特高压同塔双回交流输电线路下方钢架大棚暂态电击特性研究

梁利辉, 李立峰, 付炜平, 池 城, 张胤禄, 韩 笑

(1.国网河北省电力有限公司检修分公司 石家庄 050022； 2.华北电力大学(保定) 河北 保定 071000)

0 引言

高压输电线路的电磁环境问题主要包括工频电磁场、无线电干扰及可听噪声[1-4]。随着输电线路规模和电压等级的不断提高，线路强电磁场引发的环境效应风险也在不断增加[5-7]。其中由于高压线路电磁感应现象所引发的感应电击问题，倍加受到线路附近居民及线路检修人员的担忧和恐慌。

相关学者曾对不同电压等级输电线路的感应电压、感应电流进行了仿真计算，探究了输电线路参数对其数值的影响[8-14]，并对交流输电线路施工及检修中存在的感应电击现象开展了研究，为线路施工作业人员安全防护措施提出了技术参考[15-17]。

线路附近工作人员触碰金属构筑物是感应电击频发的场景，因此有必要深入研究特高压交流输电线路下方常见工况下的人体感应电击特性。马爱清等人针对线下车辆对人体的感应电击进行了研究[18]，刘丽娜及甘艳等人分别研究了直流及交流输电线路下方人体触碰悬浮导体所受到的感应电击现象[19-20]。

重庆大学田子山等通过数字化人体模型对交流输电线路附近人体内的感应电流进行了计算研究[21]。华北电力大学李秀英等[22]用有限元软件对交流输电线下独立人体进行建模，并结合MATLAB分析了线下人体接触金属棒时遭受暂态电击的过程，得到了不同条件下人体遭受暂态电击及稳态电击的情况。山东农业大学王冉冉等[23]计算了特高压输电线路下方大棚感应电压及感应电流大小，提出了线路与大棚的安全距离，但并没有具体对人体进行更加深入的讨论。陕西电科院吴健等[24]建立了输电线下的人体模型和3种常见的线下感应物体模型——金属骨架的伞、金属晾衣杆和汽车模型，计算其感应电压和可能引起人体暂态电击的能量水平，对感应电击的瞬时特性讨论较少。吕建红等人研究了民房导电涂料对人体暂态电击的抑制效果[25]。近年来，温室大棚的普及、输电走廊的短缺，特高压输变电工程邻近钢架大棚的现象愈发普遍，而此类区域正是人体受到暂态电击的常见区域。

为此，笔者针对1 000 kV交流输电线路下方钢架大棚对人体的暂态电击现象开展研究，通过建立输电线路、钢架大棚和人体精细化模型，对不同绝缘程度的人体遭受暂态电击时的感应电压、电流进行瞬态仿真分析，并对大棚不同接地方式下人体暂态电击大小进行计算，给出了大棚不同接地方式对人体暂态电击的影响。

1 模型构建与简化

1.1 特高压交流输电线路和杆塔模型的建立

模型采用1 000 kV特高压交流同塔双回输电线路，导线为8×LGJ-630/45型钢芯铝绞线，线长取210 m。根据文献[23]，建模时将输电线路的上相、中相和下相弧垂高度分别设置为6 m，7 m和7 m，导线架设点高度分别设置为82.5 m，61.5 m和39.5 m，导线间距分别设置为31 m，40 m和36 m，输电线路参数见图1。

图1 输电线路参数示意图Fig.1 Diagram of transmission line parameters

按照保持对地电容相等的原则将分裂导线用一虚拟的等效单根圆柱形导线代替，等效半径见式(1)[26]：

(1)

其中Ri代表分裂导线等效半径；R代表分裂导线半径，即分裂导线外接圆半径；n代表子导线根数；r代表子导线半径16.5 mm，将导线型号代入上式计算可得等效单导线半径为487.81 mm。

1.2 线下钢架大棚模型的建立

大棚的尺寸由实际测量得到，见图2。其中大棚宽为8 m，侧边立柱高度为1.7 m，棚顶最高点为3 m，每个钢架间隔1.5 m，钢架大棚总长度为13.5 m。

图2 钢架大棚尺寸示意图Fig.2 Steel frame shed dimensions diagram

将钢架大棚放置于线路档距中央、距离线路中心轴线水平距离30 m的位置，模型见图3。

图3 输电线路与钢架大棚位置示意图Fig.3 Diagram showing the location of the transmission line and the steel frame shed

