（电气工程专业论文）线路特殊区域杆塔跨步电压及接触电压的测试及研究.pdf

浙江大学工学硕士学位论文 摘要 摘要 以往受科学技术的限制，早期的电力系统工作者设计时比较重视变电所或电厂内人为 或设备原因造成单相接地短路障时的跨步及接触电压安全。高压架空线路由于比较少且大 多数杆塔位于山高人少的地段，因此主要考虑的是杆塔防雷安全问题，对跨步及接触电压 的安全性问题基本未有考虑。但随着电网建设的飞速发展，线路杆塔在人员活动密集性地 地带的数量增加，一些位于变电所附近水田里的杆塔发生单相接地故障时，在其周围的人 群受到跨步电压伤害的事件已经发生。因此，在线路建设及运行维护的过程中，杆塔的接 地装置除了考虑防雷外，对部分特殊区域线路杆塔的跨步电压及接触电压进行测试及研究 分析，对超标地区采取一些降压措施已显得极为迫切重要。 论文首先分析了影响跨步电压及接触电压大小的主要几个因素，并提出了杆塔故障电 流、杆塔接地电阻是影响跨步电压及接触电压大小且比较能够有效解决的主要因素。接下 来对杆塔故障电流、杆塔接地电阻进行了相关理论研究提出了适合工程技术人员分析用 的简易、快速算法及适合线路工作者接地电阻测试用的综合法测量。 论文选定两基位于水田内及城市道路边的杆塔为研究模型，在国内率先用c d e g s 软 件及8 0 0 0 s 系统对线路杆塔单相接地短路时地电位、跨步电压及接触电压分布进行了仿真 和工程测试，并对仿真和工程测试的结果进行了理论分析，提出了针对性的降压措施。 最后，通过上述理论分析、仿真及工程测试，提出降低线路特殊区域杆塔周围跨步电 压及接触电压影响的综合措施。 关键词：跨步电压接触电压分流系数接地电阻仿真 浙江大学工学硕士学位论文摘要 a bs t r a c t p r e v i o u s l ys u b j e c tt ot h el i m i t a t i o n so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , e a r l yp o w e rs y s t e md e s i g n w o r k e r sm o r ec o n c e r n e dw i t hp o w e rp l a n to rs u b s t a t i o ne q u i p m e n to rm a n - m a d ec a u s e so f s i n g l e p h a s ew o u n ds h o r to ft h er o a d b l o c kw h e nt h ev o l t a g es t e pa n dc o n t a c ts e c u r i t y h i g h v o l t a g eo v e r h e a dp o w e rl i n e sd u e t of e w e ra n dm o s to ft h et o w e r sl o c a t e di nt h eh i l ll e s s a i le x p e r to ft h el o t ，s ot h em a i nc o n s i d e r a t i o ni st h es a f e t yo fl i g h t n i n gp r o t e c t i o nt o w e r s ，a n d t h ec o n t a c tv o l t a g es t e po nt h es a f e t yo ft h eb a s i ci s s u e sh a v en o tt a k e ni n t oa c c o u n t b u tw i 也 t h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e r 砸dc o n s t r u c t i o n ，i nl i n et o w e ro ft h es t a f f - i n t e n s i v ea c t i v i t i e s t oi n c r e a s ei nt h en u m b e ro fz o n e s ，s o m eo ft h es u b s t a t i o ni sl o c a t e dn e a rt h ep a d d yf i e l di nt h e p o l es i n g l e - p h a s eg r o u n df a u l to c c u r r e d - w h e nt h ec r o w da r o u n db ys t e pv o l t a g ei n j u r yt h e e v e n t st h a th a v et a k e np l a c e a sar e s u l t ，i nl i n ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，t h e t o w e rg r o u n d i n gd e v i c e si na d d i t i o nt oc o n s