帶電作業(yè)安全距離的確定(慣用法和統(tǒng)計法)

發(fā)布時間:2024-04-16
防止過電壓傷害的根本手段就是在不同電位的物體(包括人體)之間保持必要的距離,稱為安全距離。安全距離是指:為了保證人身安全,作業(yè)人員與帶電體之間所保持各種最小空氣間隙距離的總稱。具體地說,安全距離包括下列五種間隙距離:最小安全距離、最小對地安全距離、最小相間安全距離、最小安全作業(yè)距離和最小組合間隙。在規(guī)定的安全間距下,帶電作業(yè)中即使產(chǎn)生了最髙過電壓,該間隙可能發(fā)生擊穿的概率總是低于預先規(guī)定的可接受值。安全距離的確定,應根據(jù)系統(tǒng)所能出現(xiàn)的最大內(nèi)過電壓幅值和最大外過電壓幅值求出其相應的危險距離,取其中最大的數(shù)再增加20%的安全尺度來確定。
帶電作業(yè)安全距離的確定屬于絕緣配合的計算方法。絕緣配合就是按設(shè)備所在系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種過電壓和設(shè)備的耐壓強度來選擇設(shè)備的絕緣水平,以便把作用于設(shè)備上引起損壞或影響連續(xù)運行的可能性,降低到經(jīng)濟上和運行上能接受的水平。常用的絕緣配合有慣用法和統(tǒng)計法兩種。慣用法是早期絕緣配合的習慣用法,主要適用于220kv及以下電壓等級中,在超高壓系統(tǒng)(330kv、500kv及以上系統(tǒng)中),如果利用慣用法來確定絕緣間隙的最小安全距離,會將絕緣間隙的尺寸取得過大,從技術(shù)、經(jīng)濟上都是行不通的。在超高壓系統(tǒng)中對自恢復絕緣應用統(tǒng)計法來確定絕緣配合、安全距離。
慣用法慣用法以作用于絕緣上的“最大過電壓”和絕緣本身的“最低耐受強度”為依據(jù),使二者之間滿足預期的裕度,這個裕度的確定要考慮最大過電壓和最低耐受強度時產(chǎn)生的偏差。
按慣用法作絕緣配合時,如果裕度過大,將為其選用的絕緣付出昂貴的代價,在帶電作業(yè)的絕緣配合中,裕度考慮過大,不僅操作距離遠,手持絕緣工具過長,人為增加了作業(yè)難度,還會因設(shè)備條件的限制,影響帶電作業(yè)的開展;裕度考慮過小,則人身安全得不到保證。
應用慣用法時,最大過電壓應考慮到操作過電壓和遠方傳來的雷電壓。絕緣最低耐受強度則按有關(guān)手冊的空氣間隙和絕緣子串的放電特性來求得。在以前,一般用典型間隙(如:“棒一棒”間隙)放電曲線來確定帶電作業(yè)間隙的耐壓水平。近些年來,人們開始采用典型間隙的操作波放電試驗來確定帶電作業(yè)間隙的耐壓強度。在空氣間隙中,在波頭接近250μs的操作沖擊試驗中,耐壓強度最低,因而在確定帶電作業(yè)間隙耐壓強度的試驗中,操作波一般采用標準操作波(250/2500μs)。
應用慣用法確定帶電作業(yè)安全距離的步驟為:
確定系統(tǒng)最大過電壓u0max:
公式中:uh:系統(tǒng)額定電壓(有效值);k0:最大過電壓倍數(shù);kr電壓升高系數(shù)。
確定所需安全裕度系數(shù)a,自20世紀50年代開始安全裕度的預期值為1.2.
