专题二直流输电线路故障状态下对电信明线.docx

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专题二直流输电线路故障状态下对电信明线

直流输电线路故障状态下对电信明线

危险影响研究

1课题研究背景

1.1标准控制条件

直流输电线路对电信线路的危险影响，是指直流输电线路故障时，故障电流通过感性耦合在邻近电信线路上感应产生纵电动势和对地电压，这可能危及电信维修人员的生命安全和电信设备安全。

就电信架空明线线路而言，对其危险影响标准是以电信维修人员安全的允许电压为控制条件的。

人身安全允许电压由允许通过人体的安全电流与该电流通过人体回路的总阻抗来确定。

电信明线上的磁感应电压，解释为磁感应纵电动势和磁感应对地电压。

1.2相关标准及工程应用

早在1983年，为配合我国第一条±500kV直流输电线路工程（葛州坝—上海）设计，开始研究直流输电线路对电信线的影响，对架空明线危险影响允许电压采用了国际电报电话咨询委员会（CCITT）导则（1963年版）建议值1000伏（峰值）。

CCITT导则1988年版，“Directivesconcerningtheprotectionoftelecommunicationlineagainstharmfuleffectsfromelectricpowerandelectrifiedralwayline，April”，建议直流电气化铁路供电线路故障时，危险电压允许值取1000伏（峰值）；我国1991年9月发布的电力行业标准DL436-91“高压直流架空送电线路技术导则”在附录F中规定，纵电动势或对地电压不得超过1000伏；尔后，我国第二条±500kV直流输电线路工程（天生桥—广州）设计，也采用了危险电压允许值1000伏。

国际大电网会议（CIGRE）第六次全会72号文件提出，关于“CCITT导则”第四章第九节的新著中，基于直流输电线路短路的瞬时现象为短时间的事实，建议最大允许感应电动势为1500伏。

之

目前，电力和通信行业的快速发展，先进技术和设备的广泛应用，人们认识水平的不断提高和运行经验的积累，对危险影响允许值不断修订是必要的。

学术界普遍认为，直流输电线路对电信线的影响，防护间距一般是干扰影响起控制作用，危险影响不起控制作用。

从我国建设的多条直流输电线路来看，由于采用了1000/1500伏这个极其保守的规定，在很多情况实际上是危险起控制作用，且矛盾突出。

这是以支付高额防护费用为代价的，同时也影响本体线路路径的优化。

2004年修编的电力行业标准“高压直流架空送电线路技术导则（报批稿）”，将该标准修订为3000伏（峰值）。

为制定电力行业标准《直流输电线路对电信线路危险影响设计技术规定》，特设本专题进行研究，以便合理确定对架空明线危险影响允许电压。

1.3本课题研究思路

关于交流输电线路对电信线路的影响问题，目前在理论研究方面比较成熟，积累了大量经验；长期以来，国内、国外以及相关国际学术组织不断修订危险电压允许值，且标准不断提高。

目前与编写本《规定》相同步修订的电力行业标准《送电线路对电信线路危险和干扰影响设计规程》，也对危险电压允许值也进行了修订。

由于直流输电近些年才大量发展，关于直流输电线路对电信线路的危险影响允许值，国内外相关的资料及文献介绍不多。

然而，直流输电线路对电信线路危险影响标准的制定原则应与交流输电线路一样。

本课题将依据国内外已有的科研成果、国际组织导则的建议，结合直流输电线路短路故障的特点及计算理论公式的原理，对危险电压允许值进行探讨。

2理论研究文献

人身危险电压，理解为在人碰触遭受强电线影响的电信导线，而脚触地的情况下，加在人体手脚之间的危险电压，也就是电信导线和大地之间的电压，这个电压将在人体产生一定的电流构成危害。

