带电作业的等电位原理及安全措施

(一)地电位作业工作原理

地电位作业是指作业人员站在大地或杆塔上用绝缘工具(指绝缘操作杆、检测杆、吊杆、拉杆、绝缘绳等)对带电体进行的作业。

1.原理

地电位作业的位置示意图及等效电路如图6-2所示。

图6-2　地电位作业的位置示意图及等效电路

(a)示意图;(b)等效电路图;(c)简化电路图

作业人员位于地面或杆塔上,人体电位与大地(杆塔)保持同一电位。此时通过人体的电流有两条回路:①带电体→绝缘操作杆(或其他工具)→人体→大地,构成电阻回路;②带电体→空气间隙→人体→大地,构成电容电流回路。这两个回路电流都经过人体流入大地(杆塔)。严格地说,不仅在工作相导线与人体之间存在电容电流,另两相导线与人体之间也存在电容电流。但电容电流与空气间隙的大小有关,距离越远,电容电流越小,所以在分析中可以忽略另两相导线的作用,或者把电容电流作为一个等效的参数来考虑。

由于人体电阻远小于绝缘工具的电阻,即Rr≪R,人体电阻Rr也远远小于人体与导线之间的容抗,即Rr≪XC。因此在分析流入人体的电流时,人体电阻可忽略不计。图6-2(b)电路可简化为图6-2(c)电路。设I′为流过绝缘杆的泄漏电流,I″为电容电流,那以流过人体总电流是上述两个电流分量的相量和,即:

其中

带电作业所用的环氧树脂类绝缘材料的电阻率很高,如3640型绝缘管材的体积电阻率在常态下均大于1012Ω·cm,制作成的工具,其绝缘电阻均在1010～1012Ω以上。对于10kV配电线路,泄漏电流I′为:

也就是说,泄漏电流仅为微安级。

间接作业时,当人体与带电体保持安全距离时,人与带电体之间的电容约为2.2×10-12～4.4×10-12F,其容抗为:

则电容电流为:

即间接作业时,人体电容电流也是微安级。故I′+I″的矢量和也是微安级,远远小于人体电流的感知值1mA。

以上分析计算说明,在应用地电位作业方式时,只要人体与带电体保持足够的安全距离,且采用绝缘性能良好的工具进行作业,通过工具的泄漏电流和电容电流都非常小(微安级),这样小的电流对人体毫无影响。因此,足以保证作业人员的安全。

但是必须指出的是,绝缘工具的性能直接关系到作业人员的安全,如果绝缘工具表面脏污,或者内外表面受潮,泄漏电流将急剧增加。当增加到人体的感知电流以上时,就会出现麻电甚至触电事故。因此在使用时应保持工具表面干燥清洁,并注意妥当保管防止受潮。

2.地电位作业的基本形式

(1)升。在10～35kV针式绝缘子或瓷横担的线路作业时,将顶相导线或三相导线同时升高,使其脱离绝缘子,以便更换绝缘子、横担或电杆。在变电所内,将设备短接退出后,引线和短接线也用升高的方法使其与人体间保持足够的安全距离。

(2)降。在35kV及以上输电线路的直线杆塔上,往往用绝缘滑车组将导线悬挂后降低,使其完全脱离绝缘子串,以便整串清扫或更换绝缘子、横担和电杆。

(3)吊。更换35kV及以上输电线路的直线悬式绝缘子时,将导线用吊线杆吊住后不降低,用取瓶器更换单片或整串绝缘子。

(4)拉。将导线、引线或跳线用绝缘绳或滑车组向外拉开,以增大相间距离,或加大对作业人员的安全距离。

(5)紧。在35kV及以上输电线路上,更换耐张绝缘子时,将导线用绝缘拉板(或拉杆),配紧线丝杆(或液压装置)、绝缘滑车组等,将导线收紧,以承受导线拉力,使绝缘子串松弛,以便更换整串绝缘子或其中一片绝缘子。

(6)其他。仅使用绝缘检测杆就能完成的作业。如悬式绝缘子零值检测等。

(二)等电位作业的原理

等电位作业是指作业人员通过绝缘物(包括绝缘子和绝缘工具)对大地绝缘后进入高压电场,人体与带电体保持相等电位的作业。

1.等电位作业的原理

等电位作业是在人体与导体电位相等的情况下进行的作业,从理论上来说,通过人体的电流等于零,所以等电位作业是安全的。小鸟能够站在高压导线上而不会触电,就是这个道理。

当然,等电位作业并不是完全没有电流通过人体。作业人员在等电位前对导线和地线都存在着电容,等电位后,人体对大地和对其他相导线间也存在着电容。所以等电位作业人员无论是刚接触高压导线瞬间或接触之后,都有电容电流通过人体。因此,在高压设备上等电位作业时必须采取分流人体电容电流的有效措施。同时,作业人员接近和接触高压导线时,因受到高压电场的作用,产生不舒服的感觉。所以在接近高压电场作业,特别是等电位作业时,还必须采取屏蔽高电场的有效措施。等电位作业人员穿上屏蔽服就能有效地解决分流人体电容电流和屏蔽高压电场的作用。

