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ｄｏｉ:１０３９６９/ｊｉｓｓｎ１００８￣０１９８２０１４０６００５１１０ｋＶ及以上变电设备带电作业电场分布计算与仿真朱翔宇１ꎬ李人晟２ꎬ刘功能３ꎬ李百档３(１.国网湖南省电力公司ꎬ湖南长沙４１０００７ꎻ２.国网湖南省电力公司长沙供电分公司ꎬ湖南长沙４１０００５ꎻ３.国网湖南省电力公司检修公司ꎬ湖南长沙４１０００４)摘 要:通过对不同电压等级、不同设备等电位带电作业时电场分布的计算ꎬ得出人体与周围设备的电场分布图ꎮ给出不同工况下人体周围的最大场强和最大畸变率ꎬ以及人体进入高电位过程中的人体电位分布ꎬ指出带电作业人员作出典型动作时ꎬ人体突出部位电场强度较大、易发生畸变ꎮ关键词:变电设备ꎻ带电作业ꎻ电场分布ꎻ场强畸变中图分类号:ＴＫ２６４１１ 文献标志码:Ｂ 文章编号:１００８￣０１９８(２０１４)０６￣００１７￣０５收稿日期:２０１４￣０９￣１１Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｏｔ￣ｌｉｎｅｗｏｒｋｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒ１１０ｋＶａｎｄａｂｏｖｅｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔＺＨＵＸｉａｎｇ￣ｙｕ１ꎬＬＩＲｅｎ￣ｓｈｅｎｇ２ꎬＬＩＵＧｏｎｇ￣ｎｅｎｇ３ꎬＬＩＢａｉ￣ｄａｎｇ３(１.ＳｔａｔｅＧｒｉｄＨｕｎａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎꎬＣｈａｎｇｓｈａ４１０００７ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｔａｔｅＧｒｉｄＨｕｎａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＣｈａｎｇｓｈａＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙꎬＣｈａｎｇｓｈａ４１０００４ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｔａｔｅＧｒｉｄＨｕｎａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅＣｏｍｐａｎｙꎬＣｈａｎｇｓｈａ４１０００４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙａｎｄｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｑｕｉｐｏｔｅｎｔｉａｌｈｏｔ￣ｌｉｎｅｗｏｒｋｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｔａｇｅｇｒａｄｅｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ.Ｔｈｅｍａｐｇｉｖｅｓｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｆｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｒａｔｅｆｏｒｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙａｒｏｕｎｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙｐｏｔｅｎｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｈｅｎｅｎｔｅｒｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｐｏｔｅｎｔｉａｌａｒｅａ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｏｆｈｕｍａｎｂｏｄｙｐｒｏｍｉｎｅｎｔｐａｒｔｓｉｓｇｒｅａｔｅｒａｎｄｐｒｏｎｅｔｏｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｗｈｅｎｔｈｅｈｏｔ￣ｌｉｎｅｗｏｒｋｅｒｔａｋｅｓｔｙｐｉｃａｌａｃｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎻｈｏｔ￣ｌｉｎｅｗｏｒｋꎻｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎻｆｉｅｌｄｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ 