1 000 kV特高壓交流輸電線路直升機平臺法帶電作業(yè)侵入路徑

劉 超 ，阮江軍，廖才波 ，杜志葉，周濤濤 ，彭 勇

（1.武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072；2.中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

隨著國內(nèi)首條1000 kV特高壓交流輸電線路（晉東南—荊門試驗示范工程線路）的建設(shè)、調(diào)試和運行，學者們對特高壓交流輸電線路帶電作業(yè)也進行了相關(guān)研究。國網(wǎng)電力科學研究院對1000 kV特高壓交流輸電線路帶電作業(yè)的電場強度測量、人體表面電場、安全防護、組合間隙放電機理以及安全距離等內(nèi)容進行了試驗研究，得出了具有指導(dǎo)意義的結(jié)論，并對帶電作業(yè)的發(fā)展提出了一些展望［1-10］。清華大學的學者利用直升機縮比模型研究了直升機對交流導(dǎo)線周圍空間電場畸變的影響［11-12］。

國外學者對直升機帶電作業(yè)的研究相對早于國內(nèi)。直升機帶電作業(yè)可分為平臺法和吊籃法，美國主要采用平臺法，而法國則主要采用吊籃法。1981年，Michael Kurtgis使用Bell206型直升機在沙特實現(xiàn)了世界上首次直升機與300 kV線路等電位連接，隨后成立專門從事電力作業(yè)服務(wù)的直升機公司Airmobile。1983年，美國Haverfield直升機公司將MD500型直升機與500 kV線路進行等電位連接，開始了直升機帶電作業(yè)服務(wù)。1991年，美國電科院通過大量試驗研究了最高線電壓為800 kV時，進行中相和邊相直升機帶電作業(yè)的最小安全距離［13-14］。近年來，直升機帶電檢修技術(shù)在我國也得到了廣泛應(yīng)用。2007年，北京超高壓公司采用Bell206型直升機平臺作業(yè)法，進行了500 kV交流輸電線路邊相的直升機帶電作業(yè)試驗。2010年，湖北超高壓輸變電公司采用MD500E型直升機，在雙玉一回494號和495號桿塔之間進行了地線防振錘安裝和更換、標志球安裝和更換等項目的帶電作業(yè)。作業(yè)過程中，直升機不僅在地線之間和導(dǎo)、地線之間穿行，而且還飛入水平布局結(jié)構(gòu)的中相進行帶電作業(yè)［15-18］。

綜上所述，雖然目前對1000 kV交流輸電線路帶電檢修技術(shù)的研究已較為深入，對800 kV交流輸電線路直升機帶電作業(yè)安全距離也有了一些研究，但是對直升機帶電作業(yè)侵入導(dǎo)線路徑方面的研究尚未開展。隨著1000 kV特高壓交流輸電線路的投運，這方面的研究十分有必要。本文針對直升機平臺法帶電作業(yè)，通過計算直升機平臺及附近空間電場分布的方法，綜合考慮各方面因素，選擇最優(yōu)侵入路徑，并通過試驗驗證了該方法的可靠性。

1 直升機帶電作業(yè)平臺模型

1.1 有限元模型

分析直升機帶電作業(yè)平臺（HLLWP）在侵入導(dǎo)線路徑上的電場，實質(zhì)等同于分析空間懸浮電位對導(dǎo)線周圍電場畸變程度的影響［19］，這個問題可通過計算電磁場有限元解決。該有限元模型的計算域包括直升機帶電作業(yè)平臺、操作人員、三相導(dǎo)線、大地及周圍的整個剩余空間。

考慮到計算量的問題，原本在無限遠處的0電位邊界面被截斷至與直升機帶電作業(yè)平臺前、后、左、右以及上方各相距100 m的平面處，上述5個面以及地面在內(nèi)的6個面所包含的空間構(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0電位邊界條件，與導(dǎo)線垂直的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；直升機帶電作業(yè)平臺及操作人員可視作等勢體，耦合其電位自由度作為約束條件。

