劉 超，阮江軍，杜志葉，廖才波，龍明洋

（武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

500 kV交流輸電線路成為我國電力輸送的主干網(wǎng)絡，與之對應的帶電作業(yè)和維護也成為了該領域的熱點研究問題［1］。除了針對常規(guī)帶電作業(yè)項目的研究外，現(xiàn)有文獻主要是對帶電作業(yè)工具進行研制和應用，包括直升機應用與帶電作業(yè)、帶電作業(yè)機械手、帶電水沖洗系統(tǒng)和新型的檢測儀器及安全防護工具［2］。其中，應用直升機帶電作業(yè)已成為當前趨勢，其主要應用于巡線、架線、輸電線路快速安全檢修及帶電水沖洗。

國內(nèi)對直升機帶電作業(yè)開展的相關研究和應用始于2000年左右，直升機帶電水沖洗于2004年在南方電網(wǎng)首次試點成功，隨后國網(wǎng)也于2006年完成了帶電水沖洗作業(yè)［3-5］。2007年，國網(wǎng)采用直平臺作業(yè)法，通過一臺Bell206型直升機進行了500 kV交流輸電線路邊相的帶電作業(yè)試驗。2010年，湖北省電網(wǎng)公司采用MD500E型直升機，進行了地線防振錘、標志球的安裝和更換等項目的帶電作業(yè)［6-10］。清華大學的學者利用直升機縮比模型試驗研究了直升機對交流導線周圍空間電場畸變的影響［11-12］。武漢大學和中國電科院的研究人員展開合作，對三角形導線排列下的1000 kV輸電線路直升機帶電作業(yè)侵入路徑進行了仿真研究，并最終通過實驗測量的數(shù)據(jù)驗證了該方法的可行性［13］。

直升機帶電作業(yè)的研究源于國外，通?？煞譃槠脚_法和吊籃法。1981年，Michael Kurtgis在沙特實現(xiàn)了世界上首次直升機與300 kV輸電線路等電位，采用的是Bell206型直升機。1983年，美國一家公司通過一臺MD500型直升機與500 kV線路進行了等電位連接。1991年，美國電科院通過大量的試驗得出了在線電壓800 kV的情況下，中相和邊相直升機帶電作業(yè)的最小安全距離［14-15］。

綜上可知，目前500 kV直升機帶電作業(yè)已在各省電網(wǎng)得到了一定的應用，針對1000 kV特高壓交流輸電線路的直升機帶電作業(yè)侵入路徑等的相關研究也已初步展開。隨著500 kV超高壓輸電線路成為我國的主干輸電網(wǎng)絡，關于其直升機帶電作業(yè)侵入路徑方面的細分研究顯得很有必要。本文針對500 kV交流輸電線路幾種常見塔形對應的導線排列形式，建立了直升機平臺和導線的計算模型，通過有限元電場仿真的方法，綜合考慮各方面因素，對各導線排列方式下的直升機帶電作業(yè)侵入路徑提出了對應的參考方案。

1 建模對象

1.1 直升機及作業(yè)人員計算模型

目前，國際上通過了500 kV等電位試驗認證的機型主要有Bell206型和MD500型。MD500系列機型相對Bell206系列較為小巧，適合超高壓線路的相間帶電作業(yè)［17］。本文以MD500型直升機為帶電作業(yè)機型，其幾何參數(shù)圖詳見文獻［13］中的圖1。

操作人員的模型主要參考GB10000—88《中國成年人人體尺寸》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［18］。在建模時需要進行適當?shù)暮喕?，模型的簡化主要參考文獻［13］中的方法，最終確定作業(yè)人員的主要模型數(shù)據(jù)詳見文獻［13］中的表 1。

1.2 導線排列模型

500 kV輸電線路存在多種桿塔類型，其對應著不同的導線排列形式：貓頭型直線塔和干字型耐張塔的三相導線為三角形排列；酒杯型直線塔和門型塔的三相導線為水平排列；同塔雙回直線塔每回的三相導線為豎直排列［19］。據(jù)此，500 kV交流輸電線路導線排布主要可以分為三角形排列、水平排列和豎直排列3種形式，其排列結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 導線排列形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of conductor arrangement patterns

500 kV交流輸電線路常用的導線為四分裂導線，故本文建模的對象為LGJ-400/35型導線，其子導線直徑為26.8 mm，分裂間距為400 mm。各相導線之間及導線對地之間的距離依據(jù)實際的500 kV交流輸電線路導線參數(shù)設定，具體如表1所示。

