基于电位转移电弧能量的±800 kV直流输电线路等电位进入路径研究

电工材料2020 No.2吴田等：基于电位转移电弧能量的±800 kV直流输电线路等电位进入路径研究37
基于电位转移电弧能量的士800 kV直流
输电线路等电位进入路径研究
吴田，赵理赞，黎鹏，杨东，黄帅，陈聪，刘仕奇
(三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443000)
摘要:进入等电位极导线是开展±800 kV特高压直流输电线路带电作业的关键环节，优化带电作业人
员进出等电位的路径对确保人员的安全具有重要意义。

本研究基于电位转移电流及其电弧能量的计
算优化进出等电位路径，搭建了电弧能量计算模型，利用有限元(FE M)计算了 3种进入导线方式下的
人体电位、不同转移距离、悬浮电位人体-极导线的局部电容，分析了不同进出方式下与电位转移电流
大小及电弧能量之间的关系。

结果表明：从下方进入导线时人体电位最低，此时进行电位转移时的电
弧能量在3种进入方式中最大;从上方进入导线时人体电位最高，其电位转移电弧能量最小。

该计算
方法和结果可供±800 k V直流输电线路带电作业进入路径选取和安全防护用具设计时参考。

关键词:带电作业;特高压直流;F E M;±800kV;输电线路；电位转移电流；电弧能量
中图分类号:TM75 文献标志码:A 文章编号：1671-8887(2020)02-0037-05
DOI： 10.16786/j .cnki. 1671 -8887.eem.2020.02.010
Investigation on Equal-Potential Transferring Path for
Live Working on ±800kV UHVDC Transmission Lines
Based on Arc Energy Calculation
WU Tian, ZHAO Liyun, LI Peng, YANG Dong, HUANG Shuai, CHEN Cong, LIU Shiqi
(School o f Electrical and New Energy, China Three Gorges University,
Hubei Yichang 443000, China)
Abstract: In order to ensure the reliability of safety protection during potential transfer, it is neces­
sary to study the potential transfer current and arc energy of the ±800 kV UHVDC transmission
line. To this end, an arc energy circuit model and a calculation model were built. FEM was used
to calculate the relationship between human potential, different transfer distances, suspension poten­
tial gap capacitance and potential transfer arc energy under three wire entry modes. According to
the calculation, when entering the pole conductor from bottom, the potential is the lowest, and the
potential transfer arc energy is the maximum in three paths. When entering the wire from above,
it has the highest potential and the minimum energy of potential transfer arc. The calculation meth­
od and results can be used as a reference for the selection of live operation into the conductor
mode and the design of safety protective equipment of the 800 kV HVDC transmission line.
Key words: live working; UHVDC; FEM; 800 kV; transmission line; equal-potential transferring
current; arc energy
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51807110)
作者简介：赵理赍（1996-),男（汉族），湖北荆州人，硕士生,主要从 事输电线路带电作业研究。

收稿日期：2019-10-12引言
特高压直流和交流输电技术，特别是特高压直 流输电技术在我国“西电东送”和“大气污染防治计 划”中发挥了重要的作用。

我国在交流超特高压带
38吴田等：基于电位转移电弧能量的±800 kV直流输电线路等电位进入路径研究电工材料2020 N o.2
电作业方面的作业技术、安全防护、作业工具等都 有了比较完善的研究成果[N2°]。

带电作业进出等电 位是开展超特高压带电作业关键的环节，不仅对间 隙的绝缘强度具有重要的影响，而且对作业人员的 身体和心理都有极高的要求。

随着交直流输电线 路电压等级的提升，带电作业过程中的电位转移电 流及电弧能量越来越大，国内外研究人员对其开展 了大量的仿真和测量等研究工作。

在电位转移电 流电弧的脉冲特性方面，国内虽然己经进行过±800 kV特高压直流输电线路电位转移电流测量试验，但 测量的结果只有水平方向进入导线时的峰值、极性 和脉冲数量，但对电弧能量以及进出路径上没有考 虑。

在电位转移电流电弧的能量特性方面，电位转 移暂态能量超过1.0 J时，电位转移电流就可能会将 导电手套烧蚀而流经人体，对作业人员人身安全造 成威胁[9]。

目前国内已有的研究表明，直流输电线 路的电位转移电流小于交流输电线路'且电位转 移电弧的大部分功率产生于电场，只有一小部分产 生于磁场™。

但直流输电线路进入等电位过程中的 电位转移暂态电流的大小以与电弧能量对作业人员 进入等电位方式及路径的影响还缺少深入的研究。

本研究采用仿真获取从3个方向进入等电位过 程中带电作业人员与极导线的进行电位转移电弧 的能量值，为带电作业人员进出等电位的路径选择 和安全防护的设计提供依据，以保障作业人员的 安全。

