1 000 kV特高压交流输电线路直升机平台法带电作业侵入路径

2015-09-18阮江军廖才波杜志叶周涛涛

电力自动化设备 2015年6期

刘超，阮江军，廖才波，杜志叶，周涛涛，彭勇

（1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072；2.中国电力科学研究院，湖北武汉 430074）

0 引言

随着国内首条1000 kV特高压交流输电线路（晋东南—荆门试验示范工程线路）的建设、调试和运行，学者们对特高压交流输电线路带电作业也进行了相关研究。国网电力科学研究院对1000 kV特高压交流输电线路带电作业的电场强度测量、人体表面电场、安全防护、组合间隙放电机理以及安全距离等内容进行了试验研究，得出了具有指导意义的结论，并对带电作业的发展提出了一些展望［1-10］。清华大学的学者利用直升机缩比模型研究了直升机对交流导线周围空间电场畸变的影响［11-12］。

国外学者对直升机带电作业的研究相对早于国内。直升机带电作业可分为平台法和吊篮法，美国主要采用平台法，而法国则主要采用吊篮法。1981年，Michael Kurtgis使用Bell206型直升机在沙特实现了世界上首次直升机与300 kV线路等电位连接，随后成立专门从事电力作业服务的直升机公司Airmobile。1983年，美国Haverfield直升机公司将MD500型直升机与500 kV线路进行等电位连接，开始了直升机带电作业服务。1991年，美国电科院通过大量试验研究了最高线电压为800 kV时，进行中相和边相直升机带电作业的最小安全距离［13-14］。近年来，直升机带电检修技术在我国也得到了广泛应用。2007年，北京超高压公司采用Bell206型直升机平台作业法，进行了500 kV交流输电线路边相的直升机带电作业试验。2010年，湖北超高压输变电公司采用MD500E型直升机，在双玉一回494号和495号杆塔之间进行了地线防振锤安装和更换、标志球安装和更换等项目的带电作业。作业过程中，直升机不仅在地线之间和导、地线之间穿行，而且还飞入水平布局结构的中相进行带电作业［15-18］。

综上所述，虽然目前对1000 kV交流输电线路带电检修技术的研究已较为深入，对800 kV交流输电线路直升机带电作业安全距离也有了一些研究，但是对直升机带电作业侵入导线路径方面的研究尚未开展。随着1000 kV特高压交流输电线路的投运，这方面的研究十分有必要。本文针对直升机平台法带电作业，通过计算直升机平台及附近空间电场分布的方法，综合考虑各方面因素，选择最优侵入路径，并通过试验验证了该方法的可靠性。

1 直升机带电作业平台模型

1.1 有限元模型

分析直升机带电作业平台（HLLWP）在侵入导线路径上的电场，实质等同于分析空间悬浮电位对导线周围电场畸变程度的影响［19］，这个问题可通过计算电磁场有限元解决。该有限元模型的计算域包括直升机带电作业平台、操作人员、三相导线、大地及周围的整个剩余空间。

考虑到计算量的问题，原本在无限远处的0电位边界面被截断至与直升机带电作业平台前、后、左、右以及上方各相距100 m的平面处，上述5个面以及地面在内的6个面所包含的空间构成了近似的整体有限元计算域。上述6个平面即为计算域的边界面，与导线平行的4个平面为0电位边界条件，与导线垂直的2个平面为自然边界条件；三相导线在某一时刻的电位是确定的，可固定其电位自由度；直升机带电作业平台及操作人员可视作等势体，耦合其电位自由度作为约束条件。

1.2 直升机计算模型

目前，国际上在直升机带电作业中普遍采用的机型主要有Bell206系列和MD500系列，这2种机型都通过了国际上的500 kV等电位试验认证；其中MD500系列机型更为小巧，更加适合特高压线路的相间带电作业。因此本文以MD500型直升机作为侵入路径的研究对象，其几何参数如图1所示。