屏蔽服的另一个作用是可以代替等电位作业时,人体在刚接触高压设备瞬间转移电位和刚脱离高压设备瞬间脱离电位用的电位转移线,使在作业时人体(或金属工具)转移电位的程序变得简单。

因此,等电位作业的原理是等电位作业人员穿上屏蔽服,通过绝缘物(包括绝缘子和绝缘工具)对大地绝缘,利用屏蔽服的均压作用及屏蔽高压电场、分流电容电流的作用,使作业人员与带电体等电位,达到安全作业。(www.xing528.com)

但需注意的是,等电位作业人员在进(退)电场过程中组合间隙的距离必须满足安全规程的规定。

由电造成人体有麻电感甚至死亡的原因,不在于人体所处电位的高低,而取决于流经人体的电流的大小。根据欧姆定律,当人体不同时接触有电位差的物体时,人体中就没有电流通过。从理论上讲,与带电体等电位的作业人员全身是同一电位,流经人体的电流为零,所以等电位作业是安全的。

当人体与带电体等电位后,假如两手(或两足)同时接触带电导线,且两手间的距离为1.0m,那么作用在人体上的电位差即该段导线上的电压降。假如导线为LGJ—150型,该段电阻为0.00021Ω,当负荷电流为200A时,那么该电位差为0.042V,设人体电阻为1000Ω,那么通过人体的电流为42μA,远小于人的感知电流1000μA,人体无任何不适感。如果作业人员是穿屏蔽服作业,因屏蔽服有旁路电流的作用,那么,流过人体的电流将更小。

在等电位作业中,最重要的是进入或脱离等电位过程中的安全防护。我们知道,在带电导线周围的空间中存在着电场,一般来说,距带电导线的距离越近,空间场强越高。当把一个导电体置于电场之中时,在靠近高压带电体的一面将感应出与带电体极性相反的电荷,当作业人员沿绝缘体进入带电体时,由于绝缘本身的绝缘电阻足够大,通过人体的泄漏电流将很小,但随着人与带电体的逐步靠近,感应作用越来越强烈,人体与导线之间的局部电场越来越高。当人体与带电体之间距离减小到场强足以使空气发生游离时,带电体与人体之间将发生放电。当人手接近带电导线时,就会看见电弧发生并产生啪啪的放电声,这是正负电荷中和过程中电能转化成声、光、热能的缘故。当人体完全接触带电体后,中和过程完成,人体与带电体达到同一电位,在实现等电位的过程中,将发生较大的暂态电容放电电流,其等值电路见图6-3。

图6-3　等电位过程的等值电路

(a)进入等电位过程的电路图;(b)实现等电位后的电路图

图6-3中,UC为人体与带电体之间的电位差,这一电位差作用在人体与带电体所形成的电容C上,在等电位的过渡过程中,形成一个放电回路,放电瞬间相当于开关S接通瞬间,此时限制电流的只有人体电阻Rr,冲击电流初始值Ich可由欧姆定律求得,即:

Ich=UC/Rr

对于110kV或更高等级的输电线路,冲击电流初始值一般约为十几至数十安培。由此可见,冲击电流的初始值较大,因此作业人员必须身穿全套屏蔽服,通过导电手套或等电位转移线(棒)去接触导线。如果直接徒手接触导线,则会对人体产生刺激,有可能导致电气烧伤或引发二次事故。当然,由于冲击电流是一种脉冲放电电流,持续时间短,衰减快,通过屏蔽服可起到良好的旁路效果,使直接流入人体的冲击电流非常小,而且屏蔽服的持续通流容量较大,暂态冲击电流也不会对屏蔽服造成任何损坏。一般来说,采用导电手套接触带电导线,由于身穿屏蔽服的人体相距带电导线较近,相当于电容器的两个极板较近,感应电荷增多,因此其冲击电流也较大。如果作业人员用电位转移线(棒)搭接,人体可以对导线保持较大的距离,使感应电荷减小,中间电流也减小,从而避免等电位瞬间冲击电流对人体的影响。

在作业人员脱离高电位时,即人与带电体分开并有一空气间隙时,相当于出现了电容器的两个极板,静电感应现象同时出现,电容器复被充电。当这一间隙小到使场强高到足以使空气发生游离时,带电体与人体之间又将发生放电,就会出现电弧并发出啪啪的放电声。所以每次移动作业位置时,若人体没有与带电体保持同电位的话,都要出现充电和放电的过程。当等电位作业人员靠近导线时,如果动作迟缓并与导线保持在空气间隙易被击穿的临界距离,那么空气绝缘时而击穿,时而恢复,就会发生电容C与系统之间的能量反复交换,这些能量部分转化为热能,有可能使导电手套的部分金属丝烧断,因此,进入等电位和脱离等电位都应动作迅速。

