不同导线排列下500 kV输电线路直升机带电作业平台侵入路径

刘 超，阮江军，杜志叶，廖才波，龙明洋

（武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072）

0 引言

500 kV交流输电线路成为我国电力输送的主干网络，与之对应的带电作业和维护也成为了该领域的热点研究问题［1］。除了针对常规带电作业项目的研究外，现有文献主要是对带电作业工具进行研制和应用，包括直升机应用与带电作业、带电作业机械手、带电水冲洗系统和新型的检测仪器及安全防护工具［2］。其中，应用直升机带电作业已成为当前趋势，其主要应用于巡线、架线、输电线路快速安全检修及带电水冲洗。

国内对直升机带电作业开展的相关研究和应用始于2000年左右，直升机带电水冲洗于2004年在南方电网首次试点成功，随后国网也于2006年完成了带电水冲洗作业［3-5］。2007年，国网采用直平台作业法，通过一台Bell206型直升机进行了500 kV交流输电线路边相的带电作业试验。2010年，湖北省电网公司采用MD500E型直升机，进行了地线防振锤、标志球的安装和更换等项目的带电作业［6-10］。清华大学的学者利用直升机缩比模型试验研究了直升机对交流导线周围空间电场畸变的影响［11-12］。武汉大学和中国电科院的研究人员展开合作，对三角形导线排列下的1000 kV输电线路直升机带电作业侵入路径进行了仿真研究，并最终通过实验测量的数据验证了该方法的可行性［13］。

直升机带电作业的研究源于国外，通常可分为平台法和吊篮法。1981年，Michael Kurtgis在沙特实现了世界上首次直升机与300 kV输电线路等电位，采用的是Bell206型直升机。1983年，美国一家公司通过一台MD500型直升机与500 kV线路进行了等电位连接。1991年，美国电科院通过大量的试验得出了在线电压800 kV的情况下，中相和边相直升机带电作业的最小安全距离［14-15］。

综上可知，目前500 kV直升机带电作业已在各省电网得到了一定的应用，针对1000 kV特高压交流输电线路的直升机带电作业侵入路径等的相关研究也已初步展开。随着500 kV超高压输电线路成为我国的主干输电网络，关于其直升机带电作业侵入路径方面的细分研究显得很有必要。本文针对500 kV交流输电线路几种常见塔形对应的导线排列形式，建立了直升机平台和导线的计算模型，通过有限元电场仿真的方法，综合考虑各方面因素，对各导线排列方式下的直升机带电作业侵入路径提出了对应的参考方案。

1 建模对象

1.1 直升机及作业人员计算模型

目前，国际上通过了500 kV等电位试验认证的机型主要有Bell206型和MD500型。MD500系列机型相对Bell206系列较为小巧，适合超高压线路的相间带电作业［17］。本文以MD500型直升机为带电作业机型，其几何参数图详见文献［13］中的图1。

操作人员的模型主要参考GB10000—88《中国成年人人体尺寸》中的统计数据［18］。在建模时需要进行适当的简化，模型的简化主要参考文献［13］中的方法，最终确定作业人员的主要模型数据详见文献［13］中的表 1。

1.2 导线排列模型

500 kV输电线路存在多种杆塔类型，其对应着不同的导线排列形式：猫头型直线塔和干字型耐张塔的三相导线为三角形排列；酒杯型直线塔和门型塔的三相导线为水平排列；同塔双回直线塔每回的三相导线为竖直排列［19］。据此，500 kV交流输电线路导线排布主要可以分为三角形排列、水平排列和竖直排列3种形式，其排列结构示意图见图1。

图1 导线排列形式示意图Fig.1 Schematic diagram of conductor arrangement patterns

500 kV交流输电线路常用的导线为四分裂导线，故本文建模的对象为LGJ-400/35型导线，其子导线直径为26.8 mm，分裂间距为400 mm。各相导线之间及导线对地之间的距离依据实际的500 kV交流输电线路导线参数设定，具体如表1所示。

表1 导线相间及对地距离Table1 Inter-conductor distances and conductor-ground distances m

2 有限元模型

直升机带电作业平台在侵入导线路径上的电场分析，实质等同于空间悬浮电位对导线周围电场畸变程度影响分析［16］，其可通过电磁场有限元计算解决。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、大地及周围整个剩余空间。

考虑到计算量的问题，原本在无限远处的零电位边界面被截断至与直升机带电作业平台前、后、左、右以及上方相距100 m的平面处，这5个平面和地面共6个平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个平面为零电位边界条件，与导体垂直的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作业人员可视作等势体，耦合其电位自由度作为约束条件。

根据ANSI/IEEE Std 516—1995有关直升机带电检修作业最小安全距离的要求，对于500 kV交流输电线路，直升机带电作业平台和相邻带电体之间的最小安全距离为6.7 m［20］。因此，在安全距离范围内的侵入路径研究更有意义。考虑到裕度问题，本文主要研究直升机带电作业平台与导线之间的距离小于8 m时的直升机带电作业侵入路径。

在悬浮电位情况下，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，即与导线呈不同角度（分别为 0°、15°、30°、45°和60°）以及与导线距离不同（分别为3 m、5 m和8 m）的情况建模进行电场分析，不同路径下的计算位置选取如图2所示。需要说明的是，直升机带电作业平台在侵入导线时，由于周围还存在邻相的导线，所以还要特别注意直升机不能触碰到邻相的导线。对于不同导线排列类型的输电线路，在实际操作过程中上述路径并不一定全部可行，这在后续的计算和分析中也会予以考虑。

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

在直升机机身下侧建立与滑撬相连的操作平台，具体模型参考文献［13］。直升机带电作业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3 500 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 500 kV AC transmission lines

