杜 勇,唐開平,彭 勇,龍 飛,李 明,武 藝
(1.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司,湖北 武漢 430050;2.中國電力科學(xué)研究院,湖北 武漢 430074;3.國網(wǎng)通用航空有限公司,北京 102209)
特高壓線路直升機(jī)帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移試驗(yàn)及安全防護(hù)
杜 勇1,唐開平1,彭 勇2,龍 飛1,李 明1,武 藝3
(1.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司,湖北 武漢 430050;2.中國電力科學(xué)研究院,湖北 武漢 430074;3.國網(wǎng)通用航空有限公司,北京 102209)
特高壓交直流線路直升機(jī)帶電作業(yè)是一種先進(jìn)的電網(wǎng)檢修技術(shù),主要有懸吊法和平臺(tái)法兩種方式。通過開展特高壓線路直升機(jī)帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移試驗(yàn),獲取了電位轉(zhuǎn)移電流大小和分布特性,其脈沖電流幅值可達(dá)1 400 A以上,獲取了進(jìn)入等電位過程中臨界起弧距離,平均值為0.97 m,并采取了特高壓專用型電位轉(zhuǎn)移棒和屏蔽服等防護(hù)措施,為直升機(jī)帶電作業(yè)的安全開展提供技術(shù)支撐。
特高壓;直升機(jī);帶電作業(yè);懸吊法;平臺(tái)法;電位轉(zhuǎn)移電流;安全防護(hù)
直升機(jī)帶電作業(yè)是當(dāng)前世界上少數(shù)發(fā)達(dá)國家在電網(wǎng)維護(hù)檢修中采用的作業(yè)手段,具有作業(yè)快速高效的特點(diǎn)[1]。目前,國外僅具備500 kV電壓等級(jí)及以下的作業(yè)能力,由于我國特高壓交直流電網(wǎng)的飛躍發(fā)展,在特高壓直升機(jī)帶電作業(yè)領(lǐng)域也實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破,已走在世界的前列。特高壓交直流線路直升機(jī)帶電作業(yè)是一種先進(jìn)的帶電作業(yè)方式,安全性方面需重點(diǎn)考慮特高壓環(huán)境下的帶電作業(yè)體(飛機(jī)、作業(yè)平臺(tái)或吊籃、人員)進(jìn)入電位時(shí)的電位轉(zhuǎn)移電流大小及安全防護(hù)措施等。
目前,國內(nèi)外已開展了超高壓及以下線路的直升機(jī)帶電作業(yè)應(yīng)用,中國已率先進(jìn)行了特高壓直升機(jī)帶電作業(yè)技術(shù)研究和應(yīng)用。直升機(jī)帶電作業(yè)方法主要有懸吊法和平臺(tái)法。懸吊法是通過絕緣繩(桿)或吊籃,將作業(yè)人員或設(shè)備送至線路作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行帶電作業(yè)的方法,按具體工作方式又細(xì)分為吊索法和吊籃法。由于吊索法僅僅將人或工器具和材料直接吊入作業(yè)點(diǎn),而吊籃法還具有在作業(yè)點(diǎn)施工作業(yè)的能力,吊籃法更具有典型性。(在無特殊情況下本文主要以吊籃法作為懸吊法的典型來進(jìn)行分析。)平臺(tái)法是在直升機(jī)機(jī)腹設(shè)置工作平臺(tái),直升機(jī)攜帶乘坐在工作平臺(tái)上的作業(yè)人員直接接觸帶電導(dǎo)線并進(jìn)行等電位作業(yè)。[1-5]
懸吊法和平臺(tái)法是直升機(jī)帶電作業(yè)優(yōu)勢互補(bǔ)的兩種作業(yè)方式,各自特點(diǎn)比較如下:
(1)懸吊法帶電作業(yè)對直升機(jī)機(jī)型及機(jī)體尺寸沒有特定要求,但需要直升機(jī)的安全穩(wěn)定性更高,因而一般要求使用多發(fā)直升機(jī)。同時(shí),具有更大的任務(wù)載荷量,可以滿足大型直升機(jī)帶電作業(yè)的要求。
