1 引言
此外,部分变电站、线路环境复杂,存在多电压等级交错、多电源供电情况,施工人员在确定某一路电源停电后,错误认为设备或线路已不带电,直接进场验电、施工,也会导致事故发生。
基于此,文章介绍了所研制施工机械临近电作业安全距离预警系统的基本工作原理,以35~500 kV 典型交流输电线路为对象,建立可移动机械器具带电作业的三维有限元模型,并根据国网安规中的作业人员或机械器具与带电线路的风险控制安全距离值,通过有限元计算的方法得到了不同输电线路等级以及不同作业位置下的电场阈值,并且分析了入侵机械位置、接地方式、杆塔型式对临界电场阈值的影响。最后在现场开展了最小安全距离下的临界电场阈值验证试验。研究结果可为电力系统安全稳定运行提供技术支撑。
2 安全距离预警系统工作原理
图1
后台中继设有多个电压等级档位,其对应的电场报警阈值不同,当超过阈值时后台中继会及时向现场作业人员及电力企业人员报警。因此,最小安全距离下电场阈值的选取是本系统的重要环节且直接影响预警效果的可靠性,且不同工况下的电场阈值具有差异性。因此将在下文建立带电环境下作业机械的三维有限元模型,并综合考虑以下工况：有无入侵机械设备,入侵机械设备是否接地,同塔双回路与单回路的区别。
3 最小安全距离下的临界电场数值计算
3.1 计算原理
随着计算机技术的迅速发展,越来越多的学者采用数值方法来计算绝缘子周围的电场和电位分布。最新的电磁场计算方法包括有限差分法、有限元法、表面电荷法、边界元法、矩量法、电荷模拟法等。其中,有限元法具有较强的灵活性,可以求解多自由度问题,已成为电磁场计算的主要方法。
由于交流电压的波长远大于绝缘子串长,绝缘子串在任一瞬间的电场都可近似认为是稳定的,因此可以采用静电场分析瓷绝缘子串周围的空间电场,由静电场原理,电场计算为准静态,空气、金具和施工机械的相对介电常数分别为1、1.0×1010和8.0。计算控制方程如下所示
式中,D为电位移,C/m2;ρ为电荷密度,C/m3;E为电场强度,V/m;U为电势,V;ε0为真空的绝对介电常数,取8.85×10-12 F/m;ε1为介质的相对介电常数。通过求解器的迭代计算,最终可以求得带电线路中机械器具与输电线路的整体电场分布。
3.2 仿真模型
表1 输电线路参数
| 参数 | 数值 | |||
|---|---|---|---|---|
| 电压等级/kV | 35 | 110 | 220 | 500 |
| 导线类型 | LGJ-185/25 | LGJ-240/30 | 2×LGJ-300/25 | 4×LGJ-400/25 |
| 导线直径/mm | 18.90 | 21.60 | 23.76 | 27.63 |
| 边相导线高度/m | 6.00 | 10.00 | 12.00 | 16.00 |
| 中相导线高度/m | 6.00 | 13.00 | 16.00 | 24.00 |
| 相间距/m | 3.50 | 4.50 | 6.50 | 9.00 |
| 地线类型 | — | GJ-50 | GJ-50 | GJ-70 |
| 地线直径/mm | — | 9.0 | 9.0 | 11.0 |
| 地线高度/m | — | 16.0 | 20.0 | 30.0 |
| 地线间距/m | — | 5.4 | 8.0 | 14.0 |
图2
3.3 临界电场仿真结果及分析
图3
图4
进一步分析各个电压等级最小安全距离下的 临界电场大小,对比不同工况下的仿真结果如图5所示。
图5
由图5可知,施工机械入侵位置不同时,最小安全距离下的临界电场值有差异。以110 kV单回路、入侵设备接地情况为例,水平侧方、45°侧方和正下方三个入侵位置的临界电场值分别为29.09 kV/m、24.28 kV/m 和23.24 kV/m。经计算,不同入侵位置下,临界电场值的差异在20.6%~45.4%。
此外,有无入侵设备、入侵设备是否接地,对最小安全距离下的临界电场也有显著影响。以220 kV线路,当机械水平入侵时,施工机械接地、不接地情况下的临界电场值分别为56.19 kV/m和13.45 kV/m,两者差异很大。
杆塔型式对临界电场值有一定的影响,以110 kV为例,计算得到单回、双回两种情况下的临界电场值差异在11.7%~48.5%。
综上,施工机械设备位置、杆塔型式、接地方式均对最小安全距离下的临界电场值有显著影响。而实际工程中的施工环境是多样的,这些因素都是不确定的,因此需要科学地选取临界电场阈值,从而适用于多种作业场所。为了考虑安全裕度,本文建议采取较低的临界电场值作为报警阈值,即入侵设备不接地、水平方向、单回路条件下的临界电场值仿真结果。现场测试验证见第4节。
4 基于电场阈值的安全距离预警系统及验证
为验证上述临界电场报警值,从而对指导实际使用,利用文章所研制系统在现场开展了施工机械临近电安全距离检测试验。文章所研制的系统装备如图6所示。
图6
图7
按照前文所述的系统工作方式开展现场试验,即将近电感知端安装在施工机械顶部,利用后台中继、手持终端观测电场强度大小。操控机械吊臂使其从外侧缓慢靠近高压导线,待数值接近上文所确定的报警阈值时停止操作,采用激光测距仪测量吊臂与高压导线的距离。现场测试情况如图8所示。
图8
测得不同线路下的临界电场、安全距离实际大,并与理论值进行对比,如表2所示。
表2 吊车入侵电场强度及安全距离测试结果
| 参数 | 电压等级/kV | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 35 | 110 | 220 | 500 | ||
| 临界电场强度/(kV/m) | 阈值 | 3.8 | 9.1 | 14.3 | 20.7 |
| 实际值 | 4.1 | 9.5 | 15.6 | 22.4 | |
| 安全距离/m | 理论值 | 4.0 | 4.5 | 6.0 | 8.0 |
| 实际值 | 5.1 | 5.2 | 7.3 | 9.6 | |
| 安全距离相对误差(%) | 21.5 | 13.4 | 21.7 | 16.7 | |
由表2中结果可知,按照文章所设置的临界电场报警阈值,实际测得的最小安全距离要比理论值大0.7~1.6 m,相对误差在25%以内,表明按照仿真计算结果设置最小安全距离下的临界电场阈值比较合理,且留有一定的安全裕度。
5 结论
文章展开了基于临界电场阈值的带电线路施工机械安全距离预警系统研究,得到如下结论。
(1) 施工机械入侵位置不同时,最小安全距离下的临界电场值有差异,文章仿真得到不同入侵位置下,临界电场值的差异在20.6%~45.4%;有无入侵设备、入侵设备是否接地,对最小安全距离下的临界电场也有显著影响;杆塔型式对临界电场值有一定的影响,仿真得到单回、双回两种情况下的临界电场值差异在11.7%~48.5%。
(2) 考虑到施工环境的多样性和不确定性,以及一定的安全裕度,建议采取较低的临界电场值作为报警阈值,即入侵设备不接地、水平方向、单回路条件下的临界电场值;对于35 kV、110 kV、220 kV和500 kV,临界电场阈值可依次取3.8 kV/m、9.1 kV/m、14.3 kV/m和20.7 kV/m。
(3) 文章所研制的带电线路施工机械安全距离预警系统,设置了相应的临界电场报警阈值后,实际测得的最小安全距离明显大于理论值,且相对误差在25%以内,表明文章所提的临界电场阈值比较合理,且保证了一定的安全裕度。
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