不同導(dǎo)線排列下500 kV輸電線路直升機(jī)帶電作業(yè)平臺侵入路徑

劉 超，阮江軍，杜志葉，廖才波，龍明洋

（武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

500 kV交流輸電線路成為我國電力輸送的主干網(wǎng)絡(luò)，與之對應(yīng)的帶電作業(yè)和維護(hù)也成為了該領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題［1］。除了針對常規(guī)帶電作業(yè)項(xiàng)目的研究外，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要是對帶電作業(yè)工具進(jìn)行研制和應(yīng)用，包括直升機(jī)應(yīng)用與帶電作業(yè)、帶電作業(yè)機(jī)械手、帶電水沖洗系統(tǒng)和新型的檢測儀器及安全防護(hù)工具［2］。其中，應(yīng)用直升機(jī)帶電作業(yè)已成為當(dāng)前趨勢，其主要應(yīng)用于巡線、架線、輸電線路快速安全檢修及帶電水沖洗。

國內(nèi)對直升機(jī)帶電作業(yè)開展的相關(guān)研究和應(yīng)用始于2000年左右，直升機(jī)帶電水沖洗于2004年在南方電網(wǎng)首次試點(diǎn)成功，隨后國網(wǎng)也于2006年完成了帶電水沖洗作業(yè)［3-5］。2007年，國網(wǎng)采用直平臺作業(yè)法，通過一臺Bell206型直升機(jī)進(jìn)行了500 kV交流輸電線路邊相的帶電作業(yè)試驗(yàn)。2010年，湖北省電網(wǎng)公司采用MD500E型直升機(jī)，進(jìn)行了地線防振錘、標(biāo)志球的安裝和更換等項(xiàng)目的帶電作業(yè)［6-10］。清華大學(xué)的學(xué)者利用直升機(jī)縮比模型試驗(yàn)研究了直升機(jī)對交流導(dǎo)線周圍空間電場畸變的影響［11-12］。武漢大學(xué)和中國電科院的研究人員展開合作，對三角形導(dǎo)線排列下的1000 kV輸電線路直升機(jī)帶電作業(yè)侵入路徑進(jìn)行了仿真研究，并最終通過實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的可行性［13］。

直升機(jī)帶電作業(yè)的研究源于國外，通常可分為平臺法和吊籃法。1981年，Michael Kurtgis在沙特實(shí)現(xiàn)了世界上首次直升機(jī)與300 kV輸電線路等電位，采用的是Bell206型直升機(jī)。1983年，美國一家公司通過一臺MD500型直升機(jī)與500 kV線路進(jìn)行了等電位連接。1991年，美國電科院通過大量的試驗(yàn)得出了在線電壓800 kV的情況下，中相和邊相直升機(jī)帶電作業(yè)的最小安全距離［14-15］。

綜上可知，目前500 kV直升機(jī)帶電作業(yè)已在各省電網(wǎng)得到了一定的應(yīng)用，針對1000 kV特高壓交流輸電線路的直升機(jī)帶電作業(yè)侵入路徑等的相關(guān)研究也已初步展開。隨著500 kV超高壓輸電線路成為我國的主干輸電網(wǎng)絡(luò)，關(guān)于其直升機(jī)帶電作業(yè)侵入路徑方面的細(xì)分研究顯得很有必要。本文針對500 kV交流輸電線路幾種常見塔形對應(yīng)的導(dǎo)線排列形式，建立了直升機(jī)平臺和導(dǎo)線的計算模型，通過有限元電場仿真的方法，綜合考慮各方面因素，對各導(dǎo)線排列方式下的直升機(jī)帶電作業(yè)侵入路徑提出了對應(yīng)的參考方案。

1 建模對象

1.1 直升機(jī)及作業(yè)人員計算模型

目前，國際上通過了500 kV等電位試驗(yàn)認(rèn)證的機(jī)型主要有Bell206型和MD500型。MD500系列機(jī)型相對Bell206系列較為小巧，適合超高壓線路的相間帶電作業(yè)［17］。本文以MD500型直升機(jī)為帶電作業(yè)機(jī)型，其幾何參數(shù)圖詳見文獻(xiàn)［13］中的圖1。

操作人員的模型主要參考GB10000—88《中國成年人人體尺寸》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［18］。在建模時需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，模型的簡化主要參考文獻(xiàn)［13］中的方法，最終確定作業(yè)人員的主要模型數(shù)據(jù)詳見文獻(xiàn)［13］中的表 1。