1直流输电线路电位转移电弧的计算模型
1.1分析模型
等电位作业人员的人体电位随着作业人员靠 近导线而增大，工作人员在进入导线的过程中处于 浮动电位和局部电容系数有关。

根据目前研 究已经测得或仿真得出的电位转移电流暂态脉冲 波形〜1，图1为电位转移等效电路图，人体所处电位 为r,c a l为作业人员对导线的局部电容，在电位转移 时，电弧能量可以看成全部由Ca l释放(还有极少部 分由局部高电场引起的放电电流提供A G为作业 人员对杆塔、大地及其他导线的电容；C b l为导线对 地的电容;C。

,为人体对负极导线电容;<?。

2为负极导 线对地电位电容;i a，为电位转移棒及导线的电感，约0.01 mH。

工作人员在接触导线前会发生流注形 式的放电，人体与极导线间间隙会存在重复的流注 放电-击穿-电弧熄灭-流注放电的拉弧过程，为简 化分析，每次人体与极导线间的间隙被击穿时，等效为图1中的Ca,被短接。

il-:极导线
负极导线
图1电位转移电路模型
进行电位转移时，人体、杆塔构架、导线之间的 间隙电容大小与极导线电压等级无关，与人体行动 过程中的空间电场分布、空间电荷分布和离子流场 效应有关。

本研究针对±800 kV直流输电线路，采 用AN SYS有限元分析软件对作业人员进入电位转 移方位附近的电容Ca l、匕及G,进行计算。

1.2仿真模型及参数
仿真所选塔型为75 m单回塔型，导线采用 6*LGJ-630/45型钢芯铝绞线，导线参数如表1所 示。

均压环安装在第3、4片绝缘子之间，管径120 mm，环径 2000 m m[23’241，共 16 个，其中+800 kV导线 髙压端4个，-800 kV导线高压端4个，接地端8个。

在本次计算分析中，计算时考虑铁塔和均压环的影 响，大地和空气视为无限大平面，以等电位作业位 于+800 kV极导线附近进行分析，负极性导线类似 而不再单独论述。

仿真计算人体模型，头部球体半 径为0.15 m，臂长为0.6 m，手臂直径0.1m，足部离 头部竖直距离1m。

表1导线及地线参数
参数数值参数
数
值
参数
数
值外径/cm 3.36
导线塔上
悬挂高度/m
67
导线极间
距离/m
24
导线分裂
间距/cm
45
平均大地电阻率
/(Q/m)
500
V型绝缘子
角度/(°)
106
1.3进出等电位的路径及模拟
参照文献[25]中±800 kV直流输电线路上进行带电作业时进入极导线的三种典型作业工况建立 仿真模型。

1.4电位转移电弧能量计算方法
工作人员的电位F、人体与被接触导线之间的 间隙电容Ca l和对地电容G、铁塔对导线的等效电 容C b,可由电磁场有限元的部分电容的计算来获取。

根据已求得的电容和电势，计算电位转移棒上 释放的能量：
•)〇(，）(1) 式中，2为代表间隙电容储存的电荷量；F为通过电 位转移棒释放的能量；(7为转移时人与极导线之间 电容上的电位差;/为放电时间。

2仿真结果
2.1不同进出等电位路径下的悬浮电位人体的电
位分布
杆塔导线对大地电位为+800 k V,人体无净电 荷，人体与分裂导线外侧的距离为0.5 m时,高压端 均压环与导线之间的空间电位较高,距离极导线越 远的区域空间电位越小。

2.2吊篮法水平进入导线仿真结果
等电位作业人员水平进入等电位过程中的电 位及电容的计算结果如表2所示，在人体接近极导 线的过程中，作业人员体表电位升高，人体与极导 线间的电压降低；人体对正极导线电容逐渐增大，增幅约为13 pF/m;人体对地电位电容逐渐减小，减 小幅度约为5 pF/m;正负极导线对地电位电容几乎 不变。