(2)平臺(tái)法帶電作業(yè)因直升機(jī)和作業(yè)人員作為整體進(jìn)入等電位,能更精準(zhǔn)定位作業(yè)工位,其作業(yè)效率更高。一般要求靈活輕巧的直升機(jī),對飛機(jī)駕駛員和作業(yè)人員的要求更高,相應(yīng)作業(yè)任務(wù)荷載受限制,如桿塔塔頭等部位因直升機(jī)進(jìn)入受限而不具備作業(yè)條件。
作為直升機(jī)帶電作業(yè)應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)之一,直升機(jī)、作業(yè)平臺(tái)(或吊籃)及人員安全進(jìn)入電位是直升機(jī)帶電作業(yè)的前提和基礎(chǔ)。直升機(jī)、作業(yè)平臺(tái)(或吊籃)及人員組成相應(yīng)的帶電作業(yè)體,由于受到電磁場環(huán)境的影響,在帶電作業(yè)進(jìn)入路徑中存在浮動(dòng)電位,主要因?yàn)閹щ娮鳂I(yè)體為懸浮在空氣間隙中的電容,對帶電導(dǎo)體和大地體分別存在對導(dǎo)體電容和對地電容等。電容由于電荷存儲(chǔ),在帶電作業(yè)體接近導(dǎo)地線瞬間,主要發(fā)生電容暫態(tài)放電電流,即發(fā)生臨界拉弧現(xiàn)象。該放電電流即為電位轉(zhuǎn)移電流,若不采取防護(hù)措施將對直升機(jī)本體和作業(yè)人員存在一定的危害。
直升機(jī)不同帶電作業(yè)方式下,直升機(jī)、作業(yè)平臺(tái)(或吊籃)及人員組成不同大小的帶電作業(yè)體,浮動(dòng)電位不同于傳統(tǒng)作業(yè)方法中的等電位作業(yè)人員,其對地、對導(dǎo)線之間的電容及與帶電導(dǎo)線之間的電勢差會(huì)有明顯區(qū)別,相應(yīng)的電位轉(zhuǎn)移電流影響將不同,對直升機(jī)本體和作業(yè)人員的危害也不同。
直升機(jī)懸吊法帶電作業(yè)時(shí),懸索的長度一般選在20-50 m之間,直升機(jī)本體與帶電體之間不直接接觸,直升機(jī)受到電磁場及放電電流影響較小。當(dāng)直接采用懸索將帶電作業(yè)人員吊入電位,相當(dāng)于常規(guī)帶電作業(yè)進(jìn)入電位模式;而采用吊籃法作業(yè)時(shí),“吊籃+人”組成帶電作業(yè)體,由于吊籃體積相對較大,其等效電容理論上將大于常規(guī)帶電作業(yè)時(shí)情形。
直升機(jī)平臺(tái)法帶電作業(yè)時(shí),直升機(jī)直接接觸等電位,受到電磁場及放電電流影響較大?!爸鄙龣C(jī)+作業(yè)平臺(tái)+人”組成帶電作業(yè)體,顯然其等效電容將更大,電位轉(zhuǎn)移電流不僅對直升機(jī)燃油、傳動(dòng)、通信系統(tǒng)和儀表影響較大,對帶電作業(yè)人員人身威脅也大[1]。
可見,直升機(jī)平臺(tái)法帶電作業(yè)時(shí)對直升機(jī)本體和作業(yè)人員的危害最為嚴(yán)峻??紤]直升機(jī)帶電作業(yè)應(yīng)用技術(shù)的典型性,需重點(diǎn)研究分析直升機(jī)平臺(tái)法帶電作業(yè)的電位轉(zhuǎn)移電流大小及安全防護(hù)。
為獲取直升機(jī)帶電作業(yè)等電位轉(zhuǎn)移過程中電位轉(zhuǎn)移電流的大小及分布特性、臨界起弧距離等,需要開展相應(yīng)的直升機(jī)帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移試驗(yàn),為直升機(jī)帶電作業(yè)的安全性評(píng)估、對作業(yè)人員和直升機(jī)本體的安全防護(hù)措施提供技術(shù)支撐。
目前,國內(nèi)外對常規(guī)性帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電流進(jìn)行了相關(guān)研究,其研究成果可作為直升機(jī)帶電作業(yè)應(yīng)用技術(shù)及試驗(yàn)方法的參考依據(jù)。有關(guān)研究表明:
(1)帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電流呈現(xiàn)出明顯的高幅值、高頻率脈沖電流串波形特征,并且正、負(fù)極性脈沖電流相互交替,該脈沖電流隨著電壓等級(jí)的提高而增大,而電弧則隨著脈沖電流的增大而增強(qiáng)[6]。
