特高壓線路直升機帶電作業電位轉移試驗及安全防護

杜 勇，唐開平,彭 勇,龍 飛，李 明,武 藝

（1.國網湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050；2.中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074；3.國網通用航空有限公司，北京 102209）

特高壓線路直升機帶電作業電位轉移試驗及安全防護

杜 勇1，唐開平1,彭 勇2,龍 飛1，李 明1,武 藝3

（1.國網湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050；2.中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074；3.國網通用航空有限公司，北京 102209）

特高壓交直流線路直升機帶電作業是一種先進的電網檢修技術，主要有懸吊法和平臺法兩種方式。通過開展特高壓線路直升機帶電作業電位轉移試驗，獲取了電位轉移電流大小和分布特性，其脈沖電流幅值可達1 400 A以上，獲取了進入等電位過程中臨界起弧距離，平均值為0.97 m，并采取了特高壓專用型電位轉移棒和屏蔽服等防護措施，為直升機帶電作業的安全開展提供技術支撐。

特高壓；直升機；帶電作業；懸吊法；平臺法；電位轉移電流；安全防護

0 引言

直升機帶電作業是當前世界上少數發達國家在電網維護檢修中采用的作業手段，具有作業快速高效的特點[1]。目前，國外僅具備500 kV電壓等級及以下的作業能力，由于我國特高壓交直流電網的飛躍發展，在特高壓直升機帶電作業領域也實現了技術突破，已走在世界的前列。特高壓交直流線路直升機帶電作業是一種先進的帶電作業方式，安全性方面需重點考慮特高壓環境下的帶電作業體（飛機、作業平臺或吊籃、人員）進入電位時的電位轉移電流大小及安全防護措施等。

1 直升機帶電作業方法及安全性比較分析

目前，國內外已開展了超高壓及以下線路的直升機帶電作業應用，中國已率先進行了特高壓直升機帶電作業技術研究和應用。直升機帶電作業方法主要有懸吊法和平臺法。懸吊法是通過絕緣繩（桿）或吊籃，將作業人員或設備送至線路作業點進行帶電作業的方法，按具體工作方式又細分為吊索法和吊籃法。由于吊索法僅僅將人或工器具和材料直接吊入作業點，而吊籃法還具有在作業點施工作業的能力，吊籃法更具有典型性。（在無特殊情況下本文主要以吊籃法作為懸吊法的典型來進行分析。）平臺法是在直升機機腹設置工作平臺，直升機攜帶乘坐在工作平臺上的作業人員直接接觸帶電導線并進行等電位作業。[1-5]

懸吊法和平臺法是直升機帶電作業優勢互補的兩種作業方式，各自特點比較如下：

（1）懸吊法帶電作業對直升機機型及機體尺寸沒有特定要求，但需要直升機的安全穩定性更高，因而一般要求使用多發直升機。同時，具有更大的任務載荷量，可以滿足大型直升機帶電作業的要求。

（2）平臺法帶電作業因直升機和作業人員作為整體進入等電位，能更精準定位作業工位，其作業效率更高。一般要求靈活輕巧的直升機，對飛機駕駛員和作業人員的要求更高，相應作業任務荷載受限制，如桿塔塔頭等部位因直升機進入受限而不具備作業條件。

作為直升機帶電作業應用技術的關鍵點之一，直升機、作業平臺（或吊籃）及人員安全進入電位是直升機帶電作業的前提和基礎。直升機、作業平臺（或吊籃）及人員組成相應的帶電作業體，由于受到電磁場環境的影響，在帶電作業進入路徑中存在浮動電位，主要因為帶電作業體為懸浮在空氣間隙中的電容，對帶電導體和大地體分別存在對導體電容和對地電容等。電容由于電荷存儲，在帶電作業體接近導地線瞬間，主要發生電容暫態放電電流，即發生臨界拉弧現象。該放電電流即為電位轉移電流，若不采取防護措施將對直升機本體和作業人員存在一定的危害。

直升機不同帶電作業方式下，直升機、作業平臺（或吊籃）及人員組成不同大小的帶電作業體，浮動電位不同于傳統作業方法中的等電位作業人員，其對地、對導線之間的電容及與帶電導線之間的電勢差會有明顯區別，相應的電位轉移電流影響將不同，對直升機本體和作業人員的危害也不同。

直升機懸吊法帶電作業時，懸索的長度一般選在20-50 m之間，直升機本體與帶電體之間不直接接觸，直升機受到電磁場及放電電流影響較小。當直接采用懸索將帶電作業人員吊入電位，相當于常規帶電作業進入電位模式；而采用吊籃法作業時，“吊籃+人”組成帶電作業體，由于吊籃體積相對較大，其等效電容理論上將大于常規帶電作業時情形。

