直升機(jī)帶電修補(bǔ)雷擊受損光纜技術(shù)及應(yīng)用研究

(1.國網(wǎng)四川省電力公司超高壓分公司，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；3.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

高壓架空輸電線路常分布于高山峽谷等復(fù)雜惡劣的地理環(huán)境中[1-2]，缺陷檢修技術(shù)往往受到環(huán)境、安全等諸多因素的影響，檢修工作呈現(xiàn)處理難度大、技術(shù)性強(qiáng)的特點(diǎn)[3-5]。并且在實(shí)際操作過程中，還需結(jié)合具體情況，制定科學(xué)合理的檢修方案。因此，結(jié)合實(shí)際案例對(duì)線路缺陷檢修技術(shù)的研究具有重要指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 故障概況

2022年7月13日，四川地區(qū)500 kV姜資一線光纜通信出現(xiàn)部分中斷，查詢雷電定位系統(tǒng)顯示，500 kV姜資一線66-67號(hào)在同時(shí)間段內(nèi)遭受過188.2 kA的雷擊，運(yùn)行單位隨即開展無人機(jī)特巡工作。經(jīng)排查，500 kV姜資一線66-67號(hào)光纜出現(xiàn)17股斷12股的危急缺陷，還有2根光纖也嚴(yán)重受損，如圖1所示。500 kV姜資一線是四川地區(qū)重要水電外送通道，一旦出現(xiàn)光纜斷線，將導(dǎo)致線路跳閘，嚴(yán)重影響成都地區(qū)供電。

圖1 500 kV姜資一線雷擊導(dǎo)致光纜嚴(yán)重受損

經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，500 kV姜資一線光纜斷股點(diǎn)位對(duì)地很高，現(xiàn)場吊車無法擺放，不具備吊車臨停檢修作業(yè)條件。因光纜斷股數(shù)量過多，承載能力嚴(yán)重受損，光纜無法直接承載人員帶電搶修。為了避免搶修過程中光纜斷裂導(dǎo)致500 kV姜資一二線跳閘，同時(shí)為了降低搶險(xiǎn)作業(yè)中人身安全風(fēng)險(xiǎn)，較有效的搶修方案是停電作業(yè)，采用放松直線串或放松耐張串至導(dǎo)線的修補(bǔ)法。但該方法需要500 kV姜資一二線同時(shí)停電12 h(含變電站操作時(shí)間)，在迎峰度夏電網(wǎng)大負(fù)荷期間，無法滿足500 kV姜資一二線同時(shí)停運(yùn)條件。綜合考慮上述影響因素，結(jié)合線路實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，最終確定采用直升機(jī)對(duì)光纜進(jìn)行帶電修補(bǔ)的技術(shù)方案。該方案運(yùn)用直升機(jī)絞車吊椅作業(yè)、楔形線夾和純鋁引流線相結(jié)合的全新作業(yè)模式，在國網(wǎng)四川省電力公司和國家電網(wǎng)通用航空有限公司(以下簡稱國網(wǎng)通航公司)技術(shù)人員的密切合作下，現(xiàn)場應(yīng)用得以順利實(shí)施，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的效果。

下面給出的直升機(jī)帶電修補(bǔ)雷擊受損光纜技術(shù)方案在四川省境內(nèi)為首次應(yīng)用，通過方案設(shè)計(jì)和案例分析，得到了可供參考的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)消除類似的輸電導(dǎo)線和光纜缺陷具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

2 光纜修補(bǔ)技術(shù)原理

為了保證直升機(jī)帶電修補(bǔ)光纜任務(wù)能夠安全順利完成，參考國內(nèi)外光纜修補(bǔ)的相關(guān)方法，同時(shí)結(jié)合此次光纜斷股嚴(yán)重的特殊情況，提出了以下3種修補(bǔ)方案及其對(duì)應(yīng)的技術(shù)原理。

1)方案1：在斷股點(diǎn)兩側(cè)首先加裝卡線器作為后備保護(hù)，然后采用“直線帕爾普修補(bǔ)條修復(fù)和兩側(cè)耐張帕爾普修補(bǔ)條后?！钡氖┕すに?。

