压约为 的 电力系统中，故障电弧释放的能量为 .。这一能量能在 内使 .水蒸发掉，或使 的铁熔化。高温对空气加热而膨胀，而铜排气化时，体积膨胀可达 倍，从而使低压柜内压力急骤上升，所产生的爆破压造成开关柜盘体变形甚至破碎。此外，电弧燃烧产生的爆破音也会造成机柜内部强烈震动致使固定元件松脱。电弧光加热空气产生的巨大压力可以折断配电板上 直径的螺栓。电弧火灾在没有灭弧保护的情况下，通常可以直接熔毁开关柜或一整套机组，使其无法修复。电弧故障还可能波及站用系统，从而形成系统性故障，造成巨大的直接和间接经济损失。.低压不停电作业电弧种类分析按照电弧发生的方式进行分类，包括串联型电弧、并联型电弧和接地型电弧，如图 所示。串联型电弧主要由线路绝缘破损、导线或接触部位连接松动，产生的电弧与线路负载串联，由于线路中阻抗的存在，此类电弧的电流幅值一般小于正常工作的电流幅值，能量较小。并联型电弧主要由相间绝缘破损、导电体引发短路形成，主要发生在两相、三相之间，这类电弧由短路电流引发，能量较大，危害严重。电气技术与经济 技术与应用/图 三种不同电弧原理图接地型电弧主要由于火线与零线（或接地体）并联引起，当图钉刺穿电线绝缘层或金属板切断其下面的电缆时就容易导致接地电弧。接地型电弧与并联型电弧类似，均由短路电流引发，能量较大。低压不停电作业电弧特性试验研究研究低压不停电作业电弧特性时，应从最严重的情况考虑，选取三相短路这种并联型电弧进行研究，此时电弧的能量是最大的。试验方法参考 -：带电作业 电弧防护服 部分：测试方法 方法 ：服装用耐燃材料电弧等级的确定（或 ），通过模拟低压 .不停电作业典型工况电弧，利用热量计、光强计、声级计等测量、记录、计算低压不停电作业电弧产生的热量、光强（照度）、声压。.搭建电弧试验平台低压不停电作业电弧试验平台主要由以下部分组成：电源母线、电弧控制装置、数据采集装置、电弧电极、物理量传感器等。按照三相短路来制作电源母线，同时，制作金属封闭框架（）将三相电极包裹，来模拟封闭环境工况，如图 所示。图 低压不停电作业电弧试验用电源母线使用负载试验阻抗装置来改变回路中的试验阻抗，从而调节三相短路电流，进而改变电弧电流。三 相 短 路 电 流 根 据 典 型 变 压 器 容 量（）计算选取，分别为 、。考虑到丰富试验数据，并且在长电弧间距条件下保证电弧持续，因此实际试验中三相短路电流选取在 。根据 .低压成套开关设备和控制设备 第 部分：总则中所列电气间隙要求来确定电弧电极的间隙。从试验数据完整性、电弧自持能力和试验开展安全、高效角度，确定电弧电极的极间距离为 、。.传感器布置为保证测量准确性，降低电弧等离子体热量辐射随机性影响，每次电弧放电产生的热量，同时使用一组 个铜热量传感器进行测量。如图 所示，这 个铜热量传感器采用由上至下 的排列型式布置，位于同一个平面上，该平面距离电弧为一个可变变量。为了研究电弧热量辐射随距离的变化规律，在系列试验中，将铜热量计平面距离电弧的距离分别调节为 、。由于测量弧光强度、噪声等数据也是在弧闪发生时，与电弧辐射热量一同测量的，因此，其他传感器也与热量传感器布置在同一平面上，专门制作了放置光强、噪声和声音传感器支电气技术与经济 技术与应用 /架，如图 所示。测量电弧形态的高速摄像机需要放在专用三脚架上，距离电弧较远距离通过调焦进行拍摄。图 热量传感器布置.电弧试验按照封闭条件和开放条件这两种工况开展低压不停电作业电弧试验（见图 和图 ），系统断口电压 ，大部分电弧持续时间 个周波（.），用录波仪器及其配套软件记录电弧电流、弧道压降波形并图 其他传感器布置三相积分运算获得电弧功率；使用一组 个铜热量传感器采集热量数据，记录温度变化波形，现场计算温度升高的平均值和单个热量计温升最大值；使用噪声仪、压力传感器、光强传感器采集相应物理量，并进行峰值记录；使用高速摄像仪记录电弧形态。