高海拔地区±800_kV耐张塔附近等电位进入方法_周林.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：基金项目：国家电网科技项目（编号：）。（）。：高海拔地区 耐张塔附近等电位进入方法周 林，杨 可，伍凌云，谭明伦，张 翔（国家电网公司西南分部，成都）摘 要：耐张塔是高海拔地区最为复杂的塔型，其附近电场计算较为困难，给基于电场分析的带电作业进入路径的选取带来较高难度。笔者选取耐张塔作为研究对象，首先仿真分析了作业区域内人体体表电场强度，接着以所受平均最大场强最小以及进入路径最短作为双重优化目标，进行基于遗传算法多目标优化，得到进入路径最优解。然后对该路径下的电位转移电流进行仿真计算，基于结果对安全防护提出要求。考虑到目标作业导线离横担距离小于塔身的这一工况，提出了一种变绳长的等电位进入方法，该法具有作业人员平均体表场强最小，安全性更好的优点。最后开展现场实测，验证了上述理论分析的正确性。关键词：体表电场强度；等电位进入方法；变绳长；多目标优化；电位转移电流 ，（，）：，：；引言我国西南地区地处高海拔，风、光、水等自然资源较为丰富，是特高压直流输电的重点建设区域。带电作业是保障特高压直流输电系统安全运行的重要检修方式，其可在保证线路不停电的情况下进 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）行紧急消缺。带电作业分为地电位作业、中间电位作业、等电位作业 种方式，其中等电位作业最为有效直接，但由于直接接触带电导体也最为危险。目前针对离耐张塔较近的绝缘金具消缺工作，主要采用吊篮进入等电位。在采用吊篮进入等电位的过程中将存在空间电场畸变、电位转移电流较大等问题，造成作业人员的不适。而极端情况下高海拔以及直流线路特有的离子流现象将加剧这一问题。高海拔将影响直流输电线路表面的起晕场强，使得带电作业区域内的离子流场、合成电场的分布更为复杂，甚至会加剧电场的畸变程度，使传统的电场计算方法不准确。最后进入路径选取不当将导致绝缘间隙不够，无法满足绝缘配合要求，导致在进入过程中作业人员与带电体间产生脉冲放电。综上所述深入研究高海拔地区特高压直流线路的等电位进入方法极为必要。文献指出人体对交流场强的敏感度强于直流，因此直流带电作业可参照交流的安全防护标准。文献研究了特高压直流输电线路带电作业方法，但并未研究等电位进入路径。文献探讨了等电位点进入方法，却未考虑作业人员体表场强。文献研究了不同进入路径下的最小安全间隙距离，但所选取的路径较少。文献基于作业人员体表场强，研究了等电位进入方式，但计算体表场强的位置选取较少，且尚未开展实际测量。文献提出高海拔地区带电作业时，由于耐张塔结构尺寸区别于普通海拔，电场分布将更为复杂，但并未计算等电位进入路径。综上所述，现阶段特高压直流带电作业进入路径的研究多采用数值仿真的方法，但求解域较小，可能存在的进入路径尚未穷尽，且并没有考虑路径的多目标优化问题，得出的并非最优解，同时高海拔地区的 带电作业缺乏现场实测进行验证。针对于目标作业导线离横担距离小于塔身的这一工况，依旧采用传统的固定绳长的“钟摆式”进入法，该方法造成作业人员体表场强变化较大。高海拔、合成场等因素更加造成了传统方法的不确定性。基于上述研究现状，选取高海拔地区 特高压直流线路中目标作业导线离耐张塔横担距离小于塔身的这一特殊工况，首先进行仿真建模，利用有限元仿真，计算了作业区域内所有可能路径上的作业人员体表场强大小，并以所受平均最大场强最小以及进入路径最短作为双重优化目标，基于遗传算法进行多目标优化，得到进入路径最优解。考虑到采用固定绳长的传统方法会造成作业人员体表场强畸变大，操作风险性高，提出一种新型的变绳长进入方法，牵引绳采用长度可伸缩装置，该法可保证作业人员沿最优进入路径进入。接着对该路径下的电位转移电流进行了仿真计算，提出了相关安全防护要求，最后进行了现场实测，验证了上述理论分析结果的正确性。