由于人体处于正极导线与塔身之间，正极导 线对地电容小于负极导线对地电容，且人-地电容 加上人体-极导线电容远远小于极导线对地电容。

表2吊篮法水平进出极导线仿真结果电位转移棒对导线距离/m0.50.40.30.2
人体所处悬浮电位/kV586.4597.4609.3623.4
人对正极导线电容/pF35.336.537.940.2人对地电容/pF12.411.911.411.0塔身对正极导线电容/pF338.7338.9339.1338.7
塔身对-800kV导线电容/pF348.0347.9348.0347.4人对负极导线电容/pF0.1990.1900.1820.176
为了评估负极线导线对计算的影响，通过负极 导线对人体的电容和正极导线对人体的电容的比较发现,正极导线电容约为负极导线电容的177倍, 故负极导线电容在计算时可以忽略其影响，因而后 续的仿真结果中不计入负极导线电容。

2.3软梯法从导线上方进入导线仿真结果
当等电位作业人员由极导线上方的横担侧进 入极导线过程时，人体的空间电位及人体对带电体 和接地体的电容的计算结果如表3所示，进入等电 位过程中的电容的变化趋势与水平进入时相同。

随着工作人员接近导线，人体对极导线的电容逐渐 增大，增幅最大为14 pF/m;人体对接地体的电容逐 渐减小，减小幅度最大为4 pF/m;导线对地电位电 容逐渐减小，减小幅度为2 pF/m。

其中人对正极导 线的电容比水平进入时高，人对接地体的电容比水 平进入时低，导线对塔身的电容几乎不改变。

表3吊篮法自上方横担侧进入极导线仿真结果
电位转移棒对导线距离/m0.50.40.30.2
人体所处悬浮电位/kV636.7646.2655.5665.3
人对正极导线电容/pF37.338.339.741.1人对地电容/pF9.38.98.58.1塔身对正极导线电容/pF340.5340.7340.9341.1
对比表2和表3的数据发现：当工作人员由竖 直路径进入极导线时，人体电位相较水平路径进入 时高。

在竖直路径进入时人体处于两个正极导线 均压环中间，而水平进入时处于右侧均压环下方，故竖直进入导线时受均压环影响更大。

2.4软梯法从导线下方进入导线仿真计算结果
等电位作业人员由软梯法自极导线下方攀爬 进入等电位过程中的人体电位和人体对带电体和 接地体的计算结果如表4所示。

表4工作人员所处电位计算结果
电位转移棒对导线距离/m0.50.40.30.2
人体所处悬浮电位/kV525.0537.5551.0565.1
人对正极导线电容/pF29.130.131.432.7人对地电容/pF14.714.213.613.1塔身对正极导线电容/pF338.2338.3338.5338.6
距离/m
(a )人体空间电位与距离的关系
-•一水平进入导线时
♦ +上方进入导线时*• +下方入导线时,
-•一水平进入导线时
* •上方进入抒线时*
下方#入导线时,
距离/m
(b)人对正极导线电容C ,,与距离的关系
图2
三种进入导线方式下的电位转移时 人体电位、电容与距离的关系
等电位人员采用3种典型的方式进出等电位路
从表4可以看出，工作人员从下方进入极导线 时，人体电位在3种进入路径中最小，因为当等电位 人员从下方进入导线时人体离两个正极导线均压 环最远，受均压环电位影响最小。

电容仿真计算结 果如下：随着工作人员接近极导线，人体对正极导 线电容逐渐增大，增幅最大为13 pF /m ;人体对地电 位电容逐渐减小，增大幅度为5 pF /m ;极导线对地 电容变化不大。

2.5不同进入路径方式分析
3种进入路径上等电位作业人员人体体表电 位、人对导线电容和电弧能量与距离的关系如图2 所示。

人体电位从导线上方进入时比从水平方向 进入时高近50 kV ,从水平方向进入时比从导线下 方进入时高近60 kV 。

从图2(b )可见，随着等电位人 员接近导线，人体对正极导线电容逐渐增大，上方 进入导线时其局部电容最大，水平进入时的局部电 容比上方进入稍小，下方进入时局部电容整体水平 最低，不超过33 pF 。

水平进入导线0.2〜0.3 m 时局 部电容较0.3〜0.4m 时的增大趋势有明显差异。

基 于仿真计算分析，等电位人员的人体姿态、进入路 径、电极形式等对进出等电位过程中的电场和电位 分布有较大影响。

径上的电位转移电弧能量的计算结果如表5所示， 等电位人员离导线距离越近时进行电位转移，电位 转移电弧的能量越小。

因为电位转移电弧的能量 与人体与极导线间电位差的平方成正比，而与电容 的大小成线性关系，因而人体与极导线间电位差的 影响比电容的影响大，这与文献[25]中得到的距离 与电弧能量的变化趋势一致。