确定这个电压，涉及到作用时间、人体重量、男女性别、人体生物因素、医学等复杂问题。

2.1长时间电流对人体的生理作用特征

①0.5～0.8毫安，人体无感觉；

②1.0～2.0毫安，电流值较低，这时人体开始有所感觉但无疼痛感，人能长时间忍受坚持。

一般男子感觉电流为1.1毫安，女子为0.7毫安，一般女子对小电流很敏感；

③2.0～4.0毫安，人体有针刺痛感觉，手指开始抽筋，手臂抖动；

④4.0～8.0毫安，人体有明显刺痛感觉，手指颤抖，手臂痉挛抽筋；

⑤摆脱电流，当人体碰触带电体时不靠外力能自主摆脱带电体所能忍受的最大电流值。

摆脱电流的范围为6～22毫安，其中女子平均为10.5毫安，男子平均为16毫安；

⑥心室纤维颤动电流，较大的电流流过心脏，将刺激心脏肌肉，使其产生痉挛颤动。

这种电流破坏心脏正常活动规律，致使心脏麻痹，停止跳动引起死亡，因而对人体危害性最大，故又称致命电流。

2.2心室纤维颤动电流的特征

就人身安全而言，人体触电致死的主要原因是由于电流通过人体后引起心室纤维颤动，这是各国研究工作者的一致的结论，它取决于通过人体电流的大小、通电时间、电流流经人体的途径和电流频率。

有关心室纤维颤动与电流及时间关系，国外研究成果归纳详见表2.1。

表2.1心室纤维颤动与电流及时间关系

序号

研究人及应用国家

研究成果和结论

备注

1

Ｓ.柯宾（Koeppen）

人的心脏拨动周期为0.75秒

I＝50/t毫安

t--通过人体电流时间（秒）

0.3秒内不会发生心室纤维颤动

2

Ｃ.Ｆ.达耳基尔（Dalziel）

S．毕延克特尔（Buntenkotter）

对哺乳类动物试验，发生概率为0.5％情况下：

I＝（2.18W+12.8）/

毫安

频率为10～500赫兹

t只适用于8.3毫秒～5秒

W--人体重量（千克）

3

日本、西欧各国

I＝30/t毫安

实际应用

4

Μ.И.米哈伊洛夫（мцxaŭлоB）

电击0.1秒内，甚至大于几安培的电流不引起心室纤维颤动

0.1秒的循环时期内，不与心脏工作阶段重合

5

L.P.费勒斯（Ferris）和W.B.柯温霍文（Kouwenhoven）

对羊和狗的试验，提出I＝f（t）

时间（秒）/电流（毫安）：

1.5/2000.5/10000.2/1700

从上述可以看出，目前世界各国学者在人身安全电流允许值问题上结论虽然不同，但对通过人体电流允许值与通电时间的关系是一致的，既通电时间越短，则通过人体电流允许值就越大。

如通电时间为0.01～0.02秒，则通过人体电流允许值为1安至数安。

2.3IEC479—1出版物

2.3.1“左手～脚”路径的时间/电流区域图

国际电工学会（IEC）出版物479－1中，考虑了频率为15～150Hz的交流电流对人体生理影响情况，并以“时间/电流”区域图表示出来。

图2.1是“左手～脚”路径中交流电流（15～150Hz）对人体生理影响的时间/电流区域图。

图中，各区域的定义如下：

区域1—一般没有感觉；

区域2—一般没有危险的病态；

区域3—一般不会使器官有毛病；

区域4—心室颤动概率小于5%；

区域5—心室颤动概率为5%～50%；

区域6—心室颤动概率大于50%。

2.3.2心脏电流系数

上节所述时间/电流关系是考虑电流路径为“左手～脚”的情况，对其它电流路径，图2.1中的曲线仍然有效，但必须考虑一个心脏电流系数。

心脏电流系数表示当流过两个路径的电流值相同时，所考虑路径与“左手～脚”路径两种路径条件下，心脏中电流密度的比值。

这样，由下式计算出的某给定路径的电流所产生的心室颤动危险性与图2.1所给出的“左手～脚”路径电流引起的心室颤动危险性相等。

流过其它路径的电流可按下式计算：

式中：

Ix—某给定路径的电流；

Iref—“左手～脚”路径的电流；

F—心脏电流系数。

由IEC479－1给出的心脏电流系数见表2.2。

表2.2各种电流路径下的心脏电流系数

电流路径

心脏电流系数

左手～左脚、右脚或双脚

1.0

双手～双脚

1.0

左手～右手

0.4

右手～左脚、右脚或双脚

0.8

背～右手

0.3

背～左手

0.7

胸～右手

1.3

胸～左手

1.5

臀部～左手、右手或双手

0.7

3危险电压允许值的制订和修订历程

从1926年国际电话咨询委员会（CCIF）规定电信线路上危险影响电压允许值至今，危险影响电压允许值一直处在不断的修订之中。

1926年CCIF根据电信线路上防雷用避雷器的放电电压为350V，当送电线路故障时，为使该避雷器在感应电压下不放电，免受音响冲击，规定电信线路上感应电压允许值为300V。

