高压交流电缆穿越海滨浴场区域人员安全风险的评估
2024-08-02 14:40:55
作者：鲍彦锋，李津，等 来源：腐蚀与防护
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海底电缆是海洋平台或海上风电场与陆地电连接必不可少的媒介。随着我国海上能源的加速开发，跨海输电需求随之上涨，海上风电及海上平台建设逐步形成规模化、集群化等特点，海底电缆得到大规模建设。
同时，滨海旅游、海水养殖、港口航运等产业不断增长，导致近海海域空间日益紧张，出现高压交流电缆穿越海滨浴场等人员密集区域的情况。
高压交流电缆会激发出较强电磁场，对周围的结构物和人员造成电磁干扰。随着电缆电压等级不断提高，电磁干扰问题愈发严重，尤其是在其发生故障时，高压电缆单相接地，故障点附近地面出现强电场，对人员安全造成严重威胁。
针对高压交流电缆对人员安全问题，国内外相关标准和组织提供了较多的参考，但关于人员安全风险的评价指标仅适用于土壤环境。海滨浴场环境复杂，浴场内人员可能浸没在海水中，而国内外针对水下环境中人员安全评估方法很少。
为了获得适用于水下环境的人员安全评估准则，中海油天津分公司联合北京科技大学的研究人员参考GB 16636-2008《潜水员水下用电安全规程》及GB/T 13870.1-2008《电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分》等标准，分别获得了海水环境中人员安全电流限值及人体阻抗，从而获得人体能承受的电场强度，利用该电场强度对海水环境中人员的安全风险进行了评估。然后，以某高压交流电缆穿越海滨浴场的实际案例为基础，建立了高压交流电缆的电磁干扰模型，采用跨步电压及电场强度两个指标分别评估了高压交流电缆的电磁干扰对陆上和水下人员安全的影响，并提出了相关缓解措施，为海滨浴场人员安全风险评估提供参考。
针对海滨浴场复杂的环境，分别在高压交流电缆稳态工况和故障工况下确定了陆上和水下的人员安全评价指标。
目前，国内外关于高压交流电缆稳态干扰下的人员安全电压还没有一个统一规定。各国标准中陆上人员安全接触电压的限值为15~60 V。
电气设备发生故障时，人手触及设备外壳，电流从手经过身体到脚与大地形成通路，手与脚之间的电位差即为接触电压；电流从脚经腿、胯部又到脚与大地形成通路，两脚之间的电位差即为跨步电压。二者本质上是相同的，均是电流流经人体时的电位差，只是流经人体的回路不同。
高压交流电缆附近没有金属结构物，故此处使用跨步电压对稳态运行时的人员安全风险进行评估。保守起见，取最低的15 V作为稳态情况下陆上人员安全电压限值。
人员水下作业应尽可能在切断外加电流装置系统供电电源的情况下进行，否则应首先检测附近水域的电场强度，利用电场强度对人员在海水环境中的安全风险进行评估，并采取相应的防护措施方可下水。水下的人员安全电场强度通过下式计算：
式中：E为人员安全电场强度，V/m；U为安全电压阈值，V；d为人员身高，m；I为人体安全电流，mA；ZT为人体总阻抗，Ω。
定义允许流过水下人员的最大电流为人体安全电流，水下高压交流电缆稳态运行情况下，取摆脱阈值电流作为人体安全电流。参考GB 16636-2008标准，对于50 Hz交流电流，人体摆脱阈值电流为9 mA。
水下人员的人体总阻抗包括皮肤阻抗和内部组织阻抗。为选择正确的人体总阻抗值，需要综合考虑以下因素：电流类型，电流流过人体的路径，电流和皮肤接触的表面积，电流所接触皮肤的表面状况（如盐水润湿、水润湿、干燥），接触电压的幅值以及电流的持续时间。
保守起见，取盐水润湿、大的接触表面积、50 Hz交流电流、手到手电流路径条件下人体总阻抗为水下人员的人体总阻抗。
此外，不同人的人体总阻抗有所不同。保守起见，根据GB/T 13870.1-2008标准中不同人口百分数人体总阻抗，取最低值575 Ω为人体总阻抗。