图1 MD500型直升机几何参数Fig.1 Geometric parameters of MD500 helicopter

1.3 作业人员计算模型

研究直升机平台法带电作业侵入路径，需要建立相应的作业人员模型，并根据人体模型不同部位表面电场强度情况确定最优的侵入路径。不同操作人员的体型特征各不相同，因此需要参考GB10000—88《中国成年人人体尺寸》中的统计数据［20］。为了适当简化分析难度，根据标准中的统计数据，在建立模型时将人体模型尽量简化，其中人体头部采用球形模拟，上半身采用长方体模拟，肩部进行圆滑处理。同时，作业人员手臂和腿部的电场也是关注的重点之一，将手臂和腿部采用圆柱体模型模拟。考虑到作业人员在侵入导线过程中通常固定坐在平台上，因此建立的人体仿真模型也采用坐姿方式。最终确定作业人员的主要模型数据如表1所示。

表1 成年男性坐姿模型参数Table 1 Parameters of seated adult male model

1.4 整体计算模型

悬浮电位情况下，为了分析直升机带电作业平台在不同侵入路径下的操作平台及操作人员表面电场情况，分别对直升机带电作业平台处于空间不同位置，即与导线成 0°、15°、30°、45°和 60°以及与导线距离3 m、5 m和10 m的情况下建模进行电场分析，不同路径下的计算位置选取如图2所示。

图2 直升机带电作业平台不同角度侵入路径Fig.2 HLLWP approaching path for different angles

1000 kV特高压交流输电线路模型根据实际运行线路参数建立，导线采用八分裂结构，分裂间距为400 mm，子导线直径为30 mm，三相导线呈三角形排布方式，导线线电压为1000 kV，线路相电压最大值为816.5 kV。在直升机机身下侧建立与滑撬相连的操作平台，操作平台长4.14 m，宽1.05 m，固定于直升机滑撬后端，操作人员坐于操作平台外侧。直升机带电操作平台位于边相导线附近某位置时的计算模型如图3所示。

图3 1000 kV交流输电线路直升机带电作业平台计算模型Fig.3 Calculation model of HLLWP for 1000 kV UHV AC transmission lines

2 直升机带电作业平台侵入路径分析

2.1 中相导线侵入路径分析

在直升机带电作业平台进行侵入导线、等电位作业以及退出等电位的过程中，作业人员始终身着屏蔽服、屏蔽帽、屏蔽手套及脚套。因此在进行电场计算时，将人体表面当作导体来处理。通过电场计算可以得到平台整体及作业人员表面的电场分布结果，以0°路径侵入1000 kV特高压交流输电线路中相导线的情况下，直升机带电作业平台及作业人员身体表面的电场分布结果如图4所示。

图4 直升机带电作业平台以0°侵入中相导线时的电场分布Fig.4 Electric field when HLLWP approaching angle to middle-phase conductor is 0°

分析图4可知，悬浮电位情况下，直升机离导线越远，直升机带电操作平台和作业人员表面的电场数值越小。当距离为10 m、5 m和3 m时，平台整体电场强度最大值分别为690 kV/m、1 188 kV/m和1 562 kV/m，出现位置均为靠近导线侧的机翼末端；作业人员身体表面电场强度最大值分别为355kV/m、724 kV/m和1079 kV/m，均出现在操作人员手尖。

针对不同的侵入角度，对直升机带电作业平台进行电场分析，得到不同路径下电场强度最大值和距离的关系如表2所示。

表2所示结果表明，直升机带电作业平台整体电场强度最大值随侵入角度增大呈减小的趋势，在侵入角度为0°和15°时，电场强度最大值出现在近导线侧的螺旋桨末端，当侵入角度增大至30°以后，电场强度最大值出现在作业人员的手尖、脚尖和远离导线侧的螺旋桨末端。从直升机安全角度进行考虑，60°是最可靠的入侵角度。

为了得到最优的导线侵入路径，除了要考虑直升机带电作业平台整体在不同路径下的表面电场情况，作业人员的表面电场情况也必须作为考量因素。作业人员身体表面各部位电场强度最大值与侵入路径的关系如图5所示。

图5表明，侵入角度越大，则作业人员手尖、头部和胸前表面电场强度最大值越小，而作业人员脚尖电场强度在0°和60°侵入角度时均较小。综合考虑直升机作业平台整体和作业人员的分析结果，应该选择60°作为侵入角度。但是由于侵入角度为60°时的作业难度较大，因此实际操作过程中建议选取45°作为侵入角度。