表1 導線相間及對地距離Table1 Inter-conductor distances and conductor-ground distances m

2 有限元模型

直升機帶電作業(yè)平臺在侵入導線路徑上的電場分析，實質(zhì)等同于空間懸浮電位對導線周圍電場畸變程度影響分析［16］，其可通過電磁場有限元計算解決。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、三相導線、大地及周圍整個剩余空間。

考慮到計算量的問題，原本在無限遠處的零電位邊界面被截斷至與直升機帶電作業(yè)平臺前、后、左、右以及上方相距100 m的平面處，這5個平面和地面共6個平面所包含的空間構(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，與導線平行的4個平面為零電位邊界條件，與導體垂直的2個平面為自然邊界條件；三相導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)平臺及作業(yè)人員可視作等勢體，耦合其電位自由度作為約束條件。

根據(jù)ANSI/IEEE Std 516—1995有關直升機帶電檢修作業(yè)最小安全距離的要求，對于500 kV交流輸電線路，直升機帶電作業(yè)平臺和相鄰帶電體之間的最小安全距離為6.7 m［20］。因此，在安全距離范圍內(nèi)的侵入路徑研究更有意義。考慮到裕度問題，本文主要研究直升機帶電作業(yè)平臺與導線之間的距離小于8 m時的直升機帶電作業(yè)侵入路徑。

在懸浮電位情況下，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，即與導線呈不同角度（分別為 0°、15°、30°、45°和60°）以及與導線距離不同（分別為3 m、5 m和8 m）的情況建模進行電場分析，不同路徑下的計算位置選取如圖2所示。需要說明的是，直升機帶電作業(yè)平臺在侵入導線時，由于周圍還存在鄰相的導線，所以還要特別注意直升機不能觸碰到鄰相的導線。對于不同導線排列類型的輸電線路，在實際操作過程中上述路徑并不一定全部可行，這在后續(xù)的計算和分析中也會予以考慮。

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

在直升機機身下側(cè)建立與滑撬相連的操作平臺，具體模型參考文獻［13］。直升機帶電作業(yè)平臺位于邊相導線附近某位置時的計算模型如圖3所示。

圖3 500 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 500 kV AC transmission lines

3 直升機帶電作業(yè)平臺侵入路徑分析

3.1 水平排列電場仿真分析

帶電作業(yè)過程中，作業(yè)人員身著屏蔽服、屏蔽帽、屏蔽手套及腳套，需對人體表面進行導體處理。從0°路徑侵入500 kV交流輸電線路邊相時，直升機帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員表面的電場如圖4所示。

由圖4可以知道，當直升機接近導線時，直升機帶電作業(yè)平臺和作業(yè)人員表面的電場強度值都在增大。當直升機帶電作業(yè)平臺與導線的距離分別為3m、5m和8m時，整體電場強度的最大值分別約為 567 kV/m、413 kV/m 和 268 kV/m，位置均在靠近導線側(cè)的機翼末端；作業(yè)人員電場強度的最大值分別約為 483 kV/m、291 kV/m 和 171 kV/m，位置均在作業(yè)人員的手尖。由于在分析侵入路徑時，關注的是不同角度下的電場強度相對大小，所以對手和腳模型的端部進行了半球化的近似處理。這樣的處理會影響不同角度下的絕對電場強度大小，但不會影響不同角度下的相對電場強度大小。由于模型上半球化的處理，作業(yè)人員的手尖出現(xiàn)電場強度最大值是因為與導線的距離近，而非尖端放電導致，這也排除了尖端放電對侵入路徑分析的影響。

圖4 直升機帶電作業(yè)平臺以0°侵入邊相導線時的電場分布Fig.4 Electric fields when approaching angle of HLLWP to side-phase conductor is 0°

在不同的侵入角度下，分別對直升機帶電作業(yè)平臺進行電場分析，可得到不同侵入角度下的最大電場強度值如表2所示，其最大電場強度隨侵入角度的變化曲線如圖5所示。

從圖5中可以明顯看出，隨著侵入角度的增大，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。直升機帶電作業(yè)平臺的電場強度最大值在侵入角度從0°變化到37.5°的過程中呈現(xiàn)減小的趨勢，在侵入角度從37.5°變化到60°的過程中呈現(xiàn)增大的趨勢。若以直升機作業(yè)平臺場強為參考依據(jù)，應選擇從15°到37.5°之間侵入比較好。