试验中的变量参数主要包括：电极间距 （模拟相间距离）；三相短路电流 （模拟触发电弧的短路点三相短路电流）；热量计距离电弧中心距离 （模拟人体、防护装备等与电弧间距离）。图 开放式电弧真型试验图 封闭式电弧真型试验电气技术与经济 技术与应用/由试验可知，低压系统三相短路电弧将产生较大的能量，足以将设备烧毁，其伴随的热辐射、冲击波、强光和噪声均会对人员造成严重危害。.电弧特性分析提取试验数据，基于电弧功率、电弧入射能量、试验环境、电极间距、短路电流、测量距离等变量研究电弧热特性，通过试验数据的曲线拟合，提出电弧入射能量计算公式。开放环境下电弧入射能量：.封闭环境下电弧入射能量：.式中，为距离电弧距离，；为三相短路电流，；为电弧入射能量，。由于电弧能量与电弧持续时间成正比，因此引入电弧持续时间 ，获得低压 .系统三相短路触发电弧入射能量计算公式如下。开放环境下电弧入射能量：.封闭环境下电弧入射能量：.使用声级计和光强测量仪对声音与强光进行测试。在测试中，声级计与光强测量仪均距离电弧中心 。在试验中为模拟人眼注视电弧，选取积分球测量孔面积为 （接近人眼瞳孔在暗环境下的打开面积）来计算照度。对测试结果进行分析：）受到声级计采样频率和最大量程的限制，测量的声压级还不是电弧弧爆的最强峰值，但即便如此，可以看到每次测量的声压级均在 以上，因此会对人体听力造成影响。）电弧照度随着功率增大而提升，且照度不随开放或封闭试验条件而变化。分析试验结果可知，模拟人眼瞳孔接收弧光的照度在 。在 白炽灯下 远处的照度约为 ，距离电弧 远处的作业人员眼睛相当于直视 盏同时发光的 白炽灯。因此，电弧强光会对人员眼部造成刺激，但尚不构成暂时性失明。不同功率电弧照度计算曲线如图 所示。图 不同功率电弧照度计算曲线.电弧伤害安全防护措施分析（）电弧热伤害防护电弧热伤害会伴随作业场合、短路容量、电弧持续时间、电弧间距等因素发生变化，根据前述试验获得电弧入射能量计算公式如下。开放环境下电弧入射能量：.封闭环境下电弧入射能量：.配网线路保护一般动作时间 .，根据公式计算 .系统三相短路电弧发生时，距离电弧 处人体 体 表 所 吸 收 的 电 弧 入 射 能 量 如 图 所示。电气技术与经济 技术与应用 /图 低压作业人员体表吸收电弧入射能量由图 可知，当三相短路电流为 （三相短路容量约 ）时，距离外作业人员体表吸 收 电 弧 入 射 能 量 为 .（开 放）和.（封闭），均超 过 人 体 二 级 烧 伤 标 准（.），需要穿戴个人电弧防护用品。（）电弧光强与声音、压力防护电弧光对作业人员眼部照度为 ，相当于 盏同时发光的 白炽灯在短时间内照射人眼，同时考虑人体的面部也需要进行电弧防护，因此需要佩戴专用的防电弧面屏（头罩），同时对强光和电弧热量进行防护。电弧产生后会有巨大的声音伴随压力产生，声压级均超过 ，极值将达到 ，因此需要在关键操作（如开关倒闸、相间遮蔽）前佩戴耳塞，并尽量使用绝缘杆进行作业，避免声音、压力对人体造成损伤。结束语本文通过对低压配网不停电作业电弧特性进行模拟试验，明确低压系统三相短路电弧将产生较大的能量，足以将设备烧毁，其伴随的热辐射、冲击波、强光和噪声均会对人员造成严重危害；通过提取试验数据，对电弧特性进行分析，得出了低压配网不停电作业应对电弧的安全防护措施，对低压配网不停电作业的安全推广具有一定的促进作用。参考文献 许翠珊，杨航，冯泽华，等.配电网不停电作业技术发展与应用 电气时代，（）李俊林，张晏玉，刘晓，等.低压不停电作业方案及其优化策略 山东电力技术，（）朱华，殷德山.电弧伤害的防护 现代职业安全，（）诸然，李晓光.电弧危险分析研究 电气应用，（）（收稿日期：2 0 2 2-1 1-1 0）电气技术与经济 技术与应用