(2)常規(guī)帶電作業(yè)方式下,在500 kV電壓等級(jí)以上交流線路上進(jìn)入等電位過程中有比較明顯的電弧[7-8]。其中,1 000 kV交流線路的起弧距離約0.5 m,電位轉(zhuǎn)移電流大于1 000 A,脈沖電流峰值高,電弧能量大,并伴隨劇烈的電弧現(xiàn)象[9]。
(3)對比于特高壓交流和直流帶電作業(yè)的電位轉(zhuǎn)移電流大小,由于直流線路上的電位主要由空間絕緣電阻決定,并且還存在空間離子流及預(yù)放電,都會(huì)減小電位差。實(shí)測±800 kV特高壓直流輸電線路的電位轉(zhuǎn)移電流150 A,而最大轉(zhuǎn)移電荷為4 430 μC。因而直流輸電線路要遠(yuǎn)小于交流輸電線路的電位轉(zhuǎn)移電流[6]。
因此,作為特高壓交直流線路直升機(jī)帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電流試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì),特高壓交流電壓下、直升機(jī)平臺(tái)法作業(yè)方式是最嚴(yán)峻工況,考慮試驗(yàn)方案的典型性,以特高壓交流線路直升機(jī)平臺(tái)法帶電作業(yè)來開展電位轉(zhuǎn)移電流試驗(yàn)項(xiàng)目。
試驗(yàn)在湖北武漢1 000 kV特高壓交流試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)采取對真型MD-500直升機(jī)整體進(jìn)行1 000 kV線路等電位瞬間時(shí)電位轉(zhuǎn)移脈沖電流實(shí)測,以獲取直升機(jī)整體等電位轉(zhuǎn)移時(shí)的臨界起弧距離、電位轉(zhuǎn)移脈沖電流幅值特性及能量大小等。
試驗(yàn)平臺(tái)采用支柱復(fù)合絕緣子支撐絕緣平臺(tái),上面固定真型MD-500直升機(jī)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)布置于門型塔正下方,門型塔上方懸掛1 000 kV八分裂試驗(yàn)?zāi)M導(dǎo)線、避雷線等試驗(yàn)試品。通過調(diào)整模擬導(dǎo)線與直升機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)之間的間隙距離,以滿足不同作業(yè)工況的要求。其中,支柱復(fù)合絕緣子起到主電氣絕緣作用適用于1 000 kV電壓等級(jí)。試驗(yàn)布置圖見圖1所示。
圖1 直升機(jī)帶電作業(yè)試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test arrangement for live working of helicopter
電位轉(zhuǎn)移電流測量采用光纖脈沖電流測量方法,測試裝置原理見圖2所示,電流傳感器采用同軸管式分流器,阻值為4.69 mΩ,電流傳感器前端連接電位轉(zhuǎn)移棒,分流器輸出到光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集電流波形,經(jīng)光纖和下位機(jī)將信號(hào)輸送至電腦,光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量頻帶為15 MHz,最高50 MS/s(百萬次每秒)同步采集,測量系統(tǒng)精度為±0.2%。
圖2 電位轉(zhuǎn)移電流的測試原理圖Fig.2 test principle of potential transfer current
真型MD500直升機(jī)固定于試驗(yàn)平臺(tái)上,模擬人手部持有專用電位轉(zhuǎn)移棒,電位轉(zhuǎn)移棒后端用銅帶聯(lián)接工作平臺(tái)并與直升機(jī)本體相通,前端測量設(shè)備安置于模擬人身后的工作平臺(tái)上,后端光纖數(shù)據(jù)線牽引至地面終端。