i d e r a t i o no fm i n e ，o nt h ep a r to ft h es p e c i a lr e g i o no f t h es t e pv o l t a g el i n et o w e ra n da c c e s st oan u m b e ro fv o l t a g et e s t i n ga n da n a l y s i sw o r ko nt h e a r e at ot a k eo v e rs o m eo ft h es t e p - d o w nm e a s u r e s ，i th a sb e c o m ee x t r e m e l yu r g e n ti m p o r t a n c e f i r s tt h ea r t i c l ea n a l y z e dt h ei m p a c to ft h es t e pv o l t a g ea n dv o l t a g ec o n t a c t s 、) l ，i mt h es i z eo f s e v e r a lm a j o rf a c t o r s ，a n dt h ef a u l tc u r r e n tt o w e r ，t o w e rg r o u n d i n gr e s i s t a n c ei st h ei m p a c to f c o n t a c ta n ds t e pv o l t a g ea n dv o l t a g ec o m p a r i s o nt ot h es i z eo fa ne f f e c t i v es o l u t i o nt oam a j o r f a c t o r n e x to nt h ef a u l tc u r r e n tt o w e r , t o w e rg r o u n d i n gr e s i s t a n c et oc a r r yo u tt h er e l e v a n t t h e o r e t i c a lr e s e a r c h p u tf o r w a r df o ra n a l y s i sb ye n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n so ft h es i m p l ea n d r a p i dm e t h o df o rr e s i s t a n c et e s t sg r o u n d i n gl i n ew o r k e r sw i t hac o m p r e h e n s i v em e t h o d i nt h i sp a p e r , t h et w os e l e c t e da tt h eb a s eo fp a d d yf i e l d sw i t h i nt h ec l 。t ya n dt h er o a ds i d e o ft h et o w e rm o d e lf o rt h es t u d y , t h ef i r s ti nc h i n at ou s ec d e g ss o f t w a r ea n ds y s t e m s8 0 0 0 s l i n et o w e ro nt h es i n g l e - p h a s eg r o u n dt os h o r t - c i r c u i tp o t e n t i a l ，a n dt h ec o n t a c tv o l t a g es t e p v o l t a g ed i s t r i b u t i o no ft h es i m u l a t i o na n dt e s te n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gs i m u l a t i o na n dt e s t r e s u l t so ft h ea n a l y s i so ft h et h e o r y , p u tf o r w a r ds p e c i f i cm e a s u r e st os t e p d o w n f i n a l l y , t h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n dt e s te n g i n e e r i n g , a c c o r d i n gt ot h e e a s i e rp a r tf i r s ta n dt h ep r i n c i p l eo fs p e c i a ll i n e st ol o w e rt h er e g i o ns t e pv o l t a g et o w e r sa n dt h e c o n t a c