等电位进入理论分析及仿真建模 前提假设由于直流线路存在特有的离子流现象，将使得空间合成电场的分析更为复杂，同时由于人体为三维不规则物体，将会进一步加剧电场的畸变程度，因此现阶段纯解析法难以分析计算出精确的电场值，必须借助有限元分析软件，进行数值计算。然而现阶段的三维有限元数值计算方法难以结合离子流和复杂不规则物体同时进行计算，因此在进入路径分析部分将忽略离子流对合成电场的影响。由于本研究分析的重点是进入路径的优化，忽略离子流影响造成的每个位置电场计算精确度的下降将不会改变整体的路径变化趋势，因此可以进行简化分析。在后文中将单独分析海拔高度对场域中的离子流及合成场的影响。由于耐张塔及输电导线结构较为复杂，若不加以简化将会极大程度降低有限元求解速度，甚至造成无法收敛。因此笔者首先选取耐张塔周围 倍自身尺寸面积的场域作为有限元求解边界，并设置为零电位，同时忽略耐张塔自身内阻，并接地设为零电位。由于仅针对带电作业的可能区域进行电场计算，倍耐张塔尺寸的边界足够大，不会给计算带来较大误差。将带电作业人员连同屏蔽服的整体表面视为等势体，从手到脚电阻低于 。有限元分析将基于上述假设进行。有限元仿真建模选取某高海拔地区 直流线路耐张塔为研究对象。线路为六分裂导线，分裂间距为 ，子导体直径为 ，并在水平方向上均匀分布。本研究以作业人员吊篮进入法的典型坐姿进行建模，塔型及作业人员参数见表。有限元仿真模型见图。年第 期高海拔地区 耐张塔附近等电位进入方法（总第 期）表 耐张塔及作业人员参数 耐张塔尺寸参数 塔型呼称高杆塔全高海拔高度档距水平档距垂直档距耐张塔 作业人员尺寸参数 身高头部尺寸上身尺寸下身尺寸采用球形，直径 高宽厚高宽厚图 有限元仿真模型 等电位进入路径分析吊篮法适用于带电作业人员进入特高压直流输电线路耐张塔附近的等电位进行消缺工作。为了使路径优化研究更加严格，针对吊篮法进入等电位的特点，本研究将从理论上分析得到场域内所有可能的进入路径。进入过程见图，作业人员乘坐吊篮，通过两根绝缘绳索的牵引，牵引绳一端固定在导线正上方的横担上，牵引绳由地面人员控制，共同调节带电作业人员由横担（或塔身）进入导线附近。路径范围见图。传统的吊篮进入法均采取的是牵引绳长度固定的“钟摆”式进入法，如图 中的半圆所示，即首先测取目标作业导线距离横担的垂直距离，以此作为圆弧的半径，以导线在横担上的垂直投影作为圆心画圆弧，圆弧与横担或者塔身的交点即为吊篮进入的起点。然而传统“钟摆”进入法存在如下弊端：）进入路径固定，灵活性较小；）若目标作业导线距离塔身距离大于与横担的垂直距离，将导致需要从横担处进入，由于横担位于导线上方，进入时将有较大重力势能作用，给下方控制牵引绳稳定的操作人员带来较高的操作难度；同时目标作业导线上方的电场畸变更为严重（下文将通过仿真及实验进行验证），增大了作业人员的操作风险。综上，笔者提出一种变绳长的吊篮进入方法，在牵引绳长度可变的情况下，其进入角度为 到连续分布，进入路径为图 粗实线矩形所示，可见进入路径更为灵活，路径范围更广，通过可变长度的牵引绳与地面辅助作业人员控制牵引绳，协调操作，保证作业人员沿直线进入等电位点。下文将在该法的基础上，求解最优进入路径。图 吊篮法进入等电位的示意图 图 可能的进入路径范围 选取求解域选取目标作业导线离横担距离小于塔身的这一特殊工况进行求解。为充分反映作业人员进入等电位过程中，体表电场强度的变化过程，需要在可能的运动范围内，选取足够的位置点进行人体表面电场计算。根据测量，作业人员大小在 以内。因此，将计算点间距设定为 ，并且将可能的移动范围平均分为图 中的 个点。然后分别对这些位置进行建模和计算。将工作区域内带电人员的坐标定义为（，），将侵入角定义为，带电人员的移动轨迹范围应满足公式（）的约束条件：|（）图 在操作范围内选择求解域 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）绝缘间隙及放电风险的考虑为保证带电作业时作业人员的人身安全，避免产生组合间隙放电的现象，在选取等电位进入路径时应该考虑安全距离。