本試驗(yàn)采用直升機(jī)“通電靜止”和直升機(jī)“懸停飛行”兩種狀態(tài)下進(jìn)行(圖3所示)。試驗(yàn)過程中,調(diào)整模擬人手端專用電位轉(zhuǎn)移棒與模擬導(dǎo)線最近距離為1.3 m,逐漸升高模擬導(dǎo)線電壓至相電壓635 kV,獲取相應(yīng)臨界起弧距離及轉(zhuǎn)移電流大小等。
圖3 臨界起弧距離試驗(yàn)Fig.3 testing distance of critical arcing
試驗(yàn)最終獲取起弧距離:在直升機(jī)“通電靜止”狀態(tài)下,臨界起弧距離為0.99 m,在直升機(jī)“懸停飛行”狀態(tài)下,臨界起弧距離為0.95 m。從測試結(jié)果可知,在直升機(jī)兩種狀態(tài)下的臨界起弧距離相差不大,平均為0.97 m。
模擬人手持電位轉(zhuǎn)移棒開始移動(dòng),從起弧開始直至與導(dǎo)線接觸時(shí)電弧熄滅,地面電腦終端在整個(gè)過程中采集完成一次脈沖電流數(shù)據(jù)。如此進(jìn)行6次,試驗(yàn)中記錄每次轉(zhuǎn)移電流波形,記錄時(shí)長均為400 ms,每次轉(zhuǎn)移電流波形中的正負(fù)極脈沖次數(shù)及最大幅度脈沖的脈寬及轉(zhuǎn)移電荷量如表1所示。
表1 等電位轉(zhuǎn)移電流數(shù)據(jù)分析結(jié)果Table 1 Data analysis results of equipotential transfer current
試驗(yàn)中還對直升機(jī)帶電作業(yè)整體等電位轉(zhuǎn)移過程中電流波形進(jìn)行測量記錄,對相應(yīng)脈沖電流幅值、脈寬、轉(zhuǎn)移電荷量進(jìn)行分析,1 000 kV特高壓交流線路直升機(jī)帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移放電過程分析如下:
(1)試驗(yàn)測量表明,1 000 kV交流特高壓線路直升機(jī)帶電作業(yè)等電位轉(zhuǎn)移過程由一系列的脈沖放電組成,脈沖電流幅值可達(dá)1 400 A以上,單次脈沖最大持續(xù)時(shí)間約60 μs~80 μs,單次脈沖轉(zhuǎn)移的電荷量最大為5.86 mC,整個(gè)電位轉(zhuǎn)移過程中所產(chǎn)生的平均比能量為64.13 A2s。
(2)通過對脈沖電流波形進(jìn)行分析,直升機(jī)整體進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移的整個(gè)放電過程大致如下:直升機(jī)整體(均作為導(dǎo)體看待)接近等電位過程中,中間電位導(dǎo)體在靠近導(dǎo)線過程中,與導(dǎo)線接近的一面被感應(yīng)出與導(dǎo)線相反的電荷,并在最靠近導(dǎo)線的尖端部位(伸出的電位轉(zhuǎn)移棒)積聚,造成電場的畸變。當(dāng)中間電位導(dǎo)體與導(dǎo)線接近到一定程度時(shí),由于中間電位導(dǎo)體與導(dǎo)線間的間隙距離的減少,以及電場的畸變作用,中間電位導(dǎo)體與導(dǎo)線間隙場強(qiáng)極高,從而造成此段間隙被擊穿。在間隙被擊穿的同時(shí),中間電位導(dǎo)體與導(dǎo)線間形成穩(wěn)定的電弧。通過電弧弧道,導(dǎo)線上的電荷與中間電位導(dǎo)體上感應(yīng)出來的電荷迅速中和,在極短時(shí)間內(nèi)形成幅值較大的電流。由于中間電位導(dǎo)體與導(dǎo)線間形成電弧后,弧道阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中間導(dǎo)體與塔身之間空氣間隙的阻抗,因此中間導(dǎo)體與導(dǎo)線間電壓迅速降低,當(dāng)電壓下降到一定程度后,電弧通道將被阻斷,電荷及能量的轉(zhuǎn)移過程隨即停止,電流幅值為零,從而終止一次脈沖放電。而該次放電脈沖結(jié)束后,中間電位導(dǎo)體與導(dǎo)線間的阻抗恢復(fù),之間的空氣間隙又將出現(xiàn)較高的電場,中間電位導(dǎo)體上又將被感應(yīng)出電荷并積聚,造成電場畸變,在電場強(qiáng)度增加到一定程度后,中間導(dǎo)體與導(dǎo)線間的空氣間隙又將被擊穿,從而出現(xiàn)與前一次類似的放電過程。因此在中間電位導(dǎo)體接近導(dǎo)線的過程中,將不斷出現(xiàn)間歇性的脈沖放電,直到中間電位導(dǎo)體最終與導(dǎo)線接觸,在電位轉(zhuǎn)移過程中,中間電位導(dǎo)體(直升機(jī)整體)與導(dǎo)線的整個(gè)放電過程由一系列的放電脈沖組成。
