为避免检修停电、提高供电可靠性，对500 kV超高压骨干网架输电线路的带电作业十分普遍^[1-2].目前，我国在交、直流各电压等级输电线路的带电作业有丰富的经验，针对作业过程中最小安全距离、最小组合间隙、作业工器具等问题已做了大量研究^[3-8].安全防护作为带电作业中的关键问题，长期受到研究者的重视，特别是在等电位作业中，进入强电场的方式关系到作业人员的人身安全^[9-10].同塔双回线路塔型结构和导线布置紧凑，空间电场分布复杂，尤其在耐张塔中，受导线大转角和跳线结构形式的影响，杆塔附近电场分布不均匀的现象更为突出，因此对500 kV同塔双回线路典型直线塔和耐张塔进入等电位过程的电场环境进行研究十分必要.

输电线路、杆塔和绝缘子的电场计算属于开域问题，场域内各构件结构复杂，尺寸比悬殊.有限元法适用于求解这种介质多样、边界条件复杂的模型，结合CAD软件，可实现对复杂模型的精细化仿真计算.文献[11]针对导线、杆塔、联板和相间作用等因素，比较了三维有限元全模型和简化模型对绝缘子串电场分布的影响.文献[12]采用静电场加载方法分析了特高压线路带电作业人员的体表场强.文献[13]采用边界元法分析了同塔4回线路带电作业人员的体表场强，但对计算模型进行较大的简化.上述研究成果为本文工作奠定了基础.

本文运用三维CAD软件和有限元分析软件对500 kV同塔双回线路典型直线塔和耐张转角塔进行混合建模.采用谐响应分析法，获得了杆塔附近的空间电场分布，计算了带电作业人员从杆塔沿不同路径进入等电位过程的电场环境，最后分析了人体处于强场区的体表场强，相关结果可为职业人员带电作业提供参考.

1 500 kV典型杆塔及有限元模型

选取交流500 kV同塔双回线路典型直线塔、耐张转角塔为研究对象，杆塔型号和主要参数见表 1.

图 1为直线塔SZ3和转角塔SJ4的计算模型，相导线垂直排列.由三维CAD软件SolidWorks建立杆塔、绝缘子串、均压环、屏蔽环等构件，模型与实际线路等比例.耐张塔跳线均采用软跳线，型号与导线相同，直径33.6 mm，分裂间距450 mm.内角侧跳线自然悬挂于线路两侧引流点，外角侧跳线通过两个跳线串连接至横担.

将实体模型导入ANSYS，对导线和跳线进行参数化建模.模型中的导线、跳线和均压环形状规则，采用20节点六面体单元通过扫掠形成结构化网格，其他构件采用10节点四面体单元进行自由网格划分，均压坏附近等关注区域网格划分密集.图 2为直线塔SZ3绝缘子串高压端的局部网格划分.

考虑到整体模型尺寸较大，各构件结构复杂，联板、悬垂线夹尺寸很小，剖分时易形成不规则单元，增加单元量.为提高计算效率，对计算模型作如下简化^{[11, 14]}：

1) 忽略避雷线的影响，三相导线长度取40 m，忽略导线弧垂，设置半径为100 m的半圆柱空气层模拟无穷大区域，产生的截断误差在工程允许范围之内；

2) 因塔身对电场存在屏蔽作用，不同相间绝缘子串的相互影响很小，计算人体表面场强时忽略其他相绝缘子串.

输电线路周围的低频(50 Hz)电场可近似为准静态场，采用ANSYS谐响应分析方法进行求解.A、B、C三相的相电压用复数形式表示为

式中：初相角θ取0°；U_m为系统最高运行电压的相电压幅值， .

谐响应分析的电场计算结果即为整个周期内的最大场强.考虑线路电气不平衡度和电磁环境的要求，计算时，各相导线按逆相序排列方式加载电位，对直接与导线相连的均压环、联板等构件按各相导线加载电位.地面、铁塔、绝缘子串低压端金具和空气层外边界加载零电位.

2 空间电场与进入电场路径分析 2.1 空间电场强度

根据几何和边界条件的对称性，可对计算模型的1/2进行分析以减小单元量.将各相电压按实、虚部进行加载并求解.两种塔型的电场分布如图 3所示.

分析图 3可知，计算域内高场强区集中在绝缘子串高压端附近，这也是等电位作业人员可能的工作位置.在远离导线的区域，场强迅速衰减，由电场强度等值线图可见，在4分裂导线外围，电场强度很快减小至300 kV/m以下.两种塔型中，塔身对空间电场的屏蔽作用十分明显，两回线路相间电场的相互影响较小.在同一回线路内，各相电场在靠近横担处被屏蔽，由于存在尖端效应，横担端部附近电场强度较大.

直线塔SZ3中，由于杆塔结构的对称性，电场呈对称分布.对转角塔SJ4而言，由于内角侧横担的长度相对外角侧较短，该侧空间电场受相间影响较大.外角侧横担的屏蔽作用较强，跳线上方因靠近横担端部，电场强度较大.

2.2 进入强电场路径分析

对输电线路进行等电位作业，首先须明确进入强电场的方式.常用的进入直线塔等电位的方式主要有：采用绝缘软梯或吊篮从塔身进入、采用软梯或吊篮从地面或杆塔外侧远方进入、采用绝缘硬梯从塔上侧方水平进入^[1].进入转角塔耐张串等电位，通常采用“跨二短三”法直接沿绝缘子串进入.

根据上节杆塔周围电场分布的特点，对两种塔型双回线路其中一回(转角塔为外角侧)进行分析，在图 4所示的路径中，提取作业人员进入等电位过程的场强分布：

1) 对于SZ3中的悬垂串和SJ4的跳线串，在对称面上选取起于塔身到距离分裂导线中心0.5 m的两条路径.