对于海缆稳态运行时水下人员的安全评估，取摆脱阈值电流作为人体安全电流，即9 mA，人体总阻抗取575 Ω，按照上述公式计算得到安全电压阈值为5.175 V。人员身高取2.0 m，按照上述公式计算得到电场强度为2.5875 V，近似取2.5 V/m作为稳态工况下水下人员安全电场强度。
在高压交流电缆故障工况下，以跨步电压安全限值作为陆上人员的安全评价指标。根据IEEE Standard 80-2013，体重为50 kg和70 kg的人体跨步电压安全限值分别按下式计算：
式中：Estep为跨步电压，V；Cs为表面降额系数，未使用保护表面层时Cs取1；ρs为土壤电阻率，Ω·m；ts为故障时间，s。
现场测得海滨浴场区域土壤电阻率为2 Ω·m，高压交流电缆故障排除时间为0.2 s，代入上式计算可得到：体重为50 kg的人体跨步电压安全限值为262 V；体重为70 kg的人体跨步电压安全限值为355 V。保守起见，取262 V为陆上人员的安全跨步电压。
在高压交流电缆故障工况下，人体安全电流与故障时间相关。参照GB 16636-2008标准中的人体允许安全电流曲线，电击持续时间为0.2 s时人体安全电流大概为50 mA。人体总阻抗取575 Ω，按式(2)计算得到安全电压阈值为28.75 V；然后，根据式(1)和2.0 m的身高计算得电场强度为14.375 V/m，近似取14 V/m作为故障工况下水下人员的安全电场强度。
我国某岸电工程拟新建一座220 kV陆地开关站以及一座220 kV海上变电站平台，并敷设连接各站点之间的电缆。
从海上平台至海岸线，海缆埋海深度逐渐变浅，至浴场附近海缆上岸，在接头工井处，三芯海底电缆转接为三相陆缆，然后连接至220 kV陆地开关站。
电缆沿线穿越一个海滨浴场，其相对位置如图1所示。穿越浴场区域海缆的总长度为352 m左右：从接头工井沿浴场北侧边缘先向西174 m，再向南横跨海滨浴场178 m。浴场范围内不存在任何金属结构物，现场测得海滨浴场环境中土壤电阻率为2 Ω·m。
为建立高压交流电缆电磁干扰模型，调研获得海、陆缆敷设路由、接头工井位置等基础信息，并收集了海、陆缆结构信息。此外，调研了海、陆缆接地方式以及220 kV开关站内接地网信息，包括接地网尺寸、垂直接地极数量等资料。
根据调研结果建立高压交流电缆电磁干扰模型，如图2所示。图中圈出区域为浴场区域，电缆周围不设置任何金属结构物，电缆结构、埋深等参数严格按照施工设计图纸进行模拟。
人员安全风险的评估指标主要为跨步电压及电场强度。陆上区域采用跨步电压作为评估指标；海滨浴场部分区域在涨潮时可能被海水浸没，该区域除跨步电压外还采用电场强度作为评估指标。
根据建立的海滨浴场区域高压交流电缆电磁干扰模型，计算电缆在稳态运行工况和故障工况下（单相缆芯护套短接故障、单相缆芯接地故障）的跨步电压及电场强度，对不同工况下的人员安全风险进行评估。
沿海平行于电缆建立观测线，观测点间距离为0.8 m。图3为稳态运行工况下电缆沿线跨步电压的模拟结果。
图3 稳态运行工况下陆上区域电缆沿线跨步电压的模拟结果
结果显示，稳态运行工况下，在陆缆每个接地点处跨步电压均会出现一个峰值，其中海陆缆接头工井处跨步电压最大，为0.12 V，小于15 V的人员安全电压，人员安全风险低。
海滨浴场区域约有61 m潮间带，根据稳态情况下跨步电压模拟结果进一步计算可能被海水浸没的涨落潮区域内的电场强度，评估水下人员安全风险，结果如图4所示。
图4 电缆稳态运行工况下涨落潮区域跨步电压和电场强度的模拟结果
由图4可见，在涨落潮区域跨步电压最大值为7.6×10-5 V，根据观测点间距离0.8 m计算获得电场强度最大值为9.5×10-5 V/m，小于稳态情况下的安全电场强度2.5 V/m，因此在该区域人员安全风险低。
在电缆沿线10个位置设置故障点，故障点位置如图5所示。其中，故障点6为接头工井所在位置，故障点7、8、9位于海滨浴场区域，故障点10位于涨落潮区域（可能被海水淹没）。