3 直升机带电作业平台侵入路径分析

3.1 水平排列电场仿真分析

带电作业过程中，作业人员身着屏蔽服、屏蔽帽、屏蔽手套及脚套，需对人体表面进行导体处理。从0°路径侵入500 kV交流输电线路边相时，直升机带电作业平台及作业人员表面的电场如图4所示。

由图4可以知道，当直升机接近导线时，直升机带电作业平台和作业人员表面的电场强度值都在增大。当直升机带电作业平台与导线的距离分别为3m、5m和8m时，整体电场强度的最大值分别约为 567 kV/m、413 kV/m 和 268 kV/m，位置均在靠近导线侧的机翼末端；作业人员电场强度的最大值分别约为 483 kV/m、291 kV/m 和 171 kV/m，位置均在作业人员的手尖。由于在分析侵入路径时，关注的是不同角度下的电场强度相对大小，所以对手和脚模型的端部进行了半球化的近似处理。这样的处理会影响不同角度下的绝对电场强度大小，但不会影响不同角度下的相对电场强度大小。由于模型上半球化的处理，作业人员的手尖出现电场强度最大值是因为与导线的距离近，而非尖端放电导致，这也排除了尖端放电对侵入路径分析的影响。

图4 直升机带电作业平台以0°侵入边相导线时的电场分布Fig.4 Electric fields when approaching angle of HLLWP to side-phase conductor is 0°

在不同的侵入角度下，分别对直升机带电作业平台进行电场分析，可得到不同侵入角度下的最大电场强度值如表2所示，其最大电场强度随侵入角度的变化曲线如图5所示。

从图5中可以明显看出，随着侵入角度的增大，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。直升机带电作业平台的电场强度最大值在侵入角度从0°变化到37.5°的过程中呈现减小的趋势，在侵入角度从37.5°变化到60°的过程中呈现增大的趋势。若以直升机作业平台场强为参考依据，应选择从15°到37.5°之间侵入比较好。

表2 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Table2 Maximum electric field intensities for different approaching angles of HLLWP to side-phase conductor

图5 直升机带电作业平台最大场强随侵入角度的变化曲线Fig.5 Curves of maximum electric field intensity of HLLWP vs.approaching angle to side-phase conductor

为寻找最优侵入路径，作业人员表面电场强度也要作为考量因素。作业人员各部位电场强度最大值与侵入路径的关系如图6所示。

图6 直升机带电作业平台以不同角度侵入边相导线时，作业员电场最大值Fig.6 Curves of maximum electric field intensity of worker vs.approaching angle to side-phase conductor

综合分析直升机带电作业平台和作业人员表面电场强度变化的规律，建议选取15°作为边相带电作业侵入角度。

上文已经研究了边相悬浮电位情况下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。由于水平导线排列方式下，两边相具有电气和结构上的对称性，只需要对某一边相进行研究。但对于中相而言，附近空间电场分布与边相具有差异性，因此有必要对中相导线侵入路径进行分析。

在中相导线侵入路径的选择上，需要注意的是中相和边相导线之间的距离为11m，且在同一水平高度上，以0°和15°的角度侵入导线是不可行的，因此只能考虑30°～60°的侵入角。按照与边相相同的方法进行仿真分析，最终建议实际操作过程中以约45°的角度侵入。

3.2 其他导线排列方式下的侵入路径分析

对三角形排列形式下的导线进行侵入路径分析，与水平排列导线思路大体一致，都需要单独分析边相和中相时的侵入路径。不同之处在于，中相导线比边相导线高9m，在对中相导线进行侵入路径分析时，0°～60°的侵入角都是可行的。通过有限元电场分析，可以得到各路径点处的直升机带电作业平台及作业人员表面电场强度，具体的结果不再赘述。最终可以得到三角形排列形式下，边相导线的建议侵入角为15°，中相导线的建议侵入角为30°。

同塔双回杆塔情况下的竖直排列导线，其侵入路径初步分析如下。首先同塔双回杆塔具有对称结构，假设左右两回线路的相序排列一致，则只需要对某一侧进行研究即可。上相受到外侧上方地线的影响，直升机带电作业平台只能从导线内侧侵入。由于左右两回线路之间的距离较近，侵入角只能考虑30°～60°的情况。中相和下相外侧空间空旷，因此0°～60°的侵入角都是可行的。通过有限元电场分析，可以得到各路径点处的直升机带电作业平台及作业人员的表面电场强度，具体的结果本文不再赘述。最终可以得到竖直排列形式下，上相导线的建议侵入角为30°，中相导线的建议侵入角为15°，下相导线的建议侵入角为0°。

将3种导线排列形式下的建议侵入路径分析结果进行汇总，如表3所示。

表3 不同导线排列形式下的建议侵入路径Table3 Suggestive approaching paths of HLLWP for different conductor arrangements

根据文献［13］中的实验及分析，通过建立直升机带电作业平台及作业人员有限元模型并进行电场仿真得到直升机带电作业平台及作业人员的表面电场强度是与实验测量方法所得结果相吻合的，从而证明了仿真模型的可靠性。本文的研究内容未直接开展验证试验，但是采用的人体及直升机带电作业平台模型与文献［13］一致，因此仿真的结果及对应的分析结论也是可靠的。

4 结论

本文建立了直升机带电作业平台侵入导线模型，并进行了电场仿真，根据仿真结果对3种不同导线排列方式下500 kV交流输电线路直升机平台法带电作业侵入路径进行研究分析，最终给出了各相的建议侵入路径。

在对同塔双回竖直排列导线侵入路径研究的过程中，给出了左右两回输电线路相序一致的假设条件。但实际过程中两回导线是相对独立的，且存在着换相，因此后续还需对两回不同相序排列情况下的侵入路径进行深入研究。

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