变电站电气设备布置紧凑ꎬ净空距离小ꎬ在电气设备出现缺陷的情况下ꎬ带电作业过程中安全距离和组合间隙安全性方面要求比较严格ꎬ并且变电站中的一些设备如断路器、隔离开关和电流互感器等带电检修作业过程中一般会面对大电流接入与开断操作ꎬ另外这些电器设备还与变电站保护系统有关ꎬ所以在变电站内变电设备带电作业对作业工具和作业技术有着更高的要求ꎮ１ 变电设备带电作业电场分布计算与仿真 变电站带电作业与线路带电作业的区别在于变电设备绝缘的要求和占地的限制ꎬ变电设备相对地距离和相间距离都设计得比同电压等级的线路要紧凑的多ꎬ带电作业时各变电设备对空间电场的影响较大ꎬ所以建模时考虑将不同设备按照变电站的常规布置进行组合ꎬ在１个或多个间隔中进行仿真计算ꎮ７１ 第３４卷第６期湖 南 电 力ＨＵＮＡＮＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲ ２０１４年１２月１１ 仿真模型建立如图１所示ꎬ人体身高１８０ｍꎬ左手臂向前伸直模拟带电作业时人体手部突出部位ꎬ右手臂弯曲以模拟带电作业时肘部突出部位ꎮ图１ 人体模型１２ ５００ｋＶ电压等级设备带电作业电场分布计算与仿真 如图２所示ꎬ建立母线、引下线ꎬ进出线时ꎬ用直线母线代替有小弧垂的母线ꎮ对于断路器、互感器和避雷器等变电设备ꎬ不同介质面与面接触时剖分效果较差ꎬ所以采用留有一段距离并在应接触面施加相同高电位的方法模拟导线连接情况ꎮ图２ ５００ｋＶ等电位作业模拟图人体处于Ａ相母线正下方ꎬ距离Ａ相互感器水平距离３２ｍꎬ由于人体在作业时会穿着全金属屏蔽服ꎬ把人体相对介电常数设置为与金属一样ꎬ并进行自耦合处理ꎬ电场中人体设置为浮动电位体从竖直方向接近母线进入高电位ꎬ过程如图２中箭头方向所示ꎮ母线距离地面高度１６ｍꎬ长度为１０ｍꎬ考虑Ａ相电压最大时的情况ꎬ故ＡꎬＢꎬＣ三相电压分别为:Ｕａ＝５００×２/３＝４０８２(ｋＶ)绝缘柱底座、ＧＩＳ断路器接地部分等加载零电位ꎬ母线、引下线、进出线等按照相序加载电压ꎬ并在与带电设备连接处施加于对应导线相同的高电位ꎬ所有实体被２个空气立方体包围ꎬ地面和外包空气边界加载零电位ꎮ按照人体进入高电位的方式ꎬ计算时改变人体在竖直方向上的位置ꎬ分别计算人体距离母线６ｍꎬ４４ｍꎬ２８ｍ的情况ꎮ电场分布如图３所示ꎬ计算结果见表１ꎮ图３ 人体距离母线电场分布图表１ 人体和母线周围最大场强到母线距离/ｍ母线附近最大场强/ｋＶｍ－１头部附近最大场强/ｋＶｍ－１人体电位/ｋＶ６０３１２１７５５１０９５４４３１２５７７３１４３４２８３１２９１２２７１８３７１３ ２２０ｋＶ电压等级设备带电作业电场分布计算与仿真 ２２０ｋＶ模型选取的是２２０ｋＶ变压器出线端Ｂ相电压互感器进行等电位带电作业时人体与周围设施的电场分布情况ꎮ使人体距离地面４３ｍꎬ在水平方向上从距离２ｍ开始向电压互感器靠近ꎬ人体的前处理方式与５００ｋＶ计算时相同ꎬ相对介电常数设定跟金属一致ꎬ并且进行自耦合ꎬ水平移动过程中当作浮动等电位体处理ꎬ移动过程如图４所示ꎮ图４ ２２０ｋＶ等电位作业模拟图加载条件考虑Ｂ相相电压最大的情况ꎬ故Ａꎬ８１第３４卷第６期湖 南 电 力２０１４年１２月ＢꎬＣ三相电压分别为:Ｕａ＝１１０×２/３＝８９(ｋＶ)Ｕｂ＝２２０×２/３＝１７９６(ｋＶ)金属底座等接地部分加载零电位ꎬ引下线、进出线、连接线等按照相序加载电压ꎬ并在与带电设备连接处施加与对应导线相同的高电位以减小误差ꎬ所有实体被２个空气立方体包围ꎬ地面和外包空气边界加载零电位ꎮ人体每移动０５ｍ计算一次ꎬ故共考虑伸出手臂前端距离电压互感器２０ｍꎬ１５ｍꎬ１０ｍꎬ０５ｍ和空白对照组５种情况ꎮ不同于５００ｋＶ母线作业在竖直方向上进入高电位ꎬ２２０ｋＶ绝缘柱带电作业模型模拟的是水平靠近带电设备的过程ꎬ通过电场分布图５的初步分图５ 