1.2 直升機計算模型

目前，國際上在直升機帶電作業(yè)中普遍采用的機型主要有Bell206系列和MD500系列，這2種機型都通過了國際上的500 kV等電位試驗認證；其中MD500系列機型更為小巧，更加適合特高壓線路的相間帶電作業(yè)。因此本文以MD500型直升機作為侵入路徑的研究對象，其幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 MD500型直升機幾何參數(shù)Fig.1 Geometric parameters of MD500 helicopter

1.3 作業(yè)人員計算模型

研究直升機平臺法帶電作業(yè)侵入路徑，需要建立相應(yīng)的作業(yè)人員模型，并根據(jù)人體模型不同部位表面電場強度情況確定最優(yōu)的侵入路徑。不同操作人員的體型特征各不相同，因此需要參考GB10000—88《中國成年人人體尺寸》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［20］。為了適當簡化分析難度，根據(jù)標準中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在建立模型時將人體模型盡量簡化，其中人體頭部采用球形模擬，上半身采用長方體模擬，肩部進行圓滑處理。同時，作業(yè)人員手臂和腿部的電場也是關(guān)注的重點之一，將手臂和腿部采用圓柱體模型模擬?？紤]到作業(yè)人員在侵入導(dǎo)線過程中通常固定坐在平臺上，因此建立的人體仿真模型也采用坐姿方式。最終確定作業(yè)人員的主要模型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 成年男性坐姿模型參數(shù)Table 1 Parameters of seated adult male model

1.4 整體計算模型

懸浮電位情況下，為了分析直升機帶電作業(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，分別對直升機帶電作業(yè)平臺處于空間不同位置，即與導(dǎo)線成 0°、15°、30°、45°和 60°以及與導(dǎo)線距離3 m、5 m和10 m的情況下建模進行電場分析，不同路徑下的計算位置選取如圖2所示。

圖2 直升機帶電作業(yè)平臺不同角度侵入路徑Fig.2 HLLWP approaching path for different angles

1000 kV特高壓交流輸電線路模型根據(jù)實際運行線路參數(shù)建立，導(dǎo)線采用八分裂結(jié)構(gòu)，分裂間距為400 mm，子導(dǎo)線直徑為30 mm，三相導(dǎo)線呈三角形排布方式，導(dǎo)線線電壓為1000 kV，線路相電壓最大值為816.5 kV。在直升機機身下側(cè)建立與滑撬相連的操作平臺，操作平臺長4.14 m，寬1.05 m，固定于直升機滑撬后端，操作人員坐于操作平臺外側(cè)。直升機帶電操作平臺位于邊相導(dǎo)線附近某位置時的計算模型如圖3所示。

圖3 1000 kV交流輸電線路直升機帶電作業(yè)平臺計算模型Fig.3 Calculation model of HLLWP for 1000 kV UHV AC transmission lines

2 直升機帶電作業(yè)平臺侵入路徑分析

2.1 中相導(dǎo)線侵入路徑分析

在直升機帶電作業(yè)平臺進行侵入導(dǎo)線、等電位作業(yè)以及退出等電位的過程中，作業(yè)人員始終身著屏蔽服、屏蔽帽、屏蔽手套及腳套。因此在進行電場計算時，將人體表面當作導(dǎo)體來處理。通過電場計算可以得到平臺整體及作業(yè)人員表面的電場分布結(jié)果，以0°路徑侵入1000 kV特高壓交流輸電線路中相導(dǎo)線的情況下，直升機帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員身體表面的電場分布結(jié)果如圖4所示。

圖4 直升機帶電作業(yè)平臺以0°侵入中相導(dǎo)線時的電場分布Fig.4 Electric field when HLLWP approaching angle to middle-phase conductor is 0°