平行于海缆设置观测线，当电缆不同位置发生单相缆芯护套短接故障时，跨步电压计算结果如图6所示。
图6 不同位置单相缆芯护套短接故障工况下陆上区域电缆沿线跨步电压的模拟结果
结果显示，跨步电压分布结果相差不大（图中曲线几乎重合）。当不同位置处发生单相缆芯护套短接故障时，在陆缆每个接地点处跨步电压均出现一个峰值，最大跨步电压均出现在海陆缆接头工井处，且最大跨步电压不超过13.8 V，远小于故障工况下陆上人员安全跨步电压（262 V），故该区域人员安全风险低。
故障点10位于涨落潮区域，可能被海水淹没。当故障点10发生单相缆芯护套短接故障时，涨落潮区域跨步电压以及电场强度计算结果如图7所示。
图7 故障点10单相缆芯护套短接故障工况下涨落潮区域跨步电压和电场强度的模拟结果
结果表明，由于浴场涨落潮区域没有接地极，涨落潮区域发生单相缆芯护套短接故障时，该区域跨步电压不存在明显的峰值，最大为0.0089 V，对应的电场强度最大为0.011 V/m，该值远小于故障工况下水下人员安全电场强度（14 V/m），故该区域人员安全风险低。
平行于电缆设置观测线，当电缆不同位置发生单相缆芯接地故障时，电缆沿线跨步电压的模拟结果如图8所示。
图8 不同位置单相缆芯接地故障工况下陆上区域电缆沿线跨步电压的模拟结果
由图8(a)可见，在单相缆芯接地故障工况下，跨步电压峰值均出现在故障点所在的位置，不同故障点产生的跨步电压峰值相差不大，最大值约为178.5 V，小于故障工况下陆上人员安全跨步电压限值262 V。
以故障点1发生单相缆芯接地故障为例，将其附近跨步电压分布图放大，如图8(b)所示。可见在故障点附近，跨步电压出现明显峰值，但在远离故障点处，跨步电压骤降，在距离故障点10 m处，跨步电压就已降至8.0 V，在远离故障点30 m处，跨步电压仅为1.2 V。
为评估垂直于电缆方向跨步电压分布情况，在故障点位置垂直于电缆方向设置观测线。当电缆在故障点9处发生单相缆芯接地故障时，跨步电压的模拟结果如图9所示。
图9 故障点9单相缆芯接地故障工况下陆上区域垂直于电缆方向跨步电压的模拟结果
结果表明，此时跨步电压的模拟计算结果与平行于电缆观测线的模拟计算结果相差不大，跨步电压峰值位于故障点所在位置，远离故障点处跨步电压迅速降低，跨步电压最大值低于故障工况下陆上人员安全跨步电压限值262 V。
由此可见，当电缆不同位置发生单相缆芯接地故障时，陆上区域最大跨步电压均不超过人员安全跨步电压限值262 V，因此该区域人员安全风险低。
当浴场涨落潮区域（故障点10）发生单相缆芯接地故障时，平行于海缆方向跨步电压的模拟结果如图10(a)所示，观测点间的距离为0.8 m，计算获得海水浸没区域电场强度分布，如图10(b)所示。
图10 故障点10单相缆芯接地故障工况下涨落潮区域平行于电缆方向跨步电压和电场强度的模拟结果
可见，电场强度仅在故障点附近较高，该处跨步电压峰值约为165.9 V，电场强度最大值为207.4 V/m，远高于14 V/m的限值，此时若有人员浸没在海水中会有安全风险；远离故障点后电场强度下降很快，距故障点20 m处电场强度已降低至6 V/m。
为评估海滨浴场区域发生单相缆芯接地故障时垂直于海缆方向跨步电压分布情况，在故障点10位置处垂直于海缆方向设置观测线，跨步电压及电场强度的模拟结果如图11所示。
图11 故障点10单相缆芯接地故障工况下涨落潮区域垂直于电缆方向跨步电压和电场强度的模拟结果
结果表明：故障点处跨步电压最高，但小于262 V的限值；远离故障点后电场强度迅速降低，在远离故障点10 m处，电场强度降低至13.9 V/m，低于14 V/m的评估标准，此时人员安全风险低。由此可见，当电缆发生单相缆芯接地故障时，远离电缆10 m可有效降低人员安全风险。
