电力系统临近电安全距离预警系统研究.docx资源-CSDN文库

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1 引言

近年来输电线路覆盖范围迅速扩大

[1⇓ ⇓ ⇓ -5]

,电力工程临近带电作业施工现场

环境较为复杂,施工机械与带电设备及导线的距离难以测量,安全监护人及施工

机械指挥人员仅凭经验判断机械近电距离,施工机械操作人员稍有疏忽便有可

能致使机械与带电体安全距离过小,导致事故发生

[6⇓ ⇓ -9]

。

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。

另一方面,近年来电力行业防外力破坏手段普遍开始采用视频监控装置

[10-11]

,

该类技术产品仍有一定的缺陷,表现在以下方面：视频监控镜头覆盖范围有限,

存在拍摄盲区、视角重叠等客观问题,造成不可避免地出现误报和漏报;实时监

控视频采用无线回传时,流量大、费用高,系统易断电停止工作;采用自动回传采

样间隔较长的单帧图像,或手动开机远程查看现场实时视频,容易错漏关键样本

视频,造成漏报。

考虑到上述技术所存在的缺陷,学者提出了基于感应电探测的输电线路安

全距离预警技术,并开展了相关的研究工作

[12⇓ ⇓ ⇓ -16]

。但是这些研究都没有体现施

工机械入侵情况下的电场计算,并且未考虑电压等级、线路布置方式的影响,使

得基于临界电场阈值的安全距离预警方法缺乏科学的依据。因此,有必要对带

电线路中施工机械安全距离作业下的临界电场进行系统性研究。

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

如图 1a 所示为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,

包括近电感知端、后台中继、云端服务器和手持终端。近电感知端实时监测吊

车吊臂端部电场强度,并发送给所述后台中继;后台中继接收到电场强度后与预

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、

1.0×10

10

和 8.0。计算控制方程如下所示

∇⋅D=ρ E=−∇U D=ε0ε1E∇⋅D=ρ E=−∇U D=ε0ε1E

式中 ,D 为电位移 ,C/m

2

;ρ 为电荷密度 ,C/m

3

;E 为电场强度 ,V/m;U 为电

势,V;ε

0

为真空的绝对介电常数,取 8.85×10

-12

F/m;ε

1

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

文章仿真计算中,输电线路尺寸设置如表 1 所示。交流输电线路安全距离

三维电场计算模型如图 2 所示。按照国家电网公司电力安全工作规程规定,35

kV、110 kV、220 kV 和 500 kV 下的最小安全距离分别为 4.0 m、4.5 m、6.0

m 和 8.0 m,文章以此为基准设置入侵机械与边相导线间的距离,从而进行仿真

分析。为了考虑不同作业位置的影响,文章在仿真时提取边相导线水平外侧、

斜 45°外侧和垂直下方三个方向的临界电场大小进行对比分析。

表 1 输电线路参数

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