等电位过渡的时间是非常短的,当人手与导线握紧之后,大约经过零点几微秒,冲击电流就衰减到最大值的1%以下,等电位进入稳态阶段。当人体与带电位等电位后,就好像鸟儿停落在单根导线上一样。即使人体有两点与该带电导线接触,由于两点之间的电压降很小,流过人体的电流是微安级的水平,人体无任何不适感。从以上作业原理的分析来看,等电位作业是安全的,但在等电位的过程中,应注意以下几点:

(1)作业人员借助某一绝缘工具(硬梯、软梯、吊篮、吊杆等)进入高电位时,该绝缘工具应性能良好且保持与相应电压等级相适应的有效绝缘长度,使通过人体的泄露电流控制在微安级的水平。

(2)其组合间隙的长度必须满足相关规程及标准的规定,使放电概率控制在10-5以下。

(3)在进入或脱离等电位时,要防止暂态冲击电流对人体的影响。因此,在等电位作业中,作业人员必须穿戴全套屏蔽用具,实施安全防护。

2.等电位作业的基本形式

(1)沿耐张绝缘子串进入电场等电位作业。

(2)立式绝缘硬梯(包括人字梯、独脚梯)等电位作业。这种作业方法由于受到作业梯高度的限制,多用于变电设备的带电作业。如套管加油、断路器短接、接头处理、解接引下线等作业。

(3)挂硬梯等电位作业。将绝缘硬梯垂直悬挂在母线、横担或构架上进行等电位作业。这种作业方法大多用于变电一次设备解接搭头的带电作业。

(4)软梯等电位作业。这种方法简单方便,允许作业高度相对于其他作业方式来说高些,而且软梯易于携带,是常用的一种等电位工具,经常用来处理防震锤、修补导线(当导线损伤严重或不符合规程要求时则不能挂软梯)等作业。

(5)杆塔上水平梯等电位作业。这种方法是将绝缘硬梯水平组装在杆塔上进行杆塔附近的等电位作业,如压接跳线、调整弧垂等作业。

(6)绝缘斗臂车等电位作业。绝缘斗臂车是在汽车活动臂上端装有良好绝缘性能的绝缘臂和绝缘斗的一种专用带电作业汽车。作业人员站在绝缘斗内,由液压升降、传动装置将臂展开,将作业人员送到作业高度进行作业。

(三)中间电位工作原理

中间电位作业的位置示意图及等效电路如图6-4所示。

图6-4　中间电位作业位置示意图及等效电路

(a)示意图;(b)等效电路图

当作业人员站在绝缘梯上或绝缘平台上,用绝缘杆进行的作业即属中间电位作业,此时人体电位是低于导电体电位、高于地电位的某一悬浮的中间电位。

采用中间电位法作业时,人体与导线之间构成一个电容C1,人体与地(杆塔)之间构成另一个电容C2,绝缘杆的电阻为R1,绝缘平台的绝缘电阻为R2。

作业人员通过两部分绝缘体分别与接地体和带电体隔开,这两部分绝缘体共同起着限制流经人体电流的作用,同时组合空气间隙防止带电体通过人体对接地体发生放电。组合间隙由两段空气间隙组成。

一般来说,只要绝缘操作工具和绝缘平台的绝缘水平满足规定,由C1和C2组成的绝缘体即可将泄漏电流限制到微安级水平。只要两段空气间隙达到规定的作业间隙,由C1和C2组成的电容回路也可将通过人体的电容电流限制到微安级水平。

需要指出的是,在采用中间电位法作业时,带电体对地电压由组合间隙共同承受,人体电位是一悬浮电位,与带电体和接地体是有电位差的,在作业过程中:

(1)地面作业人员是不允许直接用手向中间电位作业人员传递物品的。这是因为:①若直接接触或传递金属工具,由于二者之间的电位差,将可能出现静电电击现象;②若地面作业人员直接接触中间电位人员,相当于短接了绝缘平台,使绝缘平台的电阻R2和人与地之间的电容C2趋于零,不仅可能使泄漏电流急剧增大,而且因组合间隙变为单间隙,有可能发生空气间隙击穿,导致作业人员电击伤亡。

(2)当系统电压较高时,空间场强较高,中间电位作业人员应穿屏蔽服,避免因场强过大引起人的不适感。但在配电线路带电作业中,由于空间场强低,且配电系统电力设施密集,空间作业间隙小,作业人员不允许穿屏蔽服,而应穿绝缘服进行作业。

(3)绝缘平台和绝缘杆应定期检验,保持良好的绝缘性能,其有效绝缘长度应满足相应电压等级规定的要求,其组合间隙一般应比相应电压等级的单间隙大20%左右。