人体距离互感器电场分布图析得到ꎬ人体头部、弯曲手臂和伸长的手臂３个人体部位畸变场强较大ꎻ而其他如腹部、肩部边沿等尖端部位是人体模型在简化过程中有尖角等曲率半径较小的地方ꎬ导致这些部位电荷密度较大ꎮ故在以上３个部位与带电设备之间各取１条直线路径ꎬ在每条路径上每００５ｍ取１点ꎬ在ＡＮＳＹＳ中取出每一点的电场值数据ꎬ并在不放入人体的空白对照组模型中进行相同的操作用于对比分析ꎮ路径示意图如图６所示ꎬ图中分别将伸长手臂、弯曲手臂、头部这３条路径记为路径１、路径２、路径３ꎮ图６ 作业人员路径图３条直线路径结果随着人体的靠近结果对比见表２ꎮ表２ 路径对比结果到绝缘柱距离/ｍ带电设备附近最大场强/ｋＶｍ－１路径１路径２路径３手臂附近最大场强/ｋＶｍ－１路径１路径２路径３最大畸变率/％路径１路径２路径３１５８７９９１６９４８９１７０９１９５１５２３１０４９５７１０８８１６１６９６８９７１２３１３３５１６１２６７４２３８０５８９２９１７２６８９９２５５４６５５３１２２０８２９２９ 由表２可知ꎬ随着人体向带电设备靠近ꎬ身体各部位场强都在增大ꎬ而对应的带电设备周围场强也有所增大ꎮ其中由于伸长手臂前端为距离带电设备最近的部位ꎬ最大场强为３条路径所对应３个部位最大ꎬ畸变率也同为３个部位最大ꎬ对应的带电设备周围场强增大的也最明显ꎮ弯曲手部肘部由于在建模时用曲线弧代替ꎬ曲率半径较手臂其他地方要大ꎬ聚集电荷少ꎬ故下方场强较空白对照组小ꎮ由于距离带电设备越近ꎬ周围空气中电场强度原本较大ꎬ故虽然人体各部位距离带电设备越近ꎬ最大场强越大ꎬ畸变率(场强变化率)反而越小ꎮ１４ １１０ｋＶ电压等级设备带电作业电场分布计算与仿真 模型选取１１０ｋＶ变电站某一间隔ꎬ研究相间带电作业ꎬ人体与周围设施电场分布计算与分析(如图７所示)ꎮ１)人体处于ＡꎬＢ相相间距中间(人体模型坐标原点处于相间中点ꎬ距离１ｍ)ꎬ距离地面３２ｍꎬ距离Ｂ相断路器最近距离为０３５ｍ(伸长的手臂)ꎮ２)人体在情况１的基础上向Ｂ相断路器靠近０１ｍ(即人体模型坐标原点距离Ｂ相断路器９１第３４卷第６期朱翔宇等:１１０ｋＶ及以上变电设备带电作业电场分布计算与仿真２０１４年１２月０９ｍ)ꎬ距离地面距离为３７ｍꎬ人体离断路器上方均压环最近距离为１０ｃｍꎮ图７ ２２０ｋＶ等电位作业模拟图加载条件考虑Ｂ相相电压最大的情况ꎬ故ＡꎬＢꎬＣ三相加载电压分别为:Ｕａ＝５５×２/３＝４４９(ｋＶ)金属底座等接地部分加载零电位ꎬ引下线、进出线、连接线等按照相序加载电压ꎬ并在与带电设备连接处施加于对应导线相同的高电位以减小误差ꎬ所有实体被２个空气立方体包围ꎬ地面和外包空气边界加载零电位ꎮ人体相对介电常数设定跟金属一致ꎬ并且进行自耦合ꎬ当作浮动等电位体处理ꎮ在进行计算结果的后处理时作伸出长手臂(以下简称长手)、人体中间、弯曲手臂(简称弯手)３个切面云图来体现人体周围电位分布情况(如图８所示)ꎮ图８ 断路器带电作业电场分布图在上一小节中ꎬ通过云图的初步分析知ꎬ人体头部、弯曲手臂、伸长手臂和人体背部到脚跟处ꎬ４个人体部位畸变场强较大ꎻ分别将伸长手臂、弯曲手臂、头部和背部这４条路径记为路径１、路径２、路径３、路径４(如图９所示)ꎬ结果对比见表３ꎮ图９ 带电作业人员路径图表３ 人体处于相间ꎬ与地面距离结果对比路径人体最大场强/ｋＶｍ－１距地面３２ｍ 距地面３７ｍ人体最大场强/ｋＶｍ－１距地面３２ｍ 距地面３７ｍ人体最大场强/ｋＶｍ－１距地面３２ｍ 距地面３７ｍ１２９８７８８４７４３１３２０６５９３１７６２１７９９２１４０４９１５２８２６６３０５３９７０８０５９０１４５４８７７４４６９１４０６１６６５０１１８１１８１２ 结论文中进行了５００ｋＶ变电站母线、２２０ｋＶ变电站电压互感器、１１０ｋＶ变电站断路器相间带电作业时人体与周围设施电场仿真计算ꎬ得到了不同电压等级下ꎬ对不同变电设备作业时ꎬ人体与周围设施的电场分布ꎮ给出了不同工况下人体周围的最大场强和最大畸变率ꎬ以及人体进入高电位过程中的人体电位ꎮ找到了带电作业时人体作出典型动作时ꎬ电场强度较大、易发生畸变的部位ꎮ１)在人体靠近带电设备的过程中ꎬ人体电位不断升高ꎬ直到与带电设备接触与其电位相等ꎬ头部作为进入高电位方向上的人体突出部位ꎬ周围电场强度较大ꎮ２)人体的介入使空间电场发生畸变ꎬ不仅会使人体某些部位周围的场强变大(如２条手臂ꎬ脚后跟以及背部)ꎬ也会因为某些部位曲率半径大(如头部ꎬ弯曲的肘部)ꎬ电荷密度较小ꎬ使部分空间场强变小ꎮ３)在沿人体到带电设备移动方向上的人体突出部位周围场强较高ꎬ畸变率较大ꎬ距离带电设备越近的部