tv o l t a g eo fc o m p r e h e n s i v em e a s u r e s k e y w o r d s - t r a n s m i s s i o nl i n e ；t o u c hv o l t a g e ；s t e pv o l t a g ed i f f i u e n c em o d u l u ss i m u l a t e n i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝塑太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储躲史7 胖签字魄2 0 0 9 年夕月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑塑太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝堑太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴做储鹳：贲l 囝他 剔噬各 i 罚纷 签字日期：2 9 年9 月j 日 签字日期：工叩年7 月 日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本文的研究工作是在我的导师周浩教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的论文 的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师严谨的治学态度、渊博的知识、实 事求是的工作作风，给我留下了很深的印象。这不仅使我在专业知识方面有很大的提高， 更使我懂得了做学问的态度。对我来说，这将是我以后工作和生活的一笔宝贵财富。在此， 向我的导师周浩教授表示最衷心的感谢! 线路特殊区域杆塔跨步电压及接触电压的测试与研究是笔者根据实际工作中发生 的问题，在学习过程中受所学知识的启发下，运用科学归纳的分析方法，提出个人的一点 见解，这也是践行浙江大学“求是创新”思想的体现。论文的写作与完成凝聚着很多人的 无私支持和帮助，在进行c d e g s 系统接地仿真过程中得到了浙江大学研究生计荣荣为主 等同学的大力支持，在使用地网8 0 0 0 s 型系统的接地测试过程中得到以何建明为主等多位 同事的大力帮助。在论文的写作过程中也得到了浙江电力公司、衢州电力局各位领导和同 事的热心帮助和支持。在此对他们也表示衷心的感谢工最后，对评阅本论文的各位专家和 学者表示诚挚的谢意! 最后感谢我的亲人，是他们的关怀，理解和支持，使我得以顺利完成论文。 刘国华 2 0 0 9 年1 玛 浙江大学工学硕士学位绪论 1 绪论 1 1 选题理由与意义 以往受科学技术的限制，早期的电力系统工作者设计时比较重视变电所或电厂内人为 或设备原因造成单相接地短路障时的跨步及接触电压安全。由于架空线路由于位于荒郊野 外，因此其发生故障跳闸的概率要比变电所或电厂内母线设备来得高。衢州位于浙江西部， 属于盆地丘陵地带，该地区的雷暴日较高，年均雷暴日有6 5 天，属于重雷区，同时受生 态环境变好的影响，该地区鸟类活动相当频繁，近几年在线路杆塔上鸟类筑窝的现象越来 越多，因鸟类筑窝造成的线路跳闸也较以往增加了很多。在国家电网建设坚强电网的同时， 杆塔分布的密集度越来越高，离生活人群越来越近。处于郊区及城镇中心附近的变电所， 由于电网网络分布比较密集，位于水田一带的杆塔较多，而鸟类在筑窝过程中造成的线路 跳闸较易发生在早晨5 - 8 点，该时段即便天气晴朗，但由于露水较多，因此鸟草均较为潮 湿，容易造成线路跳闸的障碍。在这个时间段也是农民耕种的时间，因此一旦发生线路接 地跳闸故障，较易发生跨步电压及接触电压触电的事情。同样，目前城市中高压电网的分 布也较为密集，市区钢管塔线路使用较为广泛，由于城市行人较多，一旦发生线路单相接 地跳闸故障，如果跨步电压超标，则在钢管塔周围的行人也极易遭受电的袭击。 现实工程设计及建设过程中，对于线路杆塔的接地仅关注其防雷效果，因此仅注重接 地电阻值是否满足一定的数值，对于其它安全问题特别是跨步电压触电问题基本不考虑。 现实中在良好天气下农民或行人在杆塔周围附近活动因线路单相接地故障而造成的触电 伤害已有发生。因此，对线路杆塔所处的一些特殊区域，如水田及城市重要道路等周围杆 塔在工频短路条件下接触电压及跨步电压进行研究，同时对超标的位置采取一些必要措 施，确保人民群众的安全，确保和谐社会的建设已经迫在眉睫。 目前我国人民大多具有一定的文化知识，且通过多年的安全用电使用宣传后，雷雨天 气时在农田耕种或在线路杆塔等易引雷电的高建筑物附近行走的人较少。因此本文主要关 注天气良好情况下线路杆塔单相接地电流造成的接触电压，特别是跨步电压的触电问题。 1 2 研究背景 ( 1 ) 国内安全生产背景：近几年，我国各行业特别是煤矿业安全形势相当严竣，国家 为了安全生产下达了一系列严厉的处罚措施。0 8 年初的南方大面积冰灾给电力、交通造 成了严重的事故，“5 1 2 ”四川汶川大地震更是给人民生活安全带来极大影响，给国家带 l 浙江大学工学硕士学位绪论 来极大的损失，因此如何提高各行业的安全生产水平是政府及人民迫切需要解决的问题。 