为降低电缆发生单相缆芯接地故障时水下人员安全风险，考虑在涨落潮区域电缆正上方对称安装等电位连接的金属接地网，将海缆故障点附近电场强度降至安全水平。接地网不与任何结构连接，埋深为0.5 m，安装方式如图12所示。
其材料是扁铁，单根扁铁宽度为40 mm，厚度为4 mm。计算安装不同规格接地网后故障点周围电场强度。
当接地网尺寸为20 m×30 m、网格间距为1 m时，故障点周围电场强度的模拟结果如图13所示。
图13 故障点周围电场强度的模拟结果（20 m×30 m，网格间距1 m）
结果表明，接地网边缘大部分区域电场强度降低至19.01 V/m，部分区域为28.50 V/m，但仍高于14 V/m安全电场强度；在接地网内部区域，电场强度降低至4.78 V/m，但故障点附近电场强度仍较高，最大达到47.48 V/m。
当接地网增大为20 m×50 m、网格间距为1 m时，故障点周围电场强度的模拟结果如图14所示。
图14 故障点周围电场强度的模拟结果（20 m×50 m，网格间距1 m）
结果表明，接地网边缘大部分区域电场强度降低至14.02 V/m，部分区域为18.69 V/m，略高于安全电场强度，接地网内部区域降低至4.68 V/m，故障点附近电场强度最高为46.71 V/m。
当接地网尺寸为20 m×70 m、网格间距为2 m时，故障点周围电场强度的模拟结果如图15所示。
图15 故障点周围电场强度的模拟结果（20 m×70 m，网格间距2 m）
结果表明，此时接地网边缘大部分区域电场强度降低至12.51 V/m，小部分区域为24.97 V/m，接地网内部区域降低至12.51 V/m，但故障点附近电场强度有所提升，增大到124.61 V/m。
将20 m×70 m接地网的网格间距缩小至1 m，故障点周围电场强度的模拟结果如图16所示。
图16 故障点周围电场强度的模拟结果（20 m×70 m，网格间距1 m）
结果表明，此时接地网边缘绝大部分区域电场强度低于13.75 V/m，接地网内部区域电场强度低于4.59 V/m，而在故障点两侧3 m范围内电场强度较高，最大达到45.80 V/m，高于14 V/m的安全标准。安装上述规格接地网后，危险范围可缩小至故障点两侧3 m。
根据人员安全风险评估结果可知，当涨落潮区域电缆发生单项缆芯接地故障时，水下人员存在安全风险，可通过安装围栏将涨落潮范围内危险区域隔离。围栏上下限为涨潮最高水位线与退潮最低水位线。根据计算结果远离故障点10 m后，电场强度才降低至安全范围，因此围栏宽度应设为20 m即电缆两侧各10 m。安装20 m×70 m、网格间距1 m的接地网后，危险范围缩小至故障点两侧3 m，围栏宽度可减小至6 m即电缆两侧各3 m。
(1) 参考各标准，获得高压交流电缆稳态运行工况和故障工况下，陆上人员和水下人员的安全评价指标。根据海滨浴场周围环境以及电缆参数等资料调研结果，建立高压交流电缆电磁干扰模型，通过模型计算得到在电缆稳态运行工况和故障工况（单相缆芯护套短接故障、单相缆芯接地故障）下，浴场区域的跨步电压及电场强度，对不同工况下的人员安全风险进行评估。
(2) 当电缆稳态运行和发生单相缆芯护套短接故障时，陆上和浴场涨落潮区域人员安全风险均较低；但在单相缆芯接地故障工况下，人员安全风险较高，在故障点两侧跨步电压呈对称分布，远离故障点后电场强度迅速降低，远离故障点10 m后电场强度由207 V/m降至13.9 V/m，仅为故障点处的6.7%。
(3) 基于浴场区域人员安全评估结果，提出了在危险区域即海缆两侧10 m范围内增设防护围栏防止人员进入。另外，可以在海缆上方敷设等电位接地网。安装宽度20 m、长度70 m、网格间距1 m的接地网后，危险范围缩小至故障点两侧3 m，此时仅需在海缆两侧3 m范围内增设防护围栏。
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