該工藝首先加裝2套卡線器作為后備保護(hù)，再安裝直線帕爾普修補(bǔ)條，可以避免安裝帕爾普修補(bǔ)條時(shí)光纜突然斷線，導(dǎo)致作業(yè)人員受傷。同時(shí)考慮到斷股點(diǎn)兩側(cè)光纜散股比較長，直線帕爾普修補(bǔ)條承受張力可能不夠，耐張帕爾普修補(bǔ)條可以作為直線帕爾普修補(bǔ)條失效后的后備保護(hù)，后期運(yùn)行比較可靠。但該工藝在實(shí)施過程中，卡線器及中間鋼絲套比較長，直升機(jī)操作人員加裝困難，同時(shí)若安裝卡線器時(shí)光纜突然斷線，卡線器飛起可能會(huì)對(duì)作業(yè)人員和直升機(jī)造成傷害。并且，在帕爾普修補(bǔ)條纏繞過程中，作業(yè)人員需要使用很大力氣去纏繞，容易導(dǎo)致光纜斷股位置發(fā)生斷裂。

2)方案2：采用并溝線夾/元寶卡和引流線作為后備保護(hù)，然后采用直線帕爾普修補(bǔ)條進(jìn)行修復(fù)的施工工藝。

該工藝實(shí)施過程中，并溝線夾/元寶卡安裝對(duì)光纜斷股位置外加荷載小，光纜突然斷裂時(shí)對(duì)人員和直升機(jī)傷害比較小。但也存在明顯的不足：光纜突然發(fā)生斷裂時(shí)，雖然斷點(diǎn)兩側(cè)光纜張力會(huì)出現(xiàn)下降，但并溝線夾/元寶卡可能無法承受斷點(diǎn)張力，不能起到后備保護(hù)作用。同時(shí)只采用直線帕爾普修補(bǔ)條修復(fù)，因光纜散股比較長，直線帕爾普修補(bǔ)條本身長度有限，實(shí)際承受張力的帕爾普修補(bǔ)條受力面很可能不足，后期運(yùn)行過程中依然有斷線的風(fēng)險(xiǎn)。

3)方案3：施工過程中不采用后備保護(hù)，采用“楔形線夾+純鋁引流線”的全新施工工藝，如圖2所示。

應(yīng)用該工藝進(jìn)行修補(bǔ)作業(yè)時(shí)，楔形線夾可以分體式安裝，人員在安裝過程中對(duì)光纜斷股位置外加荷載很小，減少了光纜斷線風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)為了防止雷擊大電流燒損楔形線夾，導(dǎo)致楔形線夾失效，在楔形線夾外側(cè)加裝一組純鋁引流線，確保雷電流不對(duì)楔形線夾造成損傷。但是，該工藝的施工過程沒有后備保護(hù)，楔形線夾及配套連接金具安裝完成前，依然存在光纜斷線風(fēng)險(xiǎn)，須加以防范。

圖2 “楔形線夾+純鋁引流線”連接工藝

考慮到直升機(jī)作業(yè)難度和每次作業(yè)時(shí)間的限制，為了最大程度保障作業(yè)人員和直升機(jī)的安全，同時(shí)最大程度減少作業(yè)環(huán)節(jié)，保障電網(wǎng)安全，經(jīng)專家論證，最終確定方案3為該次直升機(jī)修補(bǔ)光纜作業(yè)的最佳方案。

3 光纜修補(bǔ)方案分析和設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)線和光纜張力計(jì)算

1)直升機(jī)作業(yè)時(shí)導(dǎo)線張力計(jì)算

查詢?cè)撦旊娋€路的設(shè)計(jì)文件可知，斷股的光纜型號(hào)為OPGW-36B1-120，抗拉強(qiáng)度Rm為97 kN，承載截面積A為121 mm2，彈性模量E為132 GPa，線膨脹系數(shù)α為13.8×10-6/℃。耐張段長度為3524 m，代表檔距為586 m，斷股檔的檔距為428 m。該代表檔距下線路的控制氣象為覆冰氣象。氣象條件1時(shí)氣溫為-5 ℃，覆冰為10 mm，風(fēng)速為10 m/s；為了確保作業(yè)安全，在直升機(jī)起飛時(shí)，現(xiàn)場測得直升機(jī)下方地面最大風(fēng)速約為25 m/s。故取作業(yè)現(xiàn)場風(fēng)速為25 m/s。氣象條件2時(shí)氣溫為40 ℃，覆冰為0，風(fēng)速為25 m/s。依據(jù)狀態(tài)方程式[6]，有

(1)

式中：σ2為光纜在氣象條件2時(shí)的應(yīng)力；γ2為光纜在氣象條件2時(shí)對(duì)應(yīng)的比載；l為檔距；σ1為光纜在氣象條件1時(shí)的應(yīng)力；γ1為光纜在氣象條件1時(shí)對(duì)應(yīng)的比載；t2為氣象條件2對(duì)應(yīng)的溫度；t1為氣象條件1對(duì)應(yīng)的溫度。