电力系统作为一个技术密集型行业，由于它与人民的生活及国家各行业的建设与发展息息 相关，因此安全生产至关重要，前几年的美加大停电事故均给当地的经济与人民生活带来 极大的困扰。目前我国电力建设正朝着设备超高压、机组超临界、电网巨型化等方面发展， 但“安全第一、预防为主”方针，一直以来我国电力工作者仍坚持不懈。有人曾夸张的讲， 我国的电力安全建设是不计成本，虽有言过其实，但也可以看出安全对电力工作者来讲是 一件多么重要的事。结合当前的全国的安全生产形势，更是给电力工作者提出了更高的安 全生产要求。以上种种均揭示了确保电力各个环节的安全是新时期电力发展的自身需要。 ( 2 ) 优质服务背景：作为一个服务社会的企业，电力部门正加快进行优质服务的建设， 电力9 5 5 9 8 的开通和使用很大程度是为解决电力优质服务，提高电力企业形象的问题，应 该讲通过电力9 5 5 9 8 这个窗口，电力部门的工作越来越规范，形象也越来越好。随着人民 生活水平的提高，安全意识及维护自身合法权利的意识也正逐步增强。户内外用电安全已 成为人们关注的焦点。据统计，电力热线9 5 5 9 8 中大量的投诉是涉及用电安全的问题，象 线路施工时跨越民房、铁塔离房屋距离太近的安全问题都成为了投诉的对象。由此可见， 提高电力设备的运行安全也是提高电力企业形象，提升优质服务水平的需要。 ( 3 ) 事故背景：2 0 0 4 年6 月2 4 日7 时1 3 分，我局田华1 7 0 1 线距离段保护动作、 开关跳闸，重合成功；当日经专业人员对田华1 7 0 1 线进行故障点巡查，发现该线路# 2 0 遭乌害，a 相横担上一只鸟巢并有杂草下挂，造成# 2 0 塔a 相绝缘子闪络( 合成绝缘子均 压环被烧一小洞) 。该跳闸致使在线路# 1 9 ，# 2 0 杆塔周围农田拔秧的农民( # 1 9 塔4 人、 # 2 0 塔4 人) 因跨步电压而触电，并送当地医院进行抢救。当日局有关人员到现场对该次 线路跳闸相关情况进行了了解，并与开化供电局、华埠镇委看望了受伤害的农户，具观察 受伤人员情况良好，无伤害痕迹，通过分析确认农户受伤害原因是轻微跨步电压触电。 以上分析可以看出，为了建设和谐社会，为了电力企业的发展，今后电力工作者要更 加关注周围各种安全用电的问题，不仅是户内用电的安全，更重要是户外大量安装在山上、 农田里、城市道路边线路杆塔的使用安全问题。根据笔者多年的线路工作经验，可以毫不 夸张的讲，如果现在不关注并逐步解决这些问题，在不久的将来，电力建设将寸步难行。 2 浙江大学工学硕士学位绪论 1 3 国内关于该课题的研究现状及趋势 跨步电压及接触电压的研究历来倍受国内外专家的关注，俄罗斯、芬兰等国对交电所 的地网进行了相应的接地电阻及跨步电压等的测试及研究工作，国内一些大学及研究所对 变电所的接地电阻及跨步电压等的测试及研究也做了较大的工作容许。但受工作地形的限 制及线路运行的特殊性影响，无论是国内还是国外；电力工作者对位于野外的电力铁塔可 能产生的危害性问题的认识仍然相当不足，对避免铁塔在通过线路故障电流可能对周围造 成的危害的研究也是极其少，现实工程设计及建设过程中，对于线路杆塔的接地仅关注其 防雷效果，因此仅注重接地电阻值是否满足一定的数值，对于其它安全问题特别是跨步电 压触电问题基本不关注，一些有限的研究也仅仅对线路杆塔跨步电压及接触电压的危害做 了简单分析，但对线路接地装置的跨步电压及接触电压工程测试、软件仿真及采取哪几种 有效措施来降低接触电压及跨步电压的危害性，目前此方面的研究相当少，以上种种均对 本工作的开展带来诸多不利因素。 1 4 本论文研究的主要内容 输电线路杆塔接地短路时跨步电压及接触电压的研究是一项系统的工作，因为它不但 与杆塔短路时的故障电流大小有关，同时也与杆塔接地装置的接地电阻、土壤电租率、故 障持续时间、故障线路避雷线所用的材料等有关，这项研究工作跨了多门学科，因此要求 笔者较为全面的掌握相关的理论。同时它又是一门具体的工作，理论研究的成果转化成实 际成效往往不会一帆风顺，因为理论分析均是处于理想化的分析，对于一些理论假设中忽 略的问题在实际执行过程中可能会对整个工程造成影响，因此对杆塔接地装置降低跨步电 压及接触电压措施，要根据现场实际经验，以保证电网安全可靠运行为前提，做认真的技 术、经济分析，从而找出切实可行的降压方法，不应片面追求某一个指标。在研究过程中， 应多查找和研读相关资料，深入了解影响跨步及接触电压大小的各个因素；特别要注意在 低土壤电阻率、低接地电阻的区域，更加要在经济、技术指标合理的情况下，研究最佳降 压方案。 本文首先通过对影响跨步电压及接触电压大小的故障电流、杆塔接地电阻的大小等的 因素进行了理论分析，并提出了一些整改措施。其次借助地网分析软件c d e g s 及先进的 3 浙江大学工学硕士学位绪论 8 0 0 0 s 地网测试系统，以一基位于水田和一基位于城市道路边的铁塔的接地参数为模型， 对单相接地短路时的地电位、跨步电压及接触电压进行了仿真及工程测试，分析了土壤电 阻率对跨步电压及接触电压的影响；同时根据上述工作提出降低线路杆塔跨步电压及接触 电压影响的综合治理措施，完成本论文主要有以下研究和工作： 1 检索相关文献，掌握降低短路点跨步电压及接触电压的的先进技术和方法，特别 是对降低故障杆塔周围跨步电压及接触电压的方法进行系统的分析研究。 