(3)直升機(jī)整體進(jìn)行6次等電位轉(zhuǎn)移過程中,每次產(chǎn)生的脈沖電流通過電位轉(zhuǎn)移棒、工作平臺(tái)流經(jīng)直升機(jī)本體,即通過電流通道,直升機(jī)承受著試驗(yàn)過程中每一次由若干高幅值脈沖組成的電位轉(zhuǎn)移電流。
在完成了直升機(jī)“懸停飛行“狀態(tài)下1 000 kV交流線路等電位轉(zhuǎn)移及電流測量試驗(yàn)后,經(jīng)對飛機(jī)機(jī)內(nèi)燃油、傳動(dòng)、通信系統(tǒng)和儀表進(jìn)行檢查和飛行測試,發(fā)現(xiàn)MD500直升機(jī)內(nèi)各設(shè)備工作正常,能夠滿足正常安全飛行的條件,驗(yàn)證了直升機(jī)帶電作業(yè)可以順利開展。
通過上述試驗(yàn),特高壓電壓等級(jí)下電位轉(zhuǎn)移電流較大,對作業(yè)人員的人身危害比常規(guī)情況較為嚴(yán)重。考慮特高壓電壓等級(jí)下作業(yè)工器具的通用性,一般以直升機(jī)平臺(tái)法進(jìn)入電位為典型條件,研制相應(yīng)安全防護(hù)器具,主要為特高壓型專用電位轉(zhuǎn)移棒和屏蔽服。
在直升機(jī)進(jìn)入等電位過程中,必須嚴(yán)格控制直升機(jī)和導(dǎo)線之間的放電能量通道,嚴(yán)禁使平臺(tái)上最外側(cè)的作業(yè)人員成為放電通道。由帶電作業(yè)人員手持的等電位轉(zhuǎn)移棒以及其后部與作業(yè)平臺(tái)牢固聯(lián)接的導(dǎo)線就是這個(gè)受控的放電通道。
考慮特高壓放電能量較超高壓的較大,脈沖電流幅值可達(dá)1 400 A左右,轉(zhuǎn)移棒采用Φ10的鋁合金良導(dǎo)體棍制作;由于平均起弧距離為0.97 m,考慮手持操作的安全距離和使用方面,電位轉(zhuǎn)移棒長度1.0 m左右,其手握處用絕緣棒包覆(絕緣電阻>700 MΩ),內(nèi)部灌注環(huán)氧樹脂,尾部與25 mm2導(dǎo)線聯(lián)接。導(dǎo)線末端安裝接線頭,便于與作業(yè)平臺(tái)牢固聯(lián)接。電位轉(zhuǎn)移棒電阻小于1 MΩ。
對比500 kV帶電作業(yè)用屏蔽服,本次特高壓直升機(jī)帶電作業(yè)的作業(yè)人員身著1 000 kV專用帶電屏蔽服及面罩。本屏蔽服的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照GB6568《帶電作業(yè)用屏蔽服裝》執(zhí)行,相應(yīng)技術(shù)要求如下:等電位作業(yè)人員應(yīng)穿戴全套1 000 kV專用屏蔽服裝,專用屏蔽服裝采用屏蔽效率不小于60 dB、其他參數(shù)符合GB6568-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屏蔽服布料制作,屏蔽服裝應(yīng)做成上衣、褲子與帽子連成一體且帽檐加大的式樣,等電位作業(yè)人員還應(yīng)加戴屏蔽效率不小于20 dB的網(wǎng)狀面部屏蔽罩。針對特高壓直升機(jī)帶電作業(yè),頭部應(yīng)考慮戴飛行頭盔的因素,頭部帽子尺寸應(yīng)相應(yīng)加大,形成特高壓直升機(jī)帶電作業(yè)專用型屏蔽服。
在特高壓直升機(jī)帶電作業(yè)要求中,不僅等電位作業(yè)人員,機(jī)艙內(nèi)工作人員可身穿全套靜電防護(hù)服或全套帶電作業(yè)屏蔽服。
特高壓線路直升機(jī)帶電作業(yè)是目前中國率先突破的先進(jìn)電網(wǎng)檢修技術(shù),其帶電進(jìn)入等電位過程中的電位轉(zhuǎn)移電流特性及防護(hù)措施,是直升機(jī)帶電作業(yè)安全進(jìn)行的關(guān)鍵點(diǎn)之一。
