浅谈输电线路下城轨穿越工作现场感应电压影响

浅谈输电线路下城轨穿越工作现场感应电压影响

唐淑歆谢军标肖准

（广东电网有限责任公司东莞供电局广东省东莞市523050）

摘要：本文通过使用Matlab软件对高压输电线路下方导体附近的电场进行仿真计算。通过建立220kV的输电线路等效成模拟线电荷模型，计算线路下方电压和电场强度的大小；然后建立人体和导体模型，分析带电的人体和导体之间的电场作用，利用暂态电击的放电量来评估电场对人体的危害程度，仿真分析了输电线路的电压等级、导体的高度、位置等变量对人体暂态电击的影响，最后设计出测量警示系统，并对其进行校正和高压现场试验。

1.前言

随着我国经济的快速发展，社会对电力的需求越来越高。为了减小输电电流，降低损耗，提高电网的安全性可靠性，电力系统采用超高压和特高压等级的输电电路进行供电。在修建城市轻轨的过程中，城轨线路不可避免要从一些高压电力传输线下穿过，由于一些城轨桥墩及高架桥内的一些钢筋材料未良好接地，高压输电线路会在附近感应出较高的感应电压，当施工人员靠近城轨桥墩及高架桥时，会对人身造成极大的威胁。本文的研究对输电线路的设计以及保障线路下方施工人员的安全有着一定的指导意义。

2.输电线路下导体计算模型分析

在输电线路附近对地绝缘导体发生静电感应现象，他的影响由冲击电流和人体消耗的能量来表示。研究表明，这些评价指标取决于导体的表面积，导体附近场强，导线对地高度，导线间距等因素。为了便与建模，我们首先假设地面十分平坦，导线近似水平，线路下方没有任何其他物体，分裂导线用等效半径处理，导线弧垂最低点为平均高度，导体电荷均匀分布。

2.1输电线路下方人体电击模型建立

在人体与导体接触之前会伴随有暂态电击产生，由于在输电线路下方的导体和人体（鞋绝缘）均未良好接地，两者之间会有一个感应电压的差值，人靠近导体但尚未完全接触，在输电线路电场达到一定强度时，其间的空气间隙被击穿而发生火花放电，把人体等效成一个圆柱模型，可得三相高压输电线路下人体电击计算模型：

人体等值圆柱的等效电容可用下面的公式计算：

（2.12）

式（2.12）中：

h----------等值圆柱高，也即人体高度

rc----------等值圆柱半径，取16cm

ha----------等值圆柱平均对地距离，可取0.5h；

该值为人体光脚时的等效电容值，一般情况下，施工人员在下方工作时都是穿着绝缘鞋的，这样，人体对地的电容值分为两部分，一部分为人体皮肤的对地电容，另一部分为鞋子的对地电容，两电容并联使得电容比光脚时增大，故人体对地平均电位可用下式计算：

（2.13）

一般人体穿鞋的电容值为100pF~400pF，这里我们取人体电容值为400pF，进而求得人体穿鞋时对地的平均电位^[16]。

2.2人体电击能量计算

通过导体和人体之间的电气关系，可将其模型推断为，其中K为闭合开关，接触时即开关闭合，设C1、U1为导体的对地电容和对地电位，设C2（即）、U2（即）为人体的对地电容和对地电位；I为流过电阻R的冲击电流，其中两个导体的电压U1、U2为变化值，他们以某种指数规律增加或者衰减直到U1=U2，此时电路平衡，两电容之间无电荷移动。

假设在接触瞬间，即t=0时，E1=U1，E2=U2，因为暂态电流通常是非周期性的，其变化可以用指数函数来表示。其中B为电路区域稳定时两导体的电压值，当t=0时，

冲击电流可表示为：

（2..14）

在放电过程结束后，在人体上消耗的能量为：

（2.15）

两个对地绝缘的导体通过人体电阻连接后有电流流过，此时为最大瞬时电流值，之后指数规律衰减，直至区域0，一般认为经过5个时间常数放电结束。一般，我们以放电过程在人体内积蓄的能量来反应人体安全受威胁程度。

通过建立了同塔单回输电线路模型，利用平行平面场的分析原理，将三维场等效成二维场，用模拟电荷法将三条无限长直导线等效为三个直线电荷，用直线电荷分析输电线路下方的场强分布，然后建立导体和人体的模型，建立两者接触时的电路关系，最后用数值计算的方法计算人体暂态电击能量。