2 通过理论研究影响故障电流大小的因素，分析了流入杆塔接地装置电流大小的主 要几种计算的方法的优缺点，提出适合工程分析使用的简易、快速计算方法 3 通过理论研究影响杆塔接地电阻的因素，对目前常用的接地电阻测量方法进行了 分析，指出了各自的优缺点，同时根据工作实际提出了适合线路工作者使用的接地电阻“综 合法”测量。 4 选定典型输电线路的杆塔( 如：水田内铁塔、城市道路边的钢管塔) 为研究模型，用 c d e g s 软件进行仿真并率先在线路上杆塔接地装置测试上使用了以往变电所等大型地网 接地测试用的先进的8 0 0 0 s 系统，对仿真及工程工程测试数据进行分析，得出单相接地短 路时水田内铁塔、城市道路边的钢管塔的地电位、跨步电压及接触电压分布情况，指出了 该地区技术经济合理的降压措施。 5 通过理论分析、仿真及工程测试，提出降低线路特殊区域杆塔周围跨步电压及接 触电压影响的综合措施。 4 浙江大学工学硕士学位 电气触电的有关知识 2电气触电的有关知识 由于常态下电的不可见性，因此在日常生活中，触电事故的发生仍然较为普遍，为了 对触电的伤害及防范有一个较为系统的认识，本章特对电气触电的相关知识进行阐述。 2 1 触电伤害的原闺及类型 由于人在没有采取任何防护措施的情况下，人的自身电阻与电力系统的设备绝缘电阻 相比均视为低阻值。因此当人接触低压带电设备，或在高压带电设备的最小安全距离以内， 在高压电场的作用下击穿空气绝缘后对人形成间接接触放电。通常说来，按人体触及带电 体的方式及电流通过人体的途径，对人体造成的触电伤害主要有以下四种类型 ( 1 ) 单相触电： 单相触电是指在地面上或其他接地导体上，人体某一部位触及一相带电体的触电事 故。对于高电压，人体虽然没有触及，但因超过了安全距离，高电压对人体产生电弧，也 属于单相触电，单相触电的危险程度与电网运行方式有关，一般情况下，接地电网的单相 触电比不接地电网的危险性大。 。( 2 ) 两相触电 两相触电是指人体两个不同部分同时接触到两相带电体所形成的触电。因相与相之间 的电压为线电压，是相电压的3 倍，流过人体的电流也是单相触电的3 倍，因此两相触 电后果较严重。 ( 3 ) 跨步电压触电 当电网或电气设备发生接地故障时，流入地中的电流在周围土壤中形成电位，地表面 也形成以接地点为圆心的径向电位差分布。如果人行走时前后两脚问( 一般按0 8 1m 计 算) 电位差达到危险电压而造成触电，称为跨步电压触电。 ( 4 ) 接触电压触电 接触电压是指人站在发生的接地短路故障设备的旁边，人手触及设备外壳，这时手脚 之间( 一般按1 8m 计算) 承受的电位差。由接触电压而引起的人体触电称为接触电压触电。 2 2 影响人体触电损害的因素 ( 1 ) 通过人体的电流强度影响：流过身体的电流，以毫安计量，其通过人体所产生的热 5 浙江大学工学硕士学位电气触电的有关知识 效应和化学效应与电流强度有关，流过2 0 2 5 m a 以上的工频电流都容易产生严重的后 果。在电流小于数毫安时，电流主要引起心室颤动后窒息，数百毫安以上的电流，除了引 起昏迷、心脏即刻停止跳动、呼吸停止外，还会留下致命的电伤。 ( 2 ) 接触电压影响：触电伤害主要是电流对人体的心血管系统和呼吸系统产生损害作 用，电流强度决定于外加电压以及电流进入和流出身体两点间的人全阻抗。接触电压越高， 通过人体的电流强度越大，则对人体的生理反映及损伤就越大，生命危险性就越大，后果也 就越严重。 ( 3 ) 伤害程度与电流种类的关系的影响：交流电要比直流电的损害作用强。交流电频 率不同对人体的影响也不同，一般为低频的损害较大，尤其以4 0 6 0 h z 的伤害最为严重， 同时人体对工频交流电比直流电敏感得多。接触直流电时，其强度达2 5 0 m a 也不一定引 起特殊的损伤，而接触5 0 h z 交流电时，只要有5 0 m a 电流通过人体，便可能引起心脏心室 纤维颤动而导致死亡，由于我国使用的是5 0 h z 的工频交流电，因此人们要更加注意其对 人体触电的伤害 1 1 。 ( 4 ) 电流持续时问影响：电流通过人体的持续时间以i r i s 计量。人体通电时间持续越长， 能量越就越大，人体电阻就越降低，导致电流增大，损害作用也越大。另一方面，人的心 脏每收缩、扩张一次，中间约有o 1 s 的间歇 3 】 这o 1 s 对电流最为敏感。如果电流在这一 瞬间通过心脏，即使电流很小也会引起心脏震颤；如果电流不在这一瞬间通过心脏，即使 电流较大，也不会引起心脏麻痹。如果电流持续时间超过1 s ，则必然与心脏最敏感的间隙 相重合造成很大的危险。因此，一旦发生触电事故，需尽快使触电者脱离电源，以减小损 伤。 另一方面由于通过人体的电流越大，对人的生命威胁也越大，而电流通过人体的持续 时间越长，使流经处的皮肤发热、出汗，降低了皮肤阻抗，这样通过人体的电流也相应地 增加，从而增加了危险性。 ( 5 ) 电流通过人体的途径影响：触电对人体的危害，主要是因电流通过人体一定路径 引起的。由于心脏、大脑等中枢神经系统是人体的重要生命器官，一旦电流直接通过上述 地方后，其产生的后果也特别严重。