F=σ×A

(2)

式中：F為光纜的張力；σ為光纜的應(yīng)力；A為光纜的截面積。

根據(jù)以上公式計(jì)算，光纜在氣象條件2時(shí)，張力F為19.8 kN。

2)光纜斷股后剩余張力校核

根據(jù)光纜生產(chǎn)廠家提供的該型號(hào)光纜斷股后殘余力值測試結(jié)果，在光纜外層單絲全部斷裂，剩余未斷裂的5根鋁包鋼單絲整體完好時(shí)，未遭受雷擊侵害的情況下，理論額定拉斷力F1為29 kN。

因F1>F，因此受損光纜理論上還可以承受9.2 kN張力，可以滿足作業(yè)人員在斷股光纜上的作業(yè)承載要求，故該次直升機(jī)作業(yè)理論上是安全的。為了確保現(xiàn)場安全，在直升機(jī)正式作業(yè)前，現(xiàn)場還進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。直升機(jī)由斜上方逐步進(jìn)入光纜受損點(diǎn)正上方，并進(jìn)行停留測試，經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，受損光纜可以承受直升機(jī)自身風(fēng)速帶來的下壓力。

3.2 修補(bǔ)連接金具選配

1)光纜散股長度測量

運(yùn)用激光點(diǎn)云測量數(shù)據(jù)、無人機(jī)搭載竹竿刻度測量法和圖紙刻度測量法，綜合評(píng)估斷股光纜散股長度約為1.9 m，因此，現(xiàn)場作業(yè)時(shí)需要使用2套楔形線夾對(duì)接，線夾中間采用延長板和花籃螺絲進(jìn)行長度調(diào)整，以完全覆蓋光纜散股點(diǎn)。

2)楔形線夾選型

該次修補(bǔ)點(diǎn)位光纜直徑為15.2 mm，據(jù)此選用配套的德國Gorny公司楔形線夾，如圖3所示。該線夾采用楔形原理，卡住光纜受力后，越拉越緊，可承受100 kN張力，配套的延長板PT-10可以承受100 kN張力，花籃螺絲可以承受120 kN張力，滿足此耐張段光纜金具100 kN設(shè)計(jì)值，符合使用要求。

1-支點(diǎn)；2-線夾本體；3-上方滑板；4-下楔子；5-六角形螺栓；6-防松扣；7-掛板；8-螺栓；9-螺栓；10-防松扣;11-蓋板；12-上楔子圖3 楔形線夾

楔形線夾安裝簡便，使用時(shí)先在光纜上安裝上楔子和下楔子；然后蓋上楔形線夾本體和上方滑板，將楔形線夾掛板與延長板、花籃螺絲進(jìn)行連接；最后通過收緊花籃螺絲讓楔形線夾受力。這種修補(bǔ)方式可以最小程度減少作業(yè)人員對(duì)斷股光纜的擾動(dòng)，極大地降低了斷線風(fēng)險(xiǎn)。

3)并溝線夾選型

根據(jù)德國Gorny公司楔形線夾技術(shù)參數(shù)，線夾最大通流能力為32 kA/s，考慮光纜運(yùn)行過程中仍然有遭受雷擊的可能性，為保障光纜在通過雷電大電流的情況下，楔形線夾仍能正常工作，應(yīng)在楔形線夾外側(cè)加裝一組引流線，保證流經(jīng)楔形線夾最大電流低于32 kA/s。根據(jù)GB/T 2314—2008《電力金具通用技術(shù)條件》和DL/T 765.1—2021《架空配電線路金具技術(shù)條件》的規(guī)定[7-8]，選用并溝線夾和純鋁引流線的處理模式。由于并溝線夾導(dǎo)電能力不得低于接觸光纜的電阻，因此選用15.2 mm光纜配套鋁并溝線夾，且引流線也采用純鋁線。并溝線夾常見的結(jié)構(gòu)形式有螺栓式并溝線夾、楔型并溝線夾和H型并溝線夾3種，為便于直升機(jī)作業(yè)人員一次性安裝到位，該次作業(yè)選用螺栓式并溝線夾。