根据行业标准，在海拔高度 至 ，作业人员通过绝缘工具进入高电位时，作业人员与带电体和接地体间的最小组合间隙应为 （包括了人体的占位间隙）。而笔者选取的作业工况的组合间隙为 ，满足最小组合间隙要求，因此在所有可能的进入路径中，均不存在放电风险。海拔高度对合成场的影响在输电线路表面电场强度达到某一临界值时会产生电晕放电现象，而这一临界值通常称为电晕临界电场强度，即电晕起始场强，起晕场强的变化将直接影响输电线路下方离子流场的分布。直流输电线路起晕场强计算公式如下：（）（）式中，为常数，表示导线表面的粗糙程度，通常取；为导线的等效半径；为相对空气密度，由大气压和导线温度决定，其计算公式为 （）式中，为运行时输电线路及其附近空气的实际温度；为大气压强，同海拔高度的关系如下：（）（）其中，为标准大气压 ，整理上述 式可得起晕场强和海拔高度的关系式为 （）（）（）由公式可知，当温度保持不变的情况下，随着海拔高度越高，导线起晕场强越低，导线临近区域的电荷密度越高，离子流场、合成场强越高。此外，由于高海拔地区大气压强较低，空气较为稀薄，电子自由行程较大，在同样电场力的加速下，将积累更大的动能，从而使放电更易发生，一旦发生也更强烈。因此在进行高海拔地区特高压直流输电带电作业研究时，有必要将离子流场纳入考虑范围。基于遗传算法的带电作业等电位进入路径多目标优化 基于遗传算法的多目标优化分析在进入过程中，选择了两个变量：一个是作业人员进入路径的总距离，其中 由不同的进入路径 确定；另一个是不同路径中每个位置的场强，其中 由路径 和路径中的不同位置 决定。在本研究中，定义双重优化目标：一个是作业人员在不同路径中所受的最大场强 最小；另一个是作业人员进入等电位点所需的距离 最短。由于存在双重优化目标，因此将分别对两个优化目标采用一定的权重 和，总体优化目标为。优化目标函数与优化变量之间的关系为 （）|（）考虑到等电位点的进入总路程 影响的是作业人员的体能消耗，而作业人员在不同路径中所受的最大场强 直接影响作业人员的人身安全，为简化分析，取 的权值 等于 的权值。取整体优化目标 最小为最优。在选取带电作业进入路径的过程中，作业人员所受的最大场强不应超过人体穿上屏蔽服后所能承受的极限值，同时进入路径的总路程不能超过采用吊篮作业法所能覆盖区域的极限距离，因此优化变量 与 均应满足式（）的约束条件。（）采用遗传优化算法的具体优化过程见图。图 遗传优化算法过程 年第 期高海拔地区 耐张塔附近等电位进入方法（总第 期）作业人员表面电场强度变化仿真计算在作业场域内，以导线中心为原点，以横担方向为 轴，耐张塔方向为 轴。则在等电位进入过程中，作业人员的位置对应为（，）。随位置和路径的变化，人体表面最大电场强度仿真结果见图。图 体表上最大电场强度随位置和路径的变化 由图 可知，三维曲面的峰值出现在坐标原点附近，并且当沿着不同路径接近原点时，人体表面电场强度显上升趋势。这一变化趋势表明，当作业人员从地电位进入等电位的过程中，人体表面电场强度不断增加，并且作业人员越靠近导线，体表电场强度增加的幅度越大，同时由于塔身对电场畸变的影响，场强分布并不是以导线为轴心镜面对称，靠近塔身侧的场强要略大于远离塔身侧。最优进入路径分析人体表面最大电场强度等值线分布见图。从图中可以看出，电场强度在导线周围分布不均匀，峰值出现在 和 路径上，超过 ，在和 路径上，最大电场强度相对较小，小于 ，前者是后者的 倍。这是因为当作业人员垂直进入电场时，人体模型类似于“杆状电极”。特别是在沿着倾斜方向的等电位进入过程中，尖端的曲率半径甚至更低。这与不均匀电场气隙中最大电场强度的分布规律相对应。同时，电场强度在横担方向上并非完全镜像对称，这是由于塔的畸变效应对塔内侧的电场分布的影响。图 等场强度线的分布 由上述分析可知，在固定牵引绳的情况下，作业人员进入路径进入角近似为，作业人员表面电场强度较大，而在牵引绳长度可变的情况下，作业人员进入路径更为灵活，进入角可选择，即从塔身水平进入，作业人员表面相对电场强度最小，见图。图 固定绳长与可变绳长进入方式的比较 将选取的 个典型作业位