一般来讲，触电时身体触及带电体的部位不同，通过 身体各部分的电流强度也不同，对人体的损伤程度也不一样，其中电流通过心脏流通产生 的损害最大，常会产中心室纤维性颤动而导致即死亡。 电流通过心脏会引起心室颤动，电流较大时会使心脏停止跳动从而导致血液循环中 6 浙江大学工学硕士学位电气触电的有关知识 断而死亡。电流通过中枢神经或有关部位，会引起中枢神经严重失调而导致死亡电流通 过头部会使人昏迷，或对脑组织产生严重损坏而导致死亡。电流通过脊髓，会使人瘫痪等。 上述伤害中，以心脏伤害的危险性为最大。因此，流经心脏的电流多、电流路线短的 途径是危险性最大的途径，而从脚到脚是危险性较小的路径。 ( 6 ) 性别影响：在同等条件下遭受电击，由于女性肌肉组织与男性相比要少，且男性 的表皮组织因此女性受到的损伤比男性大1 3 左右。 ( 7 ) 人体健康状况的影响：人的健康状况人体的皮肤干湿等情况对电击伤害程度也有 一定的影响，凡患有心脏病、神经系统疾病、结核病等症的人电击伤害程度比健康人严重。 此外皮肤干燥电阻大，通过的电流小；皮肤潮湿电阻小，通过的电流就大，危害也大 2 3 人体所能承受的安全电流、电压 电流通过人体后，人能忍受的最大电流值称为摆脱电流。流过人体的电流小于摆脱电 流时，人能够自己甩开带电导体，脱离电源；而大于摆脱电流时，人即失去自主能力，不 能摆脱电源。国内有人用猴子作了摆脱电流的试验后，认为人的摆脱电流为6 m a 左右 国外有关资料认为，摆脱电流男性为9 m a ，女住为6 m a 。触电电流为1 5 m a 时，仍然有 5 0 的人能摆脱带电导体，所以1 5 m a 为平均摆脱电流。考虑在各种条件下不致有电击危 险的安全电流，一般认为以5 m a 为宜。 安全电压是在一定条件下、一定时间内不危及生命安全的电压，但是并不是绝对的安 全。我国一般将安全电压等级分为：4 2 v 、3 6 v 、2 4 v 、1 2 v 和6 v z 。即安全电压还应根 据作业场所、操作员条件、使用方式、供电方式、线路状况等因素具体选用符合实际的安 全电压的灯具或电动工具( 凡手提照明灯，危险环境和特别危险环境的携带式电动工具， 一般采用4 2 v 或3 6 v 安全电压；凡金属容器内、隧道内、矿井内等工作地点狭窄、行动 不便，以及周围有大面积接地导体的环境，应采用2 4 v 或1 2 v 安全电压；除上述条件外 特别潮湿的环境采用6 v 安全电压) 。 浙江大学工学硕士学位电气触电的有关知识 2 4 跨步电压的相关知识 2 4 1 跨步电压形成原因 当带电体接地时，有较大电流进入大地，电流通过接地体向大地的流散呈半径r o 的半 球形状( 图2 1 ) 。因为球面积与半径的平方成比例，所以半球形的面积随着距离接地体 的变远而迅速增大。因此，与半球形面积对应的土壤电阻随着距离接地体的远近而迅速减 少，这样在接地点周围产生电位变化靠近接地点的电位梯度最大，离接地点愈远，电位梯 度愈小。人在故障接地点或接地装置周围时，两脚之间的电位差值超过一定值时所引起的 触电称跨步电压触电。高压架空线路故障接地处或大电流( 雷电流) 经过接地装置时，都会 产生较高的跨步电压。 i n 多。渺q | | 钐 2 4 2 影响因素分析 图2 1 短路电流分布示意图 对于短路点允许跨步电压的大小可用多种方法计算，如通过计算地闪回流附近的水 平电场吲的方法，但作为工程分析，通常仍然是采用d 坍6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地 规程【5 规定最为简便，在1 1 0 k v 及以上有效接地系统和6 3 5 k v 低电阻接地系统发生单相接 地或同点两相接地时，接触电压和跨步电压不得超过下列数值： u ：1 7 4 + 0 7 1 7 p r( 2 1 ) u = 7 一 ( 2 1 ) f 砺：1 7 4 + 7 0 一t p r ( 2 2 ) f 浙江大学工学硕士学位电气触电的有关知识 接地装置的电位e z 按下式计算 e s = i d 恐 l = i k ( 1 k i ) 坟= t ( 1 巧) r 譬 式中玑接触电压，v u 。跨步电压，v ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) j 。故障时流经接地装置的电流，a 1 t 工频短路时的故障电流，a 尺。接地装置( 包括人工接地网极其连接的所有其它自然接地体) 的接地 电阻，q 。( r 窖从r 、i l 取到r 。) k ，避雷线工频分流系数【5 1 ，与短路点在厂、所内外的位置有关； f 故障电流持续时间，s 。 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可知影响跨步电压及接触电压大小的因素主要有以下几个 方面： ( 1 ) 工频短路时的故障电流 及流经接地装置的电流，d 的大小； ( 2 ) 杆塔接地电阻r ，的大小； ( 3 ) 杆塔所处位置的土壤电阻率p 的大小； ( 4 ) 故障电流持续时间t 的大小。 虽然大地的土壤电阻率是一个直接影响架空线路杆塔接地电阻、杆塔地网地面电位 分布、接触与跨步电势等率的大小的重要参数。