1937年CCIF《导则》提出，计算感应电压时，短路电流应乘以0.7的系数，危险影响允许值仍为300V。

与1926年的规定相比，允许值相当于提高到了430V。

这是第一次修订。

同时还明确指出，该电压除防止避雷器放电产生音响冲击外，还具有直接保护人身安全的意义。

1954年CCIF采纳了“高可靠输电线路允许感应电压为650V，0.5s内故障切除”的建议。

该修改还指出，当感应电动势最大值大于650V时，若对地电压未超过650V，仍视为安全。

这是第二次修订。

1975年国际电报电话咨询委员会（CCITT）根据澳大利亚等国关于进一步修改感应电压允许值的提案，建议允许值提高到1000V，但由于受到一些国家的反对而未能通过。

1986年9月，我国在等效采用CCITT《导则》（1980－1984研究期）的基础上，既要确保人身和电信设备安全，又考虑我国的经济因素、历史情况和技术发展要求等具体情况，发布了GB6830－86《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》。

该标准规定强电线路为高可靠电力线时，电信明线上的纵电动势容许值为650V；强电线路为一般电力线或交流电气铁道接触网时，容许值为430V。

1992年9月，原邮电部发布的YD2002-92《长途通信干线电缆线路工程设计规范》中规定的强电影响允许标准采用GB6380－86的规定。

1994年4月，原电力工业部发布的DL5033－94《送电线路对电信线路危险影响设计规程》（即本次修订的原规程）中规定的危险影响允许值仍暂时采用GB6380－86的规定。

1996年10月，ITU－T（国际电信联盟电信标准化部门）按照WTSC（世界电信标准化大会）程序通过了由ITU－TGS5（第五研究组）在1993～1996年编写的K.33建议（Limitsforpeoplesafetyrelatedtocouplingintotelecommunicationssystemfroma.c.electricpoweranda.c.electrifiedrailwayinstallationsinfaultconditions，交流电力和交流电气化铁道装置在故障状态下对电信系统产生耦合时的人身安全限值）。

该建议考虑了人体生物因素、流经人体的电流路径、电路中的阻抗、所用的操作规程等因素，基于几十年来电信运营者所积累的经验和最近的研究成果，为了得到送电线路故障时间缩短所带来的利益，根据IEC出版物479－1（Effectsofcurrentspassingthroughthehumanbody，通过人体电流的影响），按故障持续时间长短不同而提出了相应的人身安全限值。

这是考虑人身安全时的危险影响允许值。

2000年2月，ITU－TSG5以临时文件TD57Rev1-E提出了K.53新建议草案（Valuesofinducedvoltagesontelecommunicationinstallationstoestablishtelecomanda.c.powerandrailwayoperatorsresponsibilities，确定电信运营者与交流电力及铁道运营者责任时用的电信装置上的感应电压值）。

该建议根据连接到电信线路的部件（元件）中的损耗与650V/0.5s（这一直用到现在）的损耗相同，导出了线路具有金属的信号导线或远距离供电的电信线路任何一点上的感应电压允许值，该允许值随电力线故障持续时间不同而不同。

这是考虑设备安全时的危险影响允许值。

该建议同时明确，如果线路的金属部件不用来传输信号或向设备供电，则电信线路任何一点上的感应电压允许值按K.33建议考虑。

2002年10月，ITU－TSG5会议同意了根据K.33和K.53建议提出的对1988年版《导则》第六卷的修订文本，该文本包括对5.4节感应电压允许值等内容的修订。

该修订得到了CIGRE（国际大电网会议）的同意，但UIC（国际铁道联盟）对修订的部分内容有意见。

2004年1月，ITU－TSG5会议根据UIC的意见，进一步讨论了对1988年版《导则》第六卷5.4节的修订内容，产生了TD56Rev.1文件，并获得SG5的批准。

该修订文件将1988年版《导则》第六卷5.4节规定的高可靠电力线感应电压允许值650V称为“基本允许电压”，在此基础上，进而增加了5.4.2节“持续时间与允许电压的关系”，即不同故障持续时间对应不同的允许值。