1.2 導(dǎo)線排列模型

500 kV輸電線路存在多種桿塔類型，其對應(yīng)著不同的導(dǎo)線排列形式：貓頭型直線塔和干字型耐張塔的三相導(dǎo)線為三角形排列；酒杯型直線塔和門型塔的三相導(dǎo)線為水平排列；同塔雙回直線塔每回的三相導(dǎo)線為豎直排列［19］。據(jù)此，500 kV交流輸電線路導(dǎo)線排布主要可以分為三角形排列、水平排列和豎直排列3種形式，其排列結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 導(dǎo)線排列形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of conductor arrangement patterns

500 kV交流輸電線路常用的導(dǎo)線為四分裂導(dǎo)線，故本文建模的對象為LGJ-400/35型導(dǎo)線，其子導(dǎo)線直徑為26.8 mm，分裂間距為400 mm。各相導(dǎo)線之間及導(dǎo)線對地之間的距離依據(jù)實(shí)際的500 kV交流輸電線路導(dǎo)線參數(shù)設(shè)定，具體如表1所示。

表1 導(dǎo)線相間及對地距離Table1 Inter-conductor distances and conductor-ground distances m

2 有限元模型

直升機(jī)帶電作業(yè)平臺在侵入導(dǎo)線路徑上的電場分析，實(shí)質(zhì)等同于空間懸浮電位對導(dǎo)線周圍電場畸變程度影響分析［16］，其可通過電磁場有限元計算解決。該有限元模型的計算域包括直升機(jī)帶電作業(yè)平臺、操作人員、三相導(dǎo)線、大地及周圍整個剩余空間。

考慮到計算量的問題，原本在無限遠(yuǎn)處的零電位邊界面被截斷至與直升機(jī)帶電作業(yè)平臺前、后、左、右以及上方相距100 m的平面處，這5個平面和地面共6個平面所包含的空間構(gòu)成了近似的整體有限元計算域。上述6個平面即為計算域的邊界面，與導(dǎo)線平行的4個平面為零電位邊界條件，與導(dǎo)體垂直的2個平面為自然邊界條件；三相導(dǎo)線在某一時刻的電位是確定的，可固定其電位自由度；直升機(jī)帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員可視作等勢體，耦合其電位自由度作為約束條件。

根據(jù)ANSI/IEEE Std 516—1995有關(guān)直升機(jī)帶電檢修作業(yè)最小安全距離的要求，對于500 kV交流輸電線路，直升機(jī)帶電作業(yè)平臺和相鄰帶電體之間的最小安全距離為6.7 m［20］。因此，在安全距離范圍內(nèi)的侵入路徑研究更有意義。考慮到裕度問題，本文主要研究直升機(jī)帶電作業(yè)平臺與導(dǎo)線之間的距離小于8 m時的直升機(jī)帶電作業(yè)侵入路徑。

在懸浮電位情況下，為了分析直升機(jī)帶電作業(yè)平臺在不同侵入路徑下的操作平臺及操作人員表面電場情況，分別對直升機(jī)帶電作業(yè)平臺處于空間不同位置，即與導(dǎo)線呈不同角度（分別為 0°、15°、30°、45°和60°）以及與導(dǎo)線距離不同（分別為3 m、5 m和8 m）的情況建模進(jìn)行電場分析，不同路徑下的計算位置選取如圖2所示。需要說明的是，直升機(jī)帶電作業(yè)平臺在侵入導(dǎo)線時，由于周圍還存在鄰相的導(dǎo)線，所以還要特別注意直升機(jī)不能觸碰到鄰相的導(dǎo)線。對于不同導(dǎo)線排列類型的輸電線路，在實(shí)際操作過程中上述路徑并不一定全部可行，這在后續(xù)的計算和分析中也會予以考慮。

圖2 直升機(jī)帶電作業(yè)平臺不同角度侵入路徑Fig.2 Different approaching angles of HLLWP

在直升機(jī)機(jī)身下側(cè)建立與滑撬相連的操作平臺，具體模型參考文獻(xiàn)［13］。直升機(jī)帶電作業(yè)平臺位于邊相導(dǎo)線附近某位置時的計算模型如圖3所示。

圖3 500 kV交流輸電線路直升機(jī)帶電作業(yè)平臺計算模型Fig.3 Calculation model of HLLWP for 500 kV AC transmission lines