但由于架空线路杆塔位于野外，所占的空 间一般就1 0 0 m 2 左右，因此在该区域内的土壤电阻率变化是比较小的，特别是对位于农田 的杆塔，本身土壤电阻率已经很低，因此通过降低土壤电阻率的方法来降低接地电阻及地 电位的意义并不大，文中将从另一个角度来显示其作用。 故障电流持续时间t 虽然是一个比较重要的量，但由于受高压断路器动作的影响要减 少很多也比较困难且要考虑多方面的问题，因此本文不作重点考虑。 因此本文主要围绕降低工频短路时的故障电流，。、流经接地装置的电流i d 、杆塔接 地电g g r 。做重点分析，同时提出其它一些要降低跨步电压及接触电压的办法。 9 浙江大学工学硕士学位 架空线路杆塔工频故障电流的研究 3 架空线路杆塔工频故障电流的研究 3 1 杆塔可能出现的故障电流类型分析 目前所运行的架空线路除了少量采用直流输电，其余均采用三相交流电进行输送，而 架空线路杆塔是通过悬挂绝缘- 7 - 来实现对相临相和大地绝缘的，因此线路可能出现的故障 有三相短路、三相接地、两相接地、两相短路、单相接地等五种故障形式。对于1 1 0 k v 及 以上电压等级线路除了倒塔断线外，其三相短路或三相接地故障的概率相当小，因此基本 上可以不用考虑。而相线因为通过悬挂绝缘子对地绝缘，因此一旦发生两相短路故障时， 故障电流将通过相线自身返还电源点，不可能通过杆塔的接地流入大地。只有线路在两相 接地或单相接地的故障时，故障电流才能通过杆塔的接地流入大地。 由上分析可知，通过杆塔的故障电流主要是两相接地或单相接地故障电流形式。两相 接地故障因危害性也较小，主要是两相接地故障的可能性基本有两种：一种是因为绝缘子 的绝缘不够( 大多在雷击过电压时生产) 造成带电导线同时接地的故障，此时大部分的故 障电流通过杆塔横担形成回路返回导线，通过杆塔流入大地的电流相当的少。另一种是档 距中央两相导线同时对通道内的树木或建筑物放电，由于树木及建筑物的阻抗均较大，因 此流入大地的电流也较小，经大地流入杆塔接地的电流就更加小 由于线路工频短路时的故障电流，。的大小直接影响流经接地装置的电流d 的大小， 但是。与系统的运行方式、中性点的接地方式、短路点的位置及性质等关系较大，精确计 算较为困难，一般通过微机保护或故障录波直接获得，工程分析一般也作为已知条件。因 此主要是计算流经接地装置电流厶的大小。 3 2 故障杆塔的电路计算模型 为了计算线路短路时流入杆塔接地装置的电流，必须设置相应的电路模型。由于避 雷线、导线是通过一基基的杆塔架设在高空的，根据k c l 回路方程，两基杆塔与之间的 避雷线、导线及大地可视作一个回路( 网孔) ，架空线路就是由若干个这样的网孔构成的。 由于在短路状态下，导线、避雷线的对地电容电流与短路电流相比已徼不足道，可以忽略 不计。因此在若干个网孔中，由导避雷线互感产生的反向纵电动势e ，避雷线的直流电阻、 自感抗、双避雷线间的互感抗构成的。避雷线综合阻抗z 。，杆塔接地电阻疋构成的回路 l o 浙江大学工学硕士学位 架空线路杆塔工频故障电流的研究 可等效为如图3 1 的电路模型。 斑铲鞑睦咨 ! ：i i 5 赫一 图3 1 线路杆塔短路电流计算等效电路图 3 3 流入杆塔接地装置电流的计算 计算流入杆塔接地装置的电流厶，主要有直接法和间接法。直接法是通过直接计算或 查询杆塔的分流系数【6 】来求解。间接法是先求计算地线分流再根据节点电流法求解。间接 法主要有以下方法。 ( 1 ) 序分量法求解 7 名】。序分量法是基于三相线路完全对称的原理，因此在计算时是一 种理想化状态，事实上架空线路看似简单，但在短路时的分析却异常复杂，因为线路发生 短路时，在导地线上电流呈曲线分布，且相互影响，相互作用，同时受地形不同、档距不 同，杆塔呼高不同等，各相电量之间的关系是非对称的，因此采用序分量法求解出来的误 差是相当大的。 ( 2 ) 相参数法求解【9 - 1 6 1 。为了获得精确的计算数据，需要考虑各相线和地线的结构及参 数，相线短路时的相互的电气影响，相参数法便是根据这个要求提出的。利用相参数建立 电路模型计算分两个步骤，一是计算各导线的自阻抗和导线间的互阻抗，即电路模型中元 件的参数，二是利用所得的元件参数组成网络求解，如上图3 1 所示。由于网络规模庞大， 需要用计算机或相应软件进行求解。 ( 3 ) k c l 所列网孔方程计算。但其主要原理是根据相参数法【1 7 m 】，只不过进行了一些 简化，虽然准确性较好，但计算也相当复杂，难以深入推广。 ( 4 ) 代入消元法计算。文献 1 9 】提出返回电流屏蔽效应的概念，即送电线路的导线与架 空地线的距离相对较近，导地线之间具有较大的互感作用。当导线传输强大的短路电流时， 浙江大学工学硕士学位架空线路杆塔工频故障电流的研究 这个互感将同时在地线上感应产生较大的反向纵电动势，像水泵一样将短路侧的短路电流 向反方向泵输，增强地线的分流作用。地线上的反向电流增强了，抵消导线电磁感应的作 用也就增强了。然后该文又介绍了以代入消元法从线路两端向短路点推算各个中间参数， 求得故障点的短路电流分布，再从短路点推算至线路两端，求出整条线路中杆塔和架空地 线的短路电流分布状况。应该讲该方法是一种思路清晰、计算较为简便的网孔法简化计算 方法，但是文中对返回电流屏蔽系数及反向纵电动势计算没有指明，导致他人不便于使用。 ( 5 ) 避雷线分流系数法。分流系数是指在接地故障时，流经避雷线或电缆线路外护套 的故障电流与没有避雷线或电缆线路外护套作用时流经地网的电流之比。它直接关系到发 电厂、变电站内发生工频短路时流经接地装置的入地电流，而该电流又会引起发电厂、变 电站的地电位大幅度升高，产生较大的接触电压和跨步电压，直接危害电气设备及系统的 安全稳定运行，甚至危及到人身安全，因而避雷线的工频分流系数是一个非常重要的参数。 应该讲的是，避雷线分流系数法计算得出的杆塔入地电流值应该是所有杆塔入地电流的适 量和，当然工程上作为近似计算，可近似为故障杆塔的入地电流，此时数值应该是偏大的。 ( 6 ) 链形电路等效法 2 0 - 2 2 3 。文献 1 9 2 0 给出的计算地线返回电流i 的方法很简单，其 将从短路点向右( 或线路) 端看过去的电路等效为一个无限长的链形阻抗网络，由此可直接 计算出入端等效阻抗，记为z ，然后计算z 与变电站接地网的接地电阻的分流系数， 认为r g 所分得的电流即为i 。这种简化计算方法存在较大误差 1 2 1 5 1 ，原因主要是将线路 视为无限长会使绝大部分短路电流均通过地线返回，该近似将使计算出的地线电流大于实 际值，另外，当线路长度不同时流经地线的电流相差非常大( 尽管总短路电流相差很小) ； 总之，对于较短的线路( 几十公里) ，该方法的计算误差较大。 在实际工作中，对于工程上的一些定性分析，特意购置相应的软件进行计算没有必要 也不经济。为此以下推荐杆塔分流系数p 法，避雷线分流系数法及链形电路等效三个近似 计算方法，均可以通过常用的计算器快速进行求解，计算精度也基本也可以满足工程分析 的相关需要。 3 3 1 杆塔分流系数法计算 根据图3 1 可得如下式( 3 1 ) ：由此可知流入杆塔接地装置电流的大小主要取决于系 统短路电流l 、地线分流厶的大小。而短路电流厶大小一般可通过微机保护故障信息获 得，由此 1 2 浙江大学工学硕士学位架空线路杆塔工频故障电流的研究 id = i k i 。一i 。a 令：i b = in + i i n i d = i k + 厶 ( 3 1 ) 其中：i d = t 8 * i k ( 3 2 ) i b = k f i k 疑：i k = i b + i d = ( p 七k f1 聿i k + k 2 1 式中一杆塔分流系数 按d l t6 2 0 1 9 9 7 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合规程对线路杆塔的分流 系数一般取值作出了如3 1 表的要求。 表3 1线路杆塔的分流系数 系统标称电杆k v 避雷线根数值 系统标称电杆k v避雷线根数值 单避雷线 o 9 0 单避雷线 1 l o3 3 00 8 8 双避雷线 0 8 6 双避雷线 单避雷线 0 9 2 单避雷线 2 2 0 5 0 0o 8 8 双避雷线 o 8 8 双避雷线 因此根据故障线路的电压等级及避雷线的架设条数，通过表3 1 可以迅速查得短路杆 塔的分流系数，从而计算出流入杆塔接地装置的电流l 。但是杆塔分流系数实际是并不是 一个常数，它随着雷电流的幅值、陡度变化而变化，且主要是同陡度变化比较密切，雷电 流的幅值一定，陡度越大，则越大【2 2 1 ，但是其数值仍然小于表3 1 的取值。同时由于 是根据雷电流的一系列参数推导出来的，而本文是用于工频时的分析，由于避雷线在雷电 时的波阻抗大于工频时的波阻抗，因此在工频短路时，实际上此时的杆塔分流系数要要比 雷电流时的小，因此按照表3 1 计算所得的杆塔入地电流是偏大的，用于跨步电压校验也 是偏安全的。 3 3 2 避雷线分流系数法的计算 众所周知，避雷线是架空线路的重要组成部分，其主要作用是为了防止雷电直击或绕 击导线，减少线路雷击跳闸率，提高线路可用系数。但是，当相导线对杆塔发生单相接地 浙江大学工学硕士学位架空线路杆塔工频故障电流的研究 故障时，由于大部分的避雷线是直接接地的，因此避雷线同时起着电源中性线的作用，大 部分的故障通过避雷线返回电流点，只有小部分电流通过故障杆塔接地装置流入大地。 由此可知，因为避雷线的分流作用使故障杆塔的入地电流大为减少，从而降低了故障 杆塔的地电位。故障杆塔的地电位u 等于杆塔故障电流厶与杆塔接地阻抗z f 的乘积，即 亍t ( 1 一k r 2 ) ( 3 4 ) 由式( 3 4 ) 可知：避雷线的分流作用有利于降低故障杆塔的地电位，因此对降低故障杆 塔附近的接触与跨步电压也是有利的。 按式( 2 3 ) 可知：厶= 厶( 1 一置r ) ，而k ，可按下方法进行计算计算。 ( 1 ) 接地网内短路时，工频分流系数k ，可用下式计算 2 4 】 驴巨+ ( 1 一车矿，l ( 3 5 ) lz 6 。z 6 。l 工程估算时，霞n = 0 5 。 翰2 蒜1 1 _ 纠z m o + i z m o 6 ， ，小尉叶压， ( 3 7 ) 其中扛象 ( 3 8 ) 为考查短路杆塔离变电所档距数量s 的影响，现取s 曹3 ，5 ，1 。进行岛 计算 s = 3 时： 蒜= 南= 吉“嫩 2万羽2 万呢i 砰2 7 纠拶酣川 1 4 浙江大学工学硕士学位架空线