2) 在SJ4耐张串正上方0.5 m处，沿绝缘子串选取起于跳线引流点到横担上方的水平路径.

3) 对两种塔型的下相导线，另选取起于跳线引流点正下方、长20 m的竖直路径.

图 5给出部分路径上的电场分布曲线.

1) 对直线塔SZ3，沿水平和斜角路径进入同一相等电位的电场分布基本一致.但在不同相之间，导线对塔身的电气距离为上相 < 下相 < 中相，导致进入上相等电位的路径ZA1、ZA2上场强较大，而下相次之，中相最小.为清晰起见，仅列出A相各路径的电场分布曲线，如图 5(a)所示.

2) 对转角塔SJ4，同一相两条路径上电场分布基本一致.在不同相之间，虽然各相导线对杆塔的距离与直线塔SZ3有相似的规律，但区域内的电场强度更大程度上受跳线的影响，因此三相各路径上的电场分布没有如SZ3那样有较明显的差异.其中A相各路径的电场分布曲线如图 5(b)所示.

3) 对下相的等电位作业，也可借助软梯从导线下方攀爬进入强电场，两种塔型垂直路径上的电场分布如图 5(c)所示.下相导线周围场强只受到上方横担和右侧塔身的影响：随离导线距离的增大，电场强度近似呈1/r趋势迅速减小.

分析图 5中的电场分布特点，可知：

1) 作业人员在接近相导线进入等电位的过程中，周围电场环境不断变化，距离越小场强增加越快.

2) 作业人员从塔身沿不同路径进入悬垂串(SJ4为跳线串)等电位过程的电场强度差异很小.由于路径选取在对称面上，距两侧的跳线引流段距离较远，JA1和JA2上场强变化规律与直线塔SZ3相似，路径上的最大场强约为180 kV/m，此时应注意该过程中形成的“跳线-人体-横担或塔身”组合间隙是否满足安全距离的要求.采用该种方式进入等电位所需的工器具较多，操作繁杂，尤其中相横担较宽，需要较长的绝缘硬梯才能到达导线，增加了绝缘硬梯本身重量，固定工作较为困难.

3) 沿耐张串进入等电位，由于绝缘子串上的电位分布不均匀，路径TA上对应于耐张串高压端的上方出现明显的波峰，低压端上方也有所增高.路径上的最大场强约为195 kV/m.

4) 图 5(c)中，各垂直路径上高场强区集中在导线附近的小范围内，最大场强约120 kV/m.在转角塔路径TC2的前段，受跳线的影响，其场强高于直线塔ZC3.若采用该方法沿垂直路径进入等电位，作业人员须进行长距离攀爬，而500 kV线路的塔身较高(计算对象直线塔SZ3呼高30 m，转角塔SJ4呼高27 m)，导致劳动强度太大，不利于后续的作业.

3 作业人员的体表场强

带电作业过程中，人体的介入将改变原空间电场分布，某些尖端部位的场强会发生明显畸变.有文献指出，500 kV线路地面1 m处实测场强10 kV/m时，头顶局部场强已高达180 kV/m^[10].以直线塔SZ3下相导线等电位作业为例，分析作业人员经水平路径ZC2从塔身沿硬梯爬入强电场区的体表场强.等电位人员面向分裂导线，头部不超过高压端均压环，双手向前伸出，手臂前端距离悬垂串的垂直距离为0.8 m.

在进入等电位之前，人体为浮动电位体，由于穿戴全套屏蔽服，可视为等电位体处理，计算时对其进行电位自耦合.加载最高运行电压，作业人员体表场强如图 6所示.表 2给出体表各部位电场强度的分布区间.从图 6和表 2可以看出，当作业人员十分接近导线时，最大电场强度出现在手尖部位，头顶与腿部前端的场强也明显增大.体表大部分区域场强小于900 kV/m.

带电作业用屏蔽服的性能可由屏蔽效能来表征^[15]，表示为

式中：SE为屏蔽效率，dB；U_ref和U分别为屏蔽前后接收电极的电压值，V.

根据式(2)，若作业人员穿戴常规的屏蔽效率为40 dB的屏蔽服，服内场强约为服外场强的1/100，能满足GB/T 6568-2008标准规定的小于15 kV/m要求.作业人员胸前区域因受到双手和腿部的部分屏蔽，场强较小，但头顶与面部的最大场强大于300 kV/m，根据相关标准带电作业人员局部裸露部位的最大场强应小于等于240 kV/m的规定^[15]，建议在等电位作业过程中加戴面部屏蔽罩.

此外，人体尖端部位的畸变电场还可能对空气间隙的绝缘强度产生影响，根据国内对大于500 kV电压等级组合间隙特性的大量实验，当人体距离导线0.4 m左右时，组合间隙的击穿电压最低^[16].考虑到转移电位时的活动范围，实际的组合间隙距离可能更小，因此在现场作业时，作业人员应在确保安全距离的基础上，迅速进入等电位.

4 结论

1) 通过CAD软件建立模型中不规则构件精细模型，通过有限元软件建立导线和跳线，进行合理简化，提高了计算效率.该方法也适用于其他设备的电场计算问题.

2) 杆塔附近空间电场分布主要受相间影响和塔身的屏蔽作用，耐张塔还受两侧悬链状跳线的影响.

3) 对比两种塔型，从塔身沿不同路径进入导线等电位过程的场强变化规律相似.耐张塔中应注意“跳线-人体-横担”组合间隙是否满足安全距离的要求.

4) 作业人员进入强电场区，手尖和头部场强显著增高，胸腹部场强较小.面部最大场强大于240 kV/m，建议加戴面部屏蔽罩以满足安全防护要求.