2.2 边相导线侵入路径分析

2.1节研究了中相悬浮电位情况下5种不同侵入角度时的电场强度，并以此为依据给出了侵入路径的参考建议。由于边相和中相附近空间电场分布的差异性，因此也有必要对边相导线侵入路径进行分析。

图5 直升机带电作业平台以不同角度侵入中相导线时，操作人员身体表面电场强度最大值Fig.5 Maximum electric field intensity of operator for different HLLWP approaching angles to middle-phase conductor

针对不同的侵入角度，对直升机带电作业平台进行电场分析，得到不同路径下电场强度最大值和距离的关系如表3所示。

计算结果表明，随着侵入角度增大，直升机带电作业平台电场强度最大值没有呈现单一减小的趋势。从0°到30°的变化过程中，直升机带电作业平台场强最大值呈现减小的趋势；从30°到60°的变化过程中，直升机带电作业平台场强最大值呈现增大的趋势。若以直升机作业平台场强为参考依据，应选择15°～30°侵入比较好。分析其原因，从边相悬浮电位侵入时，随着侵入角度的增大，直升机与中相的距离变小，此时直升机带电作业平台的场强是边相导线与中相导线共同作用的结果，这与从中相侵入时的情况是不同的。

作业人员身体表面及各部分电场强度最大值与侵入角度及距离的关系如图6所示。

表3 直升机带电作业平台以不同角度侵入边相导线时的电场强度最大值Table 3 Maximum electric field intensity of HLLWP for different HLLWP approaching angles to side-phase conductor

图6 直升机带电作业平台以不同角度侵入边相导线时，操作人员身体表面电场强度最大值Fig.6 Maximum electric field intensity of operator for different HLLWP approaching angles to side-phase conductor

观察图6可以发现，各角度侵入过程中，作业人员手尖和脚尖的电场强度相对较大，手尖最大电场受路径的影响很小，而脚尖最大电场则与路径有较大关系，因此应该以脚尖的电场为选择依据，侵入角度选为0°～15°较好。综合直升机带电作业平台和作业人员两方面的因素，实际操作过程中建议选取15°作为边相导线侵入角度。

3 直升机带电作业电场分析方法验证

3.1 试验测量

前文主要通过仿真方法，对直升机平台法带电作业在不同相和不同侵入路径的电场分布进行了研究。由于计算模型进行了适当的简化，同时考虑到1 000 kV直升机平台法带电作业电场分布研究在国际上尚属首次，因此有必要将仿真结果与试验结果进行对比，验证仿真方法的正确性。

将MD500型直升机固定于距离地面12 m高的实验平台上，实验平台的尺寸为 2.7 m×2.4 m×0.2 m。身着屏蔽服、屏蔽手套、屏蔽鞋和屏蔽帽的模拟人放置在直升机作业平台的右端，通过模型人手中的等电位转移棒与导线进行等电位连接。特高压试验导线采用八分裂线，距离转移棒端部1.5 m，试验现场布置如图7所示。

图7 1000 kV交流输电线路直升机带电作业试验布置图Fig.7 Arrangement diagram of helicopter live-line work experiment for 1000 kV UHV AC transmission lines

试验过程中，将导线电压逐渐提升至线路的最高运行相电压635 kV，通过导线对转移棒放电使得作业平台与导线处于等电位状态。实验人员在机舱内将电场测量探头置于模拟人头顶测量电场强度，其结果为206 kV/m。

3.2 仿真方法验证

根据试验布置及加载条件建立相应的直升机带电作业仿真模型，计算得到整体试验模型及模型人身体表面电场分布结果如图8所示。

仿真结果表明，直升机螺旋桨末端的电场最大值为3207 kV/m；模型人身体表面的电场强度最大值为976 kV/m，出现在模拟人的脚尖处。考虑到电场测量探头的厚度为2 cm，在模拟人头顶高2 cm处沿垂直导线方向选取路径观测点，绘制路径上电场分布曲线如图9所示。由图9可知，模拟人头顶正上方2 cm处电场计算结果为216 kV/m，与实际测量结果较为接近。