工作人员采用软梯 法从上方进出导线过程中电位转移电弧的能量最 小，而工作人员采用软梯法从下方进出导线过程中 积累的电荷所释放的能量约为上方进入方式的2 倍，最高电弧能量己经达到1.1 J ,故从下方进入导 线时人体电位虽然最低，但电弧能量最大。

表5
三种进出等电位方式下的
电位转移电弧能量计算结果
对导线距离/m 0.50.40.30.2水平进出电弧能量/J 0.8050.7480.6890.626上方进出电弧能量/J 0.4970.4520.4140.373下方进出电弧能量/J
1.100
1.037
0.973
0.902
进入等电位路径以及电位转移时的距离对电 位转移能量都有影响，因而在选择进出等电位路径 时，除了考虑对间隙绝缘强度的影响外，还可以考 虑进出等电位路径以及电位转移时的距离。

从极 导线上方的横担沿软梯进入时电位转移电弧的能 量最小，但是进入过程中人体占位以及电位转移时 短接2 m 左右的间隙距离；而从极导线下方沿软梯 攀爬进入时虽然作业间隙最为宽松，但电弧能量最 大且等电位作业过程中体力消耗较大;而水平吊篮
法的电弧能量不大于1 J ,并且人体占位短接的间隙 距离最小。

另外，在吊篮法水平进出时，等电位人 员进行电位转移的控制以及距离的选择时相对更 方便；当人体-极导线间隙距离为0.5 m 时，人体对极 导线的电位约214 kV ,可以确保极导线不会对人体 发生不可控的放电。

因而水平吊篮法是进出等电 位的一种较好的方式，并且推荐在距离极导线〇.5m 进行电位转移。

3
结论
(1)对于±800 kV 特高压单回直流输电线路3种 进出等电位的路径和方式下，从极导线上方横担竖 直进入时的电位转移电弧能量最小，为0.373〜
67
6«65C 6463C 626160(59(58(5756(55(S 4S 3(
A M S
#
电工材料2020 No .2
吴田等：基于电位转移电弧能量的±800 kV 直流输电线路等电位进入路径研究
41
0.497 J ;从塔身侧水平进入时次之，为0.626〜
0.805 J 。

(2) 电弧能量与转移距离呈近似线性关系，转
移距离越小，电弧能量越小。

(3) 对于±800 kV 特高压单回直流输电线路采 用吊篮法由塔身侧水平进入，在距离极导线〇.5m 处进行电位转移，可以确保电位转移电弧的能量不
大于U ,综合组合间隙（空气间隙）、体力消耗以及 电弧能量考虑，推荐采用吊篮法水平摆入为进出等 电位的路径。