1.3 人体模型的建立

人体模型参数取自于成年男性标准身材，右手手指与钢架大棚接触，整个人体构成放电回路。人体模型高度为170 cm，臂展为82 cm，触电位置距离地面高度为160 cm，腿长为110 cm，鼻尖与后脑间距为16 cm，胸背间距为18 cm，腰腹间距为15 cm，腰臀间距为20 cm，脚腕前后间距为6 cm，脚底长度为25 cm，人体模型尺寸见图4。

图4 人体模型尺寸Fig.4 Model sizes of man

三维人体模型是由大量曲面所构成的实体，因此在网格剖分的过程中对计算机的运算能力有较高的要求。人体模型共计81 975个网格顶点，401 588个单元，平均单元质量为0.644 3，网格体积为0.085 79 m3，满足有限元网格剖分需求。由于手臂、腿部与人体连接处存在更多细节，因此这部分网格剖分的更加密集，而人体其他部位作为整体可适当增加网格边界单元大小，这样操作有利于提高仿真过程的效率，并且不影响仿真结果的精度。

2 暂态电击过程理论及仿真方法

2.1 暂态电击系统理论分析

特高压交流输电线路会在其周围空间产生电场，空间中存在的物体会由于电容效应产生感应电压[27]。当人体与空间中金属感应电压达到一定差值时，人体与金属体接触瞬间感应电荷会流过人体，对人体造成不同程度的电击感受，即发生人体暂态电击，模型见图5。

图5 人体暂态电击系统模型Fig.5 Human transient shock system model

暂态电击根据人体与金属体接地情况不同分为两种类型，一种为人体良好接地，金属体接地不良；一种为人体对地绝缘，而金属体良好接地。由于金属中存在更多自由移动的电荷，因此两种形式的暂态电击前者对人体造成的伤害相对更大，二者发生暂态电击时流过人体的电流方向也存在差异。人体与钢架大棚的感应电压可通过下式计算：

(2)

由于暂态电击的作用时间很短，仅为几微秒至十几微秒，因此一般不会造成人体造成严重损伤，但这种电击感会引起处于该环境中长期工作人员的极度不适感。

2.2 暂态电击过程分析方法

通常暂态电击发生的过程极短，通过时域研究可以更为清晰的分析瞬态电击的特性。工频电场呈现周期性变化，由于在20 ms 的周期中边相导线正下方工频电场在第5 ms时达到正向最大值，这时暂态电击对人体的伤害更大，因此假定该时刻令人体与金属大棚接触，可得到接触瞬间的暂态电击特性。

同塔双回交流输电线路共有6种相序布置方案，其中逆相序布置方式可使线路附近工频电场强度最小，该方案被广泛用于实际线路的架设当中。1 000 kV同塔双回交流输电线路三相电压在时域下的表达式见式(3)：

(3)

交流电频率设置为50 Hz，添加半圆柱形空气域，设置空气域底部以及外部圆弧面的电位为0，模拟无限远边界。钢架大棚的电气参数主要表现为钢质材料的电导率和介电常数，钢架属于合金材料，其电导率比纯铁略小约为1×105S/m，软件内置金属的相对介电常数为1。

在外加电场作用下，人体的生物组织会表现出传导性和介电性。文献[22]给出了人体各个组织的相对介电常数和电导率，并给出了仿真过程中假定人体各组织均匀时的电参数，人体相对介电常数设置为1×106，电导率设置为0.05 S/m。

2.3 人体发生暂态电击放电过程分析

当人体与接地良好的大棚接触时，线路下方的人体与大棚将形成电位差，接触瞬间放电电流会由人体通过大棚流入大地。不同的鞋子绝缘性能不同，人体所穿鞋子的电导率对暂态电击过程有较大的影响，当鞋子电导率为5×10-6S/m时的暂态电击量见图6。

图6 人体暂态电击量Fig.6 Transient electric shock of human body

表1给出了人体电击电流的各种感觉临界值[28]，通过该表可以判断人体遭受不同程度暂态电击时的感受：

表1 交流电击电流的临界值表Table 1 Critical value of AC shock current table mA

由图6(a)可知，当相对绝缘的人体接触金属大棚时放电电流瞬时最大值为0.8 A，经过1.5 μs暂态电击电流迅速稳定，与文献[12]中实测暂态电击电流最大值1.2 A基本一致。