3 直升機(jī)帶電作業(yè)平臺侵入路徑分析

3.1 水平排列電場仿真分析

帶電作業(yè)過程中，作業(yè)人員身著屏蔽服、屏蔽帽、屏蔽手套及腳套，需對人體表面進(jìn)行導(dǎo)體處理。從0°路徑侵入500 kV交流輸電線路邊相時，直升機(jī)帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員表面的電場如圖4所示。

由圖4可以知道，當(dāng)直升機(jī)接近導(dǎo)線時，直升機(jī)帶電作業(yè)平臺和作業(yè)人員表面的電場強(qiáng)度值都在增大。當(dāng)直升機(jī)帶電作業(yè)平臺與導(dǎo)線的距離分別為3m、5m和8m時，整體電場強(qiáng)度的最大值分別約為 567 kV/m、413 kV/m 和 268 kV/m，位置均在靠近導(dǎo)線側(cè)的機(jī)翼末端；作業(yè)人員電場強(qiáng)度的最大值分別約為 483 kV/m、291 kV/m 和 171 kV/m，位置均在作業(yè)人員的手尖。由于在分析侵入路徑時，關(guān)注的是不同角度下的電場強(qiáng)度相對大小，所以對手和腳模型的端部進(jìn)行了半球化的近似處理。這樣的處理會影響不同角度下的絕對電場強(qiáng)度大小，但不會影響不同角度下的相對電場強(qiáng)度大小。由于模型上半球化的處理，作業(yè)人員的手尖出現(xiàn)電場強(qiáng)度最大值是因?yàn)榕c導(dǎo)線的距離近，而非尖端放電導(dǎo)致，這也排除了尖端放電對侵入路徑分析的影響。

圖4 直升機(jī)帶電作業(yè)平臺以0°侵入邊相導(dǎo)線時的電場分布Fig.4 Electric fields when approaching angle of HLLWP to side-phase conductor is 0°

在不同的侵入角度下，分別對直升機(jī)帶電作業(yè)平臺進(jìn)行電場分析，可得到不同侵入角度下的最大電場強(qiáng)度值如表2所示，其最大電場強(qiáng)度隨侵入角度的變化曲線如圖5所示。

從圖5中可以明顯看出，隨著侵入角度的增大，直升機(jī)帶電作業(yè)平臺電場強(qiáng)度最大值沒有呈現(xiàn)單一減小的趨勢。直升機(jī)帶電作業(yè)平臺的電場強(qiáng)度最大值在侵入角度從0°變化到37.5°的過程中呈現(xiàn)減小的趨勢，在侵入角度從37.5°變化到60°的過程中呈現(xiàn)增大的趨勢。若以直升機(jī)作業(yè)平臺場強(qiáng)為參考依據(jù)，應(yīng)選擇從15°到37.5°之間侵入比較好。

表2 直升機(jī)帶電作業(yè)平臺以不同角度侵入邊相導(dǎo)線時的電場強(qiáng)度最大值Table2 Maximum electric field intensities for different approaching angles of HLLWP to side-phase conductor

圖5 直升機(jī)帶電作業(yè)平臺最大場強(qiáng)隨侵入角度的變化曲線Fig.5 Curves of maximum electric field intensity of HLLWP vs.approaching angle to side-phase conductor

為尋找最優(yōu)侵入路徑，作業(yè)人員表面電場強(qiáng)度也要作為考量因素。作業(yè)人員各部位電場強(qiáng)度最大值與侵入路徑的關(guān)系如圖6所示。

圖6 直升機(jī)帶電作業(yè)平臺以不同角度侵入邊相導(dǎo)線時，作業(yè)員電場最大值Fig.6 Curves of maximum electric field intensity of worker vs.approaching angle to side-phase conductor

綜合分析直升機(jī)帶電作業(yè)平臺和作業(yè)人員表面電場強(qiáng)度變化的規(guī)律，建議選取15°作為邊相帶電作業(yè)侵入角度。

上文已經(jīng)研究了邊相懸浮電位情況下5種不同侵入角度時的電場強(qiáng)度，并以此為依據(jù)給出了侵入路徑的參考建議。由于水平導(dǎo)線排列方式下，兩邊相具有電氣和結(jié)構(gòu)上的對稱性，只需要對某一邊相進(jìn)行研究。但對于中相而言，附近空間電場分布與邊相具有差異性，因此有必要對中相導(dǎo)線侵入路徑進(jìn)行分析。

在中相導(dǎo)線侵入路徑的選擇上，需要注意的是中相和邊相導(dǎo)線之間的距離為11m，且在同一水平高度上，以0°和15°的角度侵入導(dǎo)線是不可行的，因此只能考慮30°～60°的侵入角。按照與邊相相同的方法進(jìn)行仿真分析，最終建議實(shí)際操作過程中以約45°的角度侵入。