3.3 作業(yè)安全距離控制措施

1)絕緣繩選擇

直升機(jī)作業(yè)時(shí)，為了保證直升機(jī)的安全，同時(shí)避免感應(yīng)電傷人，一般按照10 kV感應(yīng)電進(jìn)行預(yù)防。按照Q/GDW 1799.2—2013《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程 線路部分》的規(guī)定[9]，至少要加裝有效絕緣長度大于60 cm的絕緣繩。經(jīng)國網(wǎng)通航公司綜合分析和驗(yàn)證，現(xiàn)場選用2根直徑為16 mm、長為3 m絕緣繩并列使用，額定載荷為1 t，充分保證作業(yè)的安全性。

2)檢修安全距離分析

采用激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示，分析得到導(dǎo)線和光纜之間的距離為11.74 m，考慮直升機(jī)吊椅操作人員活動(dòng)站位2 m，攜帶的最長物體為純鋁引流線長2.6 m，直升機(jī)作業(yè)人員距離帶電體的最小距離S=11.74-2-2.6=7.14 m，作業(yè)點(diǎn)海拔高度為698 m，符合安規(guī)規(guī)定的500～1000 m海拔，安全距離大于3.4 m的要求。

圖4 激光點(diǎn)云計(jì)算的導(dǎo)線和光纜距離

3.4 直升機(jī)作業(yè)方法選擇

根據(jù)綜合評(píng)估，該次作業(yè)計(jì)劃選用國網(wǎng)通航公司Bell429雙發(fā)輕型直升機(jī)。目前國內(nèi)直升機(jī)帶電作業(yè)常用的方法有吊籃法、吊索法和絞車法3種[10]。考慮光纜受損嚴(yán)重，同時(shí)兼顧作業(yè)效率，因此選用絞車法，即在直升機(jī)上配置絞車設(shè)備。作業(yè)人員上下依靠絞車控制，絞車額定載荷約249 kg，最大擺幅夾角不超過20°。綜合考慮海拔、溫度、重量、風(fēng)力、燃油消耗等因素，直升機(jī)一次空中作業(yè)可以持續(xù)約35 min，考慮駕駛安全等因素，單次懸停修補(bǔ)作業(yè)不超過10 min。本次直升機(jī)作業(yè)流程為：1)將散股光纜用鋁絲簡單綁扎，在完好光纜位置安裝2套楔形線夾，再次估算安裝總長度；2)將2套楔形線夾掛板與延長板、花籃螺絲進(jìn)行螺栓連接，通過花籃螺絲收緊整串金具，使楔形線夾受力；3)在2套楔形線夾外側(cè)，使用鋁并溝線夾安裝純鋁引流線。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2022年7月17日，在500 kV姜資一線斷股光纜上，首次采用“楔形線夾+純鋁引流線”方式開展直升機(jī)修復(fù)作業(yè)。按照MH/T 1064.4—2017《直升機(jī)電力作業(yè)安全規(guī)程 第4部分:帶電作業(yè)》[11]、DL/T 1720—2017《架空輸電線路直升機(jī)帶電作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定[12]，風(fēng)速小于5 m/s，相對(duì)濕度不大于80%，能見度大于3 km，垂直能見度大于500 m，云底高度不低于吊掛作業(yè)點(diǎn)以及往返航線最高點(diǎn)為300 m，即可開展現(xiàn)場作業(yè)。按照搶修作業(yè)流程，國網(wǎng)通航公司用4個(gè)飛行架次完成了楔形線夾及連接金具安裝工作，1個(gè)飛行架次完成了并溝線夾引流線安裝工作?，F(xiàn)場作業(yè)如圖5所示，光纜修補(bǔ)后的現(xiàn)場如圖6所示。

圖5 現(xiàn)場作業(yè)

5 結(jié) 論

針對(duì)500 kV姜資一線光纜雷擊斷股的危急缺陷，考慮迎峰度夏期間電網(wǎng)無法停電檢修的特殊情況，上面給出了詳細(xì)的直升機(jī)絞車吊椅作業(yè)方案。

圖6 光纜修補(bǔ)后現(xiàn)場

該方案運(yùn)用了地電位帶電作業(yè)方式修補(bǔ)斷股光纜，修補(bǔ)作業(yè)采用“楔形線夾+純鋁引流線”全新修補(bǔ)模式，在保障人身、電網(wǎng)安全的基礎(chǔ)上，高效完成了光纜斷股危急缺陷修復(fù)工作，為四川地區(qū)超高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。該方案首次在四川省境內(nèi)得以應(yīng)用，可為工程中類似缺陷的消除提供重要的參考價(jià)值。