参考文献：
[1] 胡毅，刘凯，刘庭，等.带电作业技术研究与标准制定高电压技
术，2012,38(11):3015-3024.[2] 胡毅，刘凯，刘庭，等.超/特高压交直流输电线路带电作业[J ].高电
压技术 >2012,38(8): 1809-1820.
[3] 欧相林，邓鹤鸣，王力农，等.10kV 配电线路带电作业安全综合评
价应用分析[J].高压电器,2013,49(2):55-60.
[4] 刘凯，吴田，刘庭，等.±800kV 特高压直流输电线路的电位转移电
流特性[J].高电压技术,20丨3,39(3):568-576.
[5] 刘夏清，李稳，姜赤龙，等.±1100 kV 特高压直流输电线路带电作
业电位转移特性[J].高电压技术,2017,43(10):3149-3153.
[6] 任卉嵩.±800kV 特高压直流输电线路带电作业进出电场方法
及安全防护研究[D].山东大学,2018.
[7] 刘庭，胡毅，刘凯，等.超高压交流/特高压直流同塔多回输电线路
塔宽及离子流对带电作业间隙放电特性的影响[J ].高电压技 术，2012,38(12):3261-3267.
[8] 蔡焕青，邵瑰玮,文志科，等.导电悬浮体对管母-管母相间作业间
隙操作冲击放电特性的影响[J].高电压技术,2014,40(12):
3918-3925.
[9] 蔡焕青，邵瑰玮,文志科，等.带电作业中电位转移能量对人身安
全的影响[J].高电压技术，20丨5,41(丨0):3479-3483.[10] 胡毅，肖宾，刘凯，等.±500kV 同塔双回直流线路带电作业试验 研究[J].高电压技术,2010,36(2):3丨8-321.[11]
胡毅,胡建勋，刘凯，等.特高压交直流线路带电作业人员的体表 场强[J].高电压技术，2010,36(丨):丨3-18.
[12] 肖勇,樊灵孟.云广±800kV 特高压直流线路带电作业分析[J]. 高电压技术,2010,36(9):2206-2211.
[13] 胡毅，刘凯,胡建勋，等.±800kV 特高压直流线路带电作业安全
防护用具的分析[J].高电压技术,20丨0,36(10):2357-2361.
[14] 胡毅，刘凯,王力农，等.1000kV 同塔双回输电线路带电作业技 术试验研究[J].高电压技术,2010,36(11):2668-2673.
[15] 肖宾,王力农，刘凯，等.750kV 同塔双回紧凑型线路带电作业技 术试验分析[J].高电压技术,20丨0,36(1丨):2863-2868.
[16] 胡毅,王力农，刘凯，等.750kV 输电线路带电作业组合间隙的研 究[J].电力设备，2006,7(1):29-32.
[17] 胡毅，王力农,邵瑰玮，等.750kV 输电线路带电作业的试验研究 [J].电网技术,2006,30(2}: 14-18.
[18]
胡涛，胡毅，李景禄，等.输电线路带电作业的安全防护[J ].高电
压技术,2006,32(5):22-25.
[19] 胡毅，王力农，刘凯，等.750kV 输电线路带电作业安全防护研究
[J].高电压技术,2006,32(10): 1 -4.[20]
胡毅.输配电线路带电作业技术的研究与发展[J].高电压技术，
2006,32(11):1-10,
[21] Cornish K T. Barehand bonding arc electrical characteris­
tics test[C]. Transmission and Distribution Construction and Live Line Maintenance, 1993. Proceedings from ES- MO-93, Sixth International Conference on, 1993.[22]
李其莹，郎需军，陈鹂.±800kV 特高压直流大跨越悬垂绝缘子 串均压方案优化[J].电瓷避雷器,2018(5):202-206,214.
[23] 司马文霞，武坤,李立涅，等.±800kV 线路直流复合绝缘子均压
环结构研究[习.高电压技术,2007,33(1丨):33-36,93.
[24] 范建斌，廖蔚明,李庆峰，等.±800 kV 直流输电线路带电作业方
式的试验研究[J].电力建设,2009,30(7):7-12.[25] 王力农，胡毅，刘凯，等.特高压输电线路带电作业组合间隙的放
电机理[J].高电压技术,2011,37(5):丨224-丨231.[26] 刘洪正，刘凯,孟海磊，等.±660kV 直流同塔双回输电线路带电
作业试验研究[J].高电压技术,201丨，37(丨2>:2997-3005.
[27] 杜勇，唐开平，彭勇，等.特高压线路直升机带电作业电位转移试
验及安全防护[J]•湖北电力,2017,41(4):9-13.[28]
胡毅，刘凯，彭勇，等.带电作业关键技术研究进展与趋势[J ].高 电压技术,2014,40(07): 1921-1931.
[29] 胡毅，王力农，邵瑰玮，等.紧凑型输电线路带电作业方式及安全 防护[J].电网技术,2007,31(23):6-10.
(上接第36页）4
结论
基于微扰法建立故障识别矩阵,获取具体的特 征值与特征向量，可在保障精度达标的同时实现对 低压有源配电网的有效解耦,进而得出不同区域的 故障定位判据。

仿真结果表明，该方法可实现低压 有源配电网故障的快速精准定位，且有效规避过渡 电阻、相邻线路故障电流等干扰因素对定位精度产 生的负面影响，从而为低压有源配电网的安全可靠 运行提供保障。

参考文献：
[1]
刘敬超.有源配电网故障定位技术探究[J].电子制作,2018(8):
91-92.
[2] 姜惠兰，钱广超,范中林，等.考虑负荷控制的有源配电网故障恢
复策略[J].中国电力,20丨7(3):101-丨06.
唐成虹,杨志宏，宋斌，等.有源配电网的智能分布式馈线自动化 实现方法[J].电力系统自动化,2015,39(9):丨01-106.
[4] 王志涛，武志刚,高厚磊，等.重合闸与低电压穿越相配合的有源
配电网故障恢复方案[J].电力系统保护与控制,2019,47(3):
^7-93.
[5] 王守相，王凯，赵歌.平抑有源配电网功率波动的储能配置与控
制方法研究综述[J ].储能科学与技术,2〇17(6):1188-1195.。