3.2 其他導(dǎo)線排列方式下的侵入路徑分析

對三角形排列形式下的導(dǎo)線進(jìn)行侵入路徑分析，與水平排列導(dǎo)線思路大體一致，都需要單獨(dú)分析邊相和中相時的侵入路徑。不同之處在于，中相導(dǎo)線比邊相導(dǎo)線高9m，在對中相導(dǎo)線進(jìn)行侵入路徑分析時，0°～60°的侵入角都是可行的。通過有限元電場分析，可以得到各路徑點(diǎn)處的直升機(jī)帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員表面電場強(qiáng)度，具體的結(jié)果不再贅述。最終可以得到三角形排列形式下，邊相導(dǎo)線的建議侵入角為15°，中相導(dǎo)線的建議侵入角為30°。

同塔雙回桿塔情況下的豎直排列導(dǎo)線，其侵入路徑初步分析如下。首先同塔雙回桿塔具有對稱結(jié)構(gòu)，假設(shè)左右兩回線路的相序排列一致，則只需要對某一側(cè)進(jìn)行研究即可。上相受到外側(cè)上方地線的影響，直升機(jī)帶電作業(yè)平臺只能從導(dǎo)線內(nèi)側(cè)侵入。由于左右兩回線路之間的距離較近，侵入角只能考慮30°～60°的情況。中相和下相外側(cè)空間空曠，因此0°～60°的侵入角都是可行的。通過有限元電場分析，可以得到各路徑點(diǎn)處的直升機(jī)帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員的表面電場強(qiáng)度，具體的結(jié)果本文不再贅述。最終可以得到豎直排列形式下，上相導(dǎo)線的建議侵入角為30°，中相導(dǎo)線的建議侵入角為15°，下相導(dǎo)線的建議侵入角為0°。

將3種導(dǎo)線排列形式下的建議侵入路徑分析結(jié)果進(jìn)行匯總，如表3所示。

表3 不同導(dǎo)線排列形式下的建議侵入路徑Table3 Suggestive approaching paths of HLLWP for different conductor arrangements

根據(jù)文獻(xiàn)［13］中的實(shí)驗(yàn)及分析，通過建立直升機(jī)帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員有限元模型并進(jìn)行電場仿真得到直升機(jī)帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員的表面電場強(qiáng)度是與實(shí)驗(yàn)測量方法所得結(jié)果相吻合的，從而證明了仿真模型的可靠性。本文的研究內(nèi)容未直接開展驗(yàn)證試驗(yàn)，但是采用的人體及直升機(jī)帶電作業(yè)平臺模型與文獻(xiàn)［13］一致，因此仿真的結(jié)果及對應(yīng)的分析結(jié)論也是可靠的。

4 結(jié)論

本文建立了直升機(jī)帶電作業(yè)平臺侵入導(dǎo)線模型，并進(jìn)行了電場仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對3種不同導(dǎo)線排列方式下500 kV交流輸電線路直升機(jī)平臺法帶電作業(yè)侵入路徑進(jìn)行研究分析，最終給出了各相的建議侵入路徑。

在對同塔雙回豎直排列導(dǎo)線侵入路徑研究的過程中，給出了左右兩回輸電線路相序一致的假設(shè)條件。但實(shí)際過程中兩回導(dǎo)線是相對獨(dú)立的，且存在著換相，因此后續(xù)還需對兩回不同相序排列情況下的侵入路徑進(jìn)行深入研究。

［1］舒印彪，胡毅.特高壓交流輸電線路的運(yùn)行維護(hù)與帶電作業(yè)［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（6）：1-4.SHU Yinbiao，HU Yi.Maintenance and live working technology for ultra high voltage transmission line［J］.High Voltage Engineering，2007，33（6）：1-4.

［2］胡毅.輸配電線路帶電作業(yè)技術(shù)的研究與發(fā)展［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（11）：1-10.HU Yi.Research and development of live working technology on transmission and distribution lines［J］.High Voltage Engineering，2006，32（11）：1-10.

［3］李國興.我國直升機(jī)電力作業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電力設(shè)備，2006，7（3）：41-45.LI Guoxing.Present situation and development of helicopter power job in China［J］.Electric Power Construction，2006，7（3）：41-45.