(1)通過真型MD-500直升機(jī)整體進(jìn)行特高壓交流電壓下電位轉(zhuǎn)移試驗(yàn),驗(yàn)證了特高壓交直流線路直升機(jī)帶電作業(yè)可以順利開展。獲取了直升機(jī)帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移電流大小和分布特性,其脈沖電流幅值可達(dá)1 400 A以上;獲取了進(jìn)入等電位過程中臨界起弧距離,平均值為0.97 m。
(2)通過試驗(yàn)驗(yàn)證,特高壓直升機(jī)帶電作業(yè)的電位轉(zhuǎn)移電流及能量大于常規(guī)性特高壓帶電作業(yè)項(xiàng)目,因此必須重視其進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移時(shí)的安全防護(hù)。以特高壓電壓等級(jí)下、直升機(jī)平臺(tái)法進(jìn)入電位為典型條件,研制特高壓型專用電位轉(zhuǎn)移棒和屏蔽服等相應(yīng)防護(hù)器具,為特高壓交直流線路直升機(jī)帶電作業(yè)提供安全防護(hù)措施。
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UHV Transmission Line Helicopter live working potential transfer test and safety protection
DU Yong1,TANG Kaiping1,PENG Yong2,LONG Fei1,LI Ming1,WU Yi3
(1.State Grid Hubei Electric Power Company Maintenance Company,Hubei Wuhan430050,China; 2.China Electric Power Research Institute,Hubei Wuhan430074,China; 3.State Grid General Aviation Company Limited,Beijing102209,China)
UHV AC/DC line helicopter live working is an advanced power grid maintenance tech?nology,mainly consisting of hanging method and platform method.The amplitude and distribution characteristics of the potential transfer current are obtained by carrying out the electric potential transfer test of live working UHV line helicopter,the pulse current amplitude of which can reach to more than 1 400 A.The critical arc distance of getting into the equipotential process is also ob?tained,the average value of which is 0.97 m.UHV special potential transfer rods,shielding servic?es and other precaution measures are taken to provide technical support for the safety of live work?ing helicopters.
UHV;helicopter;live working;hanging method;platform method;potential trans?fer current;safety precaution
TM755< class="emphasis_bold">[文獻(xiàn)標(biāo)志碼][文章編號(hào)]
[文章編號(hào)]1006-3986(2017)04-0009-05
2017-03-16
杜勇(1973—),男,湖北黃岡人,碩士,教授級(jí)高級(jí)工程師。
10.19308/j.hep.2017.04.003