確定絕緣最低耐受強度uw,uw=a·u0max
確定安全距離。考慮到絕緣間隙的放電電壓的偏差,一般取δ=6%,則間隙的50%放電電壓應滿足:
再查曲線或與真型實驗數(shù)據(jù)比較來確定最小安全距離。
統(tǒng)計法在超高壓(330kv、500kv以上)系統(tǒng)中,對于自恢復絕緣,應用統(tǒng)計法來進行絕緣配合,也同樣應用統(tǒng)計法來確定帶電作業(yè)的安全距離。
統(tǒng)計法的基本原理是,承認系統(tǒng)中的過電壓和絕緣的耐壓強度都是隨機變量,不同的絕緣、不同尺寸的空氣間隙在發(fā)生過電壓時都有發(fā)生放電的可能性,只不過它們發(fā)生的概率隨絕緣尺寸、絕緣種類等不同。在帶電作業(yè)時,如果發(fā)生了過電壓,并由此發(fā)生放電的概率,稱為危險率。定量地確定某種具體的絕緣下的危險率,只要其值在某個合適的范圍之內(nèi),就可認為是安全的。統(tǒng)計法就是以正態(tài)分布的隨機變量的模型來對危險率進行定量計算。按統(tǒng)計法確定的帶電作業(yè)安全距離,不僅不會造成“絕對安全”的錯覺,還能避免不必要的(過大的)裕度,這是其優(yōu)點所在。但統(tǒng)計法只能應用于自恢復絕緣。
統(tǒng)計法計算危險率的數(shù)學原理是:電力系統(tǒng)過電壓的幅值、波形、絕緣間隙的放電電壓都是“隨機變量”,它們基本遵循“正態(tài)分布”的統(tǒng)計規(guī)律。在確定了其分布的均值和偏差這兩個基本參數(shù)之后,就可以據(jù)此計算危險率。
正態(tài)分布的隨機變量,其概率密度函數(shù)為:
公式中,μ為隨機變量χ的均值,σ為標準偏差。σ/μ為相對標準差。
該函數(shù)圖在水平χ軸上的位置由μ來確定,其形態(tài)的“胖瘦”由σ來確定。對上公式進行積分,可以得到正態(tài)概率分布函數(shù):
由上式可見,f(χ)的含義是隨機變量χ出現(xiàn)在χ≤χ的區(qū)間的概率,即下左圖陰影部分的面積。概率分布函數(shù)如下右圖所示。
空氣間隙的放電電壓符合正態(tài)分布,因而其概率密度函數(shù)為:
其概率分布函數(shù)為:
上兩式中u50%為絕緣50%放電電壓,σd時其標準偏差。
系統(tǒng)過電壓幅值出現(xiàn)的概率也基本符合正態(tài)分布,其概率密度函數(shù)為:
上式中un為系統(tǒng)過電壓幅值的均值(數(shù)學期望),σ0為其標準偏差。則危險率r可由下式得到:
其幾何意義如下圖所示。um與u50%的相對位置決定了絕緣配合的裕度,陰影部分的面積就是危險率。此外,σd與σ0決定了二函數(shù)的形態(tài),也對危險率的值有影響。
危險概率的幾何意義
上面的進行式計算需要編制計算機程序利用計算機迅速得到答案,或按sd 119-1984的附件中的絕緣配合的方式來計算,在計算中,一般認為空氣間隙放電電壓的相對標準小于0.06,即σd取0.06×u50%。而將系統(tǒng)過電壓的相對標準偏差取為0.12,即σ0=0.12um。
絕緣的50%放電電壓u50%由絕緣的種類、尺寸、形狀決定,對于空氣間隙,可查經(jīng)驗曲線,有條件的話也可以做模擬實驗進行確認。近些年來,一般都采用帶電作業(yè)的典型實驗來確定u50%。系統(tǒng)過電壓均值um則由系統(tǒng)設(shè)計決定,一般來說,對于確定的線路,um的取值是一定的,um與系統(tǒng)的統(tǒng)計過電壓有如下關(guān)系:
而統(tǒng)計過電壓u2%通常用過電壓倍數(shù)k乘以系統(tǒng)最高運行相電壓來得到:
上式與本文開頭第一道公式的區(qū)別在于上式中的k為統(tǒng)計過電壓倍數(shù),而第一道公式中的k0位最大過電壓倍數(shù),兩者之間滿足如下關(guān)系:
以往的經(jīng)驗證明,將當危險率小于10-5時,是非常安全的。即帶電作業(yè)時,遇上系統(tǒng)中操作過電壓十萬次,其中發(fā)生了放電的概率小于一次。一般的設(shè)計考慮都將帶電作業(yè)危險率考慮為10-5,這顯然是非常安全的。
上述計算中還存在各種潛在的安全裕度。例如,假設(shè)帶電作業(yè)時遇到了過電壓,而實際上帶電作業(yè)時很可能不會遇上過電壓;確定絕緣的放電電壓時,采用嚴格的正極性操作沖擊時的50%放電電壓,而實際上系統(tǒng)中出現(xiàn)正、負極性操作波的概率 是相同的;而且u50%的確定一般采用250/2500us的操作波下的值,這也是與實際操作波形出現(xiàn)的概率下相符合的??紤]到這些因素,可將危險率的安全范圍適當放寬, ?。?~5)×10-5也可能是合適的,這由各系統(tǒng)的具體情況決定。
各電壓等級系統(tǒng)安全距離國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》中,對帶電作業(yè)的安全間距做出了規(guī)定,其確定的原則就是前文所述慣用法或統(tǒng)計法,以及各種條件下的試驗數(shù)據(jù)。各電壓等級下的詳細規(guī)定參見《電力安全工作規(guī)程》,下表僅列舉出常用電壓等級帶電作業(yè)的各種安全距離的規(guī)定。
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