表2 直升機帶電作業(yè)平臺以不同角度侵入邊相導線時的電場強度最大值Table2 Maximum electric field intensities for different approaching angles of HLLWP to side-phase conductor

圖5 直升機帶電作業(yè)平臺最大場強隨侵入角度的變化曲線Fig.5 Curves of maximum electric field intensity of HLLWP vs.approaching angle to side-phase conductor

為尋找最優(yōu)侵入路徑，作業(yè)人員表面電場強度也要作為考量因素。作業(yè)人員各部位電場強度最大值與侵入路徑的關系如圖6所示。

圖6 直升機帶電作業(yè)平臺以不同角度侵入邊相導線時，作業(yè)員電場最大值Fig.6 Curves of maximum electric field intensity of worker vs.approaching angle to side-phase conductor

綜合分析直升機帶電作業(yè)平臺和作業(yè)人員表面電場強度變化的規(guī)律，建議選取15°作為邊相帶電作業(yè)侵入角度。

上文已經(jīng)研究了邊相懸浮電位情況下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。由于水平導線排列方式下，兩邊相具有電氣和結(jié)構(gòu)上的對稱性，只需要對某一邊相進行研究。但對于中相而言，附近空間電場分布與邊相具有差異性，因此有必要對中相導線侵入路徑進行分析。

在中相導線侵入路徑的選擇上，需要注意的是中相和邊相導線之間的距離為11m，且在同一水平高度上，以0°和15°的角度侵入導線是不可行的，因此只能考慮30°～60°的侵入角。按照與邊相相同的方法進行仿真分析，最終建議實際操作過程中以約45°的角度侵入。

3.2 其他導線排列方式下的侵入路徑分析

對三角形排列形式下的導線進行侵入路徑分析，與水平排列導線思路大體一致，都需要單獨分析邊相和中相時的侵入路徑。不同之處在于，中相導線比邊相導線高9m，在對中相導線進行侵入路徑分析時，0°～60°的侵入角都是可行的。通過有限元電場分析，可以得到各路徑點處的直升機帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員表面電場強度，具體的結(jié)果不再贅述。最終可以得到三角形排列形式下，邊相導線的建議侵入角為15°，中相導線的建議侵入角為30°。

同塔雙回桿塔情況下的豎直排列導線，其侵入路徑初步分析如下。首先同塔雙回桿塔具有對稱結(jié)構(gòu)，假設左右兩回線路的相序排列一致，則只需要對某一側(cè)進行研究即可。上相受到外側(cè)上方地線的影響，直升機帶電作業(yè)平臺只能從導線內(nèi)側(cè)侵入。由于左右兩回線路之間的距離較近，侵入角只能考慮30°～60°的情況。中相和下相外側(cè)空間空曠，因此0°～60°的侵入角都是可行的。通過有限元電場分析，可以得到各路徑點處的直升機帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員的表面電場強度，具體的結(jié)果本文不再贅述。最終可以得到豎直排列形式下，上相導線的建議侵入角為30°，中相導線的建議侵入角為15°，下相導線的建議侵入角為0°。

將3種導線排列形式下的建議侵入路徑分析結(jié)果進行匯總，如表3所示。

表3 不同導線排列形式下的建議侵入路徑Table3 Suggestive approaching paths of HLLWP for different conductor arrangements

根據(jù)文獻［13］中的實驗及分析，通過建立直升機帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員有限元模型并進行電場仿真得到直升機帶電作業(yè)平臺及作業(yè)人員的表面電場強度是與實驗測量方法所得結(jié)果相吻合的，從而證明了仿真模型的可靠性。本文的研究內(nèi)容未直接開展驗證試驗，但是采用的人體及直升機帶電作業(yè)平臺模型與文獻［13］一致，因此仿真的結(jié)果及對應的分析結(jié)論也是可靠的。

4 結(jié)論

本文建立了直升機帶電作業(yè)平臺侵入導線模型，并進行了電場仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對3種不同導線排列方式下500 kV交流輸電線路直升機平臺法帶電作業(yè)侵入路徑進行研究分析，最終給出了各相的建議侵入路徑。

在對同塔雙回豎直排列導線侵入路徑研究的過程中，給出了左右兩回輸電線路相序一致的假設條件。但實際過程中兩回導線是相對獨立的，且存在著換相，因此后續(xù)還需對兩回不同相序排列情況下的侵入路徑進行深入研究。

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