人身安全电压允许值见表3.1。

表3.1人身安全电压允许值

交流输电线路故障持续时间t（s）

允许电压（有效值）（V）

t≤0.1

2000

0.1

1500

0.2

1000

0.35

650

0.5

430

目前,与编写本《规定》相同步修订的电力行业标准《送电线路对电信线路危险和干扰影响设计规程》，也对危险电压允许值也进行了修订,推荐采用表3.1允许值。

4其它国家危险电压允许值

世界其它国家的危险影响电压允许值除采用CCITT《导则》提出的一般送电线路430V、高可靠送电线路650V/0.5s的允许值外，日本的允许值仍为一般送电线路300V、高可靠送电线路430V/0.5s，而澳大利亚、芬兰、前苏联等国的允许值比CCITT《导则》高，详见表4.1。

表4.1部分国家危险影响电压允许值

国家

允许值

一般送电线路

高可靠送电线路

澳大利亚

430

0.35s

0.5s

1500

1000

芬兰

0.2s

0.35s

1200

900

前苏联

木杆电缆或放电管接地电阻压降

0.15s

0.3s

0.6s

>0.6s

1300

1000

750

500

木杆明线

2000

1500

1000

750

多年来，包括允许值标准比CCITT《导则》高得多的澳大利亚和前苏联等国在内的世界各国的运行经验证明现行的电压允许值标准是安全的。

危险影响产生的概率与送电线路的故障率、故障发生的条件、送电线路与电信线路的相对位置关系、环境因素及电信线路的安装方式、技术特性、质量性能、运行维护水平等因素有关。

据粗略统计，在考虑电信线路为明线、送电线路长度为70km情况下，电信运行维护人员一年内触及500V以上感应电压的概率约为2.61×10-5，相当于全国范围内几十年甚至更长时间出现一次。

目前，电信明线正逐步被淘汰，长途线和本地网中继线均为光缆，用户线基本上都为HYA型电缆，因此，运行维护人员接触电信线路金属导体的机率更是大大减少。

国内几十年的运行中也未出现因送电线路故障在电信线路上感应危险影响电压而导致的人身伤亡事故。

这反过来又说明现行的危险影响电压允许值标准是保守的。

因此，从运行经验来看，提高危险影响电压允许值是可行和必要的。

5危险电压允许值

5.1直流输电线路故障电流特点

直流输电线路的故障电流，众多的文献资料都有描述。

它基本上不存在稳态周期分量，而只有暂态非周期分量。

这是由于直流输电系统内装有脉冲控制调节装置，如定电流调节器等。

当直流输电线路出现线路短路故障时，这些保护装置可以在5～10ms内迅速地限制和消除故障电流，所以短路电流的稳态值是很小的。

但是由于脉冲控制不是连续的，加上线路电容的放电作用，在故障的初始阶段，故障电流将会有较大的脉冲，其持续时间约为10～45ms，峰值一般可达到额定电流的2到6倍，为幅值随时间衰减而频率随时间略为增大的正弦波，整个振荡持续时间约为100ms，频率约20～40Hz。

典型的短路故障电流随时间变化曲线如图5.1。

5.2危险电压计算特点

计算直流输电线路对邻近电信线路的感应纵电动势E，公式原形采用了下列表达式：

式中：

E—电信线路上的感应纵电动势（V）;

Mi—接近段互感系数（mH/km）；

i（t）—来自直流输电线路上的短路电流（KA）。

关于di（t）/dt，它是一随时间变化的函数，为确保安全，在计算时采用了极大值。

所以，这里计算的感应纵电动势也具有极大值（峰值）。

特别需要提到的是，这一点和计算交流输电线路的感应纵电动势E（有效值），有不同的物理概念。

5.3危险电压允许值的建议

综上所述，根据以下几点，建议直流输电线路故障状态下对电信明线的危险电压允许值取3000伏（峰值）。

①直流输电线路的故障电流，在故障的初始阶段，故障电流有较大的脉冲，暂态值最大，其持续时间约为10～45ms，这个持续时间是极短的。

②对于交流输电线路的影响，ITU－T提出的K.33、K.53建议，ITU－TSG5对《导则》第六卷5.4节的修订文件（TD56Rev.1文件）表明，对于人身安全，当故障切除时间t≤0.1s时，危险电压允许值取2000伏（有效值）。

③计算直流输电线路对邻近电信线路的感应纵电动势，采用的是峰值，这一点和计算交流输电线路的感应纵电动势（有效值），有不同的物理概念，峰值与有效值存在一定换算关系。