3.人体静电感应仿真研究

利用matlab数值计算软件对220kV电压的输电线路进行建模，分析220千伏等级下施工人员触碰导体所受静电感应电击能量对自身的安全造成的影响。

3.1220kV输电线路下电场仿真

220kV同塔单回输电线路的计算参数如下表3-1所示。

表3-1-1220kV同塔单回直线塔

选取输电线路的导线型号为2*LGJ400/40，220kV输电线路2分裂，故由计算可得导线的等效半径为0.4m。取输电线路下方的一个矩形区域进行有限元仿真，整个区域的场强云图如图3-2所示。

图3-1-1220kV输电线路下方场强云图

可见，场强大致在轴x=0附近左右对称，且随着与输电线路距离的减小，场强不断增大，由于导体的静电感应作用，导体附近的电场有一个明显的畸变，大约为2.2kV/m~5.2kV/m。

由于施工人员在输电线路下方施工高度大致为5-10m，故导体高度分别设为为5m、6m、7m、8m、9m和10m进行仿真，其结果如图3-3所示。

图3-1-2不同高度下220kV同塔单回架空输电线路下工频电场分布

输电线路下方的场强随距离输电线路中心距离的增加而降低，在线路正中心位置达到最大值。当导体的高度大于8m时，正对输电线路中心处的场强为5kV/m，已经达到了国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）规定的场强限值，即当施工人员长时间处于距地高度8m以上进行工作，将对人体造成危害。

假设导体和施工人员水平方向处于输电线路正中心，对5-10m垂直高度处的电位值和电击能量值进行仿真得图3-4和3-5。

图3-1-3导体电位对垂直高度变化电位值

图3-1-4人体电击能量随高度变化趋势图

由以上两图可知，人体所处高度处电位值和暂态电击能量随垂直高度的增加而增大，当高度达到8.3m，人体暂态电击能量为0.2mJ，此时人体稍有感觉，当高度达到9.5m时，人体暂态电击能量为0.5mJ，此时人手指有较强的针刺感。由此可得到结论：施工人员所处高度不能长期处于8.3m，且不能处于9.5m以上。

3.2导线间距对下方电场分布的影响

以220kV同塔单回输电线路为例，在以上参数的基础上，讨论不同导线间距对下，输电线路下方的电位以及人体电击能量的发生的变化情况。如图3-6和3-7所示。

图3-2-1不同相间距输电线路下方电位变化

图3-2-2不同相间距下人体暂态电击能量

由仿真结果我们可以看出：输电线路下方的导体电位和人体暂态电击能量不一定随着输电线路高度的增加而单调增加，当相间距为3m，3.5m和4m时，随着导体距离地面的高度的增加，其线路下方的电位值先单调递减，然后单调增加，当相间距大于4m时，线路下方的电位值单调递增；当相间距为3m时，其人体暂态电击能量随着垂直高度的增加，先单调增加，然后单调递减，当相间距为3.5m，4m，4.5m和5m时，人体暂态电击能量单调增加。

通过对220kV的输电线路下方人体暂态电击的仿真分析，在给定线路高度和相间距情况下220kV下施工人员施工的安全垂直高度为8.3m，分析了相间距对其下方电场和人体暂态电击能量的影响，当相间距较小时，导致下方电场变化不单调。

4.结论与展望

工频电场测量在电力行业具有广泛的应用前景和重要的实际意义，本文通过仿真模拟的方式，对高压输电线路下人体的暂态电击进行了评估，并能根据国家相关标准和现场实际情况对电场过限提出警示，初步达到了预期目的。本项目主要完成的工作内容总结如下：

(1)分析了高压输电线路下静电感应原理，选取模拟电荷法对导线进行等效，用有限个模拟电荷分析线路下方的电场分布。

(2)建立了输电线路下的导体和人体模型，分析人体受到暂态电击的过程，对模型中的参数依次进行求解，最后将其等效成两个电容之间的充放电电路进行分析。

(3)对220kV下的人体暂态电击进行分析，评估了不同垂直高度下人体所受电击的程度，得出了施工人员施工的安全高度，最后分析了不同相间距下线路下方场强的变化情况。

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作者简介：唐淑歆（1987.05-），女，广东东莞人，本科，工程师，从事输电线路管理工作。

项目名称：输电线路下城轨穿越施工现场感应电压影响研究

项目编号：031900KK52180094