［4］尚大偉.華北電網(wǎng)直升機(jī)電力作業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電力設(shè)備，2007，8（4）：33-35.SHANG Dawei.Present situation and development of power job with helicopter in North China Power Grid［J］.Electric Power Construction，2007，8（4）：33-35.

［5］汪駿，沈建，陳方東，等.直升機(jī)水沖洗帶電超高壓輸電線路絕緣子［J］.電力建設(shè)，2007，28（7）：36-39.WANG Jun，SHEN Jian，CHEN F angdong，et al.Live EHV transmission line insulator flush using helicopter［J］.Electric Power Construction，2007，28（7）：36-39.

［6］李豫，李靖.直升機(jī)帶電作業(yè)方法及作業(yè)機(jī)型的比較分析［J］.華中電力，2011，24（3）：20-24.LI Yu，LI Jing.Comparison research of working methods and platforms in helicopter live line maintenance［J］.Central China Electric Power，2011，24（3）：20-24.

［7］李豫，李靖.直升機(jī)帶電作業(yè)的現(xiàn)狀、技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展趨勢［J］.華中電力，2011，24（1）：18-22.LI Yu，LI Jing.Status quo，technical difficulties and development tendency of helicopter live-line maintenance［J］.Central China Electric Power，2011，24（1）：18-22.

［8］于德明，沈建，汪駿.直升機(jī)作業(yè)在電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)中的研究與應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（6）：107-112.YU Deming，SHEN Jian，WANG Jun.Research and application of helicopter in patrol and hotline operating maintenance of power lines［J］.Power System Technology，2009，33（6）：107-112.

［9］張柯，李海峰，王偉.淺議直升機(jī)作業(yè)在我國特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（6）：45-46.ZHANG Ke，LI Haifeng，WANG Wei.Analysis of helicopter patrol application prospect in China’s UHV grid ［J］.High Voltage Engineering，2006，32（6）：45-46.

［10］肖慶初，鄧華，趙維諺.高海拔緊湊型500 kV線路直升機(jī)帶電作業(yè)［J］.云南電力技術(shù)，2012，40（2）：50-51.X I AO Qingchu，DENG Hua，ZHAO Weiyan.Helicopter live-line work to 500 kV transmission lines in high altitude region ［J］.Yunnan Electric Power，2012，40（2）：50-51.

［11］YU Deming，WAN Shuwei，CHEN Fangdong.The effect of floating-potential conductors on the electric field near overhead transmission lines［J］.Journal of Electrostatics，2012，70（3）：339-345.

［12］HARRIS E L，RINDALL B D，TARKO N J，et al.The effect of a helicopter on DC fields and ions［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8（4）：1837-1840.

［13］劉超，阮江軍，廖才波，等.1000 kV特高壓交流輸電線路直升機(jī)平臺法帶作業(yè)侵入路徑［J］.電力自動化設(shè)備，2015，35（6）：64-70.LIU Chao，RUAN Jiangjun，LIAO Caibo，et al.Approaching paths of helicopter live-line work platform to 1000 kV UHV AC transmission lines［J］.Electric Power Automation Equipment，2015，35（6）：64-70.

［14］IEEE Task Force 15.07.05.05.Recommended practices for helicopter bonding procedures for live-line work［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15（1）：333-349.

［15］IEEE Task Force 15.07.05.05.Helicopter operator qualifications for line work［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15（1）：326-332.

［16］金建銘.電磁場有限元方法［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998：15-22.

［17］汪駿，沈建，陳方東，等.超高壓輸電線路直升機(jī)帶電檢修［J］.電力設(shè)備，2008，9（11）：41-44.WANG Jun，SHEN Jian，CHEN Fangdong，et al.Helicopter liveline overhaul on EHV power transmission line［J］.Electrical Equipment，2008，9（11）：41-44.

［18］國家技術(shù)監(jiān)督局.中國成年人人體尺寸：GB10000—88［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

［19］沈建，尚大偉，劉偉東，等.直升機(jī)電力作業(yè)對維修的特殊要求與應(yīng)對措施［J］.航空維修與工程，2010，17（6）：47-50.SHEN Jian，SHANG Dawei，LIU Weidong，et al.The special maintenance requirements and measures of helicopter power network operation［J］.Aviation Maintenance and Engineering，2010，17（6）：47-50.

［20］韓昊，陳達(dá)，翁永春.直升機(jī)帶電作業(yè)的安全距離評估［J］.湖北電力，2010，34（5）：33-35.HAN Hao，CHEN Da，WENG Yongchun.The safety distance assessment for helicopter live working［J］.Hubei Electric Power，2010，34（5）：33-35.