分析圖4可知，懸浮電位情況下，直升機離導(dǎo)線越遠，直升機帶電操作平臺和作業(yè)人員表面的電場數(shù)值越小。當距離為10 m、5 m和3 m時，平臺整體電場強度最大值分別為690 kV/m、1 188 kV/m和1 562 kV/m，出現(xiàn)位置均為靠近導(dǎo)線側(cè)的機翼末端；作業(yè)人員身體表面電場強度最大值分別為355kV/m、724 kV/m和1079 kV/m，均出現(xiàn)在操作人員手尖。

針對不同的侵入角度，對直升機帶電作業(yè)平臺進行電場分析，得到不同路徑下電場強度最大值和距離的關(guān)系如表2所示。

表2所示結(jié)果表明，直升機帶電作業(yè)平臺整體電場強度最大值隨侵入角度增大呈減小的趨勢，在侵入角度為0°和15°時，電場強度最大值出現(xiàn)在近導(dǎo)線側(cè)的螺旋槳末端，當侵入角度增大至30°以后，電場強度最大值出現(xiàn)在作業(yè)人員的手尖、腳尖和遠離導(dǎo)線側(cè)的螺旋槳末端。從直升機安全角度進行考慮，60°是最可靠的入侵角度。

為了得到最優(yōu)的導(dǎo)線侵入路徑，除了要考慮直升機帶電作業(yè)平臺整體在不同路徑下的表面電場情況，作業(yè)人員的表面電場情況也必須作為考量因素。作業(yè)人員身體表面各部位電場強度最大值與侵入路徑的關(guān)系如圖5所示。

圖5表明，侵入角度越大，則作業(yè)人員手尖、頭部和胸前表面電場強度最大值越小，而作業(yè)人員腳尖電場強度在0°和60°侵入角度時均較小。綜合考慮直升機作業(yè)平臺整體和作業(yè)人員的分析結(jié)果，應(yīng)該選擇60°作為侵入角度。但是由于侵入角度為60°時的作業(yè)難度較大，因此實際操作過程中建議選取45°作為侵入角度。

2.2 邊相導(dǎo)線侵入路徑分析

2.1節(jié)研究了中相懸浮電位情況下5種不同侵入角度時的電場強度，并以此為依據(jù)給出了侵入路徑的參考建議。由于邊相和中相附近空間電場分布的差異性，因此也有必要對邊相導(dǎo)線侵入路徑進行分析。

圖5 直升機帶電作業(yè)平臺以不同角度侵入中相導(dǎo)線時，操作人員身體表面電場強度最大值Fig.5 Maximum electric field intensity of operator for different HLLWP approaching angles to middle-phase conductor

針對不同的侵入角度，對直升機帶電作業(yè)平臺進行電場分析，得到不同路徑下電場強度最大值和距離的關(guān)系如表3所示。

計算結(jié)果表明，隨著侵入角度增大，直升機帶電作業(yè)平臺電場強度最大值沒有呈現(xiàn)單一減小的趨勢。從0°到30°的變化過程中，直升機帶電作業(yè)平臺場強最大值呈現(xiàn)減小的趨勢；從30°到60°的變化過程中，直升機帶電作業(yè)平臺場強最大值呈現(xiàn)增大的趨勢。若以直升機作業(yè)平臺場強為參考依據(jù)，應(yīng)選擇15°～30°侵入比較好。分析其原因，從邊相懸浮電位侵入時，隨著侵入角度的增大，直升機與中相的距離變小，此時直升機帶電作業(yè)平臺的場強是邊相導(dǎo)線與中相導(dǎo)線共同作用的結(jié)果，這與從中相侵入時的情況是不同的。

作業(yè)人員身體表面及各部分電場強度最大值與侵入角度及距離的關(guān)系如圖6所示。

表3 直升機帶電作業(yè)平臺以不同角度侵入邊相導(dǎo)線時的電場強度最大值Table 3 Maximum electric field intensity of HLLWP for different HLLWP approaching angles to side-phase conductor

圖6 直升機帶電作業(yè)平臺以不同角度侵入邊相導(dǎo)線時，操作人員身體表面電場強度最大值Fig.6 Maximum electric field intensity of operator for different HLLWP approaching angles to side-phase conductor

觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，各角度侵入過程中，作業(yè)人員手尖和腳尖的電場強度相對較大，手尖最大電場受路徑的影響很小，而腳尖最大電場則與路徑有較大關(guān)系，因此應(yīng)該以腳尖的電場為選擇依據(jù)，侵入角度選為0°～15°較好。綜合直升機帶電作業(yè)平臺和作業(yè)人員兩方面的因素，實際操作過程中建議選取15°作為邊相導(dǎo)線侵入角度。

3 直升機帶電作業(yè)電場分析方法驗證

3.1 試驗測量

前文主要通過仿真方法，對直升機平臺法帶電作業(yè)在不同相和不同侵入路徑的電場分布進行了研究。由于計算模型進行了適當?shù)暮喕?，同時考慮到1 000 kV直升機平臺法帶電作業(yè)電場分布研究在國際上尚屬首次，因此有必要將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，驗證仿真方法的正確性。

將MD500型直升機固定于距離地面12 m高的實驗平臺上，實驗平臺的尺寸為 2.7 m×2.4 m×0.2 m。身著屏蔽服、屏蔽手套、屏蔽鞋和屏蔽帽的模擬人放置在直升機作業(yè)平臺的右端，通過模型人手中的等電位轉(zhuǎn)移棒與導(dǎo)線進行等電位連接。特高壓試驗導(dǎo)線采用八分裂線，距離轉(zhuǎn)移棒端部1.5 m，試驗現(xiàn)場布置如圖7所示。

圖7 1000 kV交流輸電線路直升機帶電作業(yè)試驗布置圖Fig.7 Arrangement diagram of helicopter live-line work experiment for 1000 kV UHV AC transmission lines

試驗過程中，將導(dǎo)線電壓逐漸提升至線路的最高運行相電壓635 kV，通過導(dǎo)線對轉(zhuǎn)移棒放電使得作業(yè)平臺與導(dǎo)線處于等電位狀態(tài)。實驗人員在機艙內(nèi)將電場測量探頭置于模擬人頭頂測量電場強度，其結(jié)果為206 kV/m。

3.2 仿真方法驗證

根據(jù)試驗布置及加載條件建立相應(yīng)的直升機帶電作業(yè)仿真模型，計算得到整體試驗?zāi)Ｐ图澳Ｐ腿松眢w表面電場分布結(jié)果如圖8所示。

仿真結(jié)果表明，直升機螺旋槳末端的電場最大值為3207 kV/m；模型人身體表面的電場強度最大值為976 kV/m，出現(xiàn)在模擬人的腳尖處?？紤]到電場測量探頭的厚度為2 cm，在模擬人頭頂高2 cm處沿垂直導(dǎo)線方向選取路徑觀測點，繪制路徑上電場分布曲線如圖9所示。由圖9可知，模擬人頭頂正上方2 cm處電場計算結(jié)果為216 kV/m，與實際測量結(jié)果較為接近。

圖8 試驗?zāi)Ｐ偷碾妶龇抡嬗嬎憬Y(jié)果Fig.8 Simulative results of electric field for test model

圖9 模型人頭部的電場強度垂直分布Fig.9 Vertical distribution of electric field intensity along model head

4 結(jié)論

本文對1000 kV特高壓交流輸電線路直升機平臺法帶電作業(yè)侵入路徑進行研究，得出以下結(jié)論：

a.直升機帶電作業(yè)平臺對中相進行作業(yè)時，建議選擇45°作為侵入角度；

b.直升機帶電作業(yè)平臺對邊相進行作業(yè)時，建議選擇15°作為侵入角度；

c.通過建立試驗現(xiàn)場布置的仿真模型進行電場計算，并與試驗現(xiàn)場測量電場數(shù)據(jù)進行對比，證明了仿真方法在進行直升機帶電作業(yè)平臺電場分析上的可行性。