人体接触金属大棚时的电击电流包括暂态分量和稳态分量，根据IEC标准[29]60479-2 《Effects of current on human beings and livestock -Part 2: Special aspects》和国标[30]GB/T 13870.2-2016 《电流对人和家畜的效应 第2部分：特殊情况》中，对于暂态短时单向单脉冲电流，当持续时间小于10 ms时，依据能量I2t进行感知和痛觉判断，文中暂态分量能量值小于5 μJ，远低于人体感知阈的下限值，因此主要依据电击电流稳态值进行人体感受判断。计算得出暂态电击电流稳定值为0.038 A，已超出了可感知限值。

由图6(b)可知，由于人体脚底部通过绝缘鞋接地，因此脚底电压稍低，与头部形成约为0.2 V的电压差，人体最大感应电压为14 V。

由于人体与接地良好的大棚存在于空间中，导致空间电位发生了畸变，此时人体头部表面附近电位及大棚顶部附近电位约为870 V。从图中电位线的疏密程度可以看出人体头部与大棚顶部的电位线更加密集，可以判断出这两个位置空间电场发生了更为明显的畸变。

3 暂态电击影响因素分析

3.1 不同绝缘程度人体暂态电击特性分析

当大棚良好接地时，人体绝缘程度对暂态电击电流有较大的影响。图7表示鞋子的电导率由5×10-5S/m变化至5×10-2S/m时，人体接触大棚瞬间暂态电击电流变化规律。通过分析不同鞋子电导率下人体暂态电击电流变化曲线，其最大值及稳态值见表2。

图7 不同绝缘程度人体暂态电击电流特性Fig.7 Transient shock current characteristics of human body with different insulation levels

表2 人体暂态电击电流Table 2 Human transient electric shock current

由表2可知，随着鞋子绝缘程度下降，人体与大棚的电位差逐渐减小，暂态电击发生时放电电流最大值也逐渐降低，同时电流稳定值也随之减小。当鞋子电导率为5×10-5S/m时，暂态电流稳定值为6.7 mA，已超过人体可感知限值。当鞋子电导率与人体电导率相等为5×10-2S/m时，认为人体直接接地，此时得到的放电电流最大值为2.8 mA，稳定值为0.13 mA，感应电压最大值为0.07 V，此时人体几乎无电击感。

3.2 大棚不良接地时人体暂态电击特性分析

考虑到土壤、地质条件等不同因素的影响，可能存在大棚与大地之间处于接地不良的状态，为此，文章针对大棚不良接地的情况进行了仿真。为了模拟大棚不良接地状态，大棚底部端子部分设置接地，其余端子电导率设置为1×10-5S/m，大棚接地方式见图8，不同接地方式下人体暂态电击计算结果见图9。

图8 大棚接地方式Fig.8 Grounding mode of greenhouse

图9 不同接地方式下人体暂态电击电流特性Fig.9 Transient shock current characteristics of human body under different grounding modes

将图9所得大棚不同接地方式下人体暂态电击电流最大值及稳定值列表见表3。

表3 不同接地方式下人体暂态电击电流值Table 3 Transient electric shock current values of human body under different grounding methods mA

由图表可得，大棚接地效果越差人体暂态电击电流越大，当大棚只有远点位置接地时，人体流过的瞬态电流稳定值为1.632 mA，部分人体将感受到不舒服的电击。人体与大棚接触点附近的大棚端子接地效果越好，流过人体的放电电流越小，当大棚仅靠近人体一侧良好接地时，流过人体的放电电流稳定值为人体感受不到的0.392 mA，因此为了使得在大棚中工作的人尽可能免受暂态电击，最好在保证人体穿导电鞋的同时，保证大棚各个接地端可靠接地。

4 结论

1)人体暂态电击放电时间持续约为1.5 μs，当大棚与人体均良好接地时，暂态电击电流稳定值为人体感受不到的0.130 mA。

2)对于接地良好的人体，钢架大棚不同的接地方式会使人体遭受不同程度的暂态电击，大棚接地越可靠，人体暂态电击感受越小。

3)文中4种接地方式中除远点接地方式引发的暂态电击电流稳定值最大为1.632 mA，会使人体感受到强烈电击感，其余接地方式均不会使人体感受到电击。