直升機平臺法帶電作業時，直升機直接接觸等電位，受到電磁場及放電電流影響較大。“直升機+作業平臺+人”組成帶電作業體，顯然其等效電容將更大，電位轉移電流不僅對直升機燃油、傳動、通信系統和儀表影響較大，對帶電作業人員人身威脅也大[1]。

可見，直升機平臺法帶電作業時對直升機本體和作業人員的危害最為嚴峻。考慮直升機帶電作業應用技術的典型性，需重點研究分析直升機平臺法帶電作業的電位轉移電流大小及安全防護。

2 電位轉移試驗

為獲取直升機帶電作業等電位轉移過程中電位轉移電流的大小及分布特性、臨界起弧距離等，需要開展相應的直升機帶電作業電位轉移試驗，為直升機帶電作業的安全性評估、對作業人員和直升機本體的安全防護措施提供技術支撐。

2.1 國內外研究現狀

目前，國內外對常規性帶電作業電位轉移電流進行了相關研究，其研究成果可作為直升機帶電作業應用技術及試驗方法的參考依據。有關研究表明：

（1）帶電作業電位轉移電流呈現出明顯的高幅值、高頻率脈沖電流串波形特征，并且正、負極性脈沖電流相互交替，該脈沖電流隨著電壓等級的提高而增大，而電弧則隨著脈沖電流的增大而增強[6]。

（2）常規帶電作業方式下，在500 kV電壓等級以上交流線路上進入等電位過程中有比較明顯的電弧[7-8]。其中，1 000 kV交流線路的起弧距離約0.5 m，電位轉移電流大于1 000 A，脈沖電流峰值高，電弧能量大，并伴隨劇烈的電弧現象[9]。

（3）對比于特高壓交流和直流帶電作業的電位轉移電流大小，由于直流線路上的電位主要由空間絕緣電阻決定，并且還存在空間離子流及預放電，都會減小電位差。實測±800 kV特高壓直流輸電線路的電位轉移電流150 A，而最大轉移電荷為4 430 μC。因而直流輸電線路要遠小于交流輸電線路的電位轉移電流[6]。

因此，作為特高壓交直流線路直升機帶電作業電位轉移電流試驗的方案設計，特高壓交流電壓下、直升機平臺法作業方式是最嚴峻工況，考慮試驗方案的典型性，以特高壓交流線路直升機平臺法帶電作業來開展電位轉移電流試驗項目。

2.2 試驗平臺搭建

試驗在湖北武漢1 000 kV特高壓交流試驗基地進行。試驗采取對真型MD-500直升機整體進行1 000 kV線路等電位瞬間時電位轉移脈沖電流實測，以獲取直升機整體等電位轉移時的臨界起弧距離、電位轉移脈沖電流幅值特性及能量大小等。

試驗平臺采用支柱復合絕緣子支撐絕緣平臺，上面固定真型MD-500直升機進行相關試驗。試驗平臺布置于門型塔正下方，門型塔上方懸掛1 000 kV八分裂試驗模擬導線、避雷線等試驗試品。通過調整模擬導線與直升機試驗平臺之間的間隙距離，以滿足不同作業工況的要求。其中，支柱復合絕緣子起到主電氣絕緣作用適用于1 000 kV電壓等級。試驗布置圖見圖1所示。

圖1 直升機帶電作業試驗布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test arrangement for live working of helicopter

電位轉移電流測量采用光纖脈沖電流測量方法，測試裝置原理見圖2所示，電流傳感器采用同軸管式分流器，阻值為4.69 mΩ，電流傳感器前端連接電位轉移棒，分流器輸出到光纖數據采集系統采集電流波形，經光纖和下位機將信號輸送至電腦，光纖數據采集系統測量頻帶為15 MHz，最高50 MS/s（百萬次每秒）同步采集，測量系統精度為±0.2%。

圖2 電位轉移電流的測試原理圖Fig.2 test principle of potential transfer current

真型MD500直升機固定于試驗平臺上，模擬人手部持有專用電位轉移棒，電位轉移棒后端用銅帶聯接工作平臺并與直升機本體相通，前端測量設備安置于模擬人身后的工作平臺上，后端光纖數據線牽引至地面終端。

2.3 試驗數據及分析

本試驗采用直升機“通電靜止”和直升機“懸停飛行”兩種狀態下進行（圖3所示）。試驗過程中，調整模擬人手端專用電位轉移棒與模擬導線最近距離為1.3 m，逐漸升高模擬導線電壓至相電壓635 kV，獲取相應臨界起弧距離及轉移電流大小等。

圖3 臨界起弧距離試驗Fig.3 testing distance of critical arcing

試驗最終獲取起弧距離：在直升機“通電靜止”狀態下，臨界起弧距離為0.99 m，在直升機“懸停飛行”狀態下，臨界起弧距離為0.95 m。從測試結果可知，在直升機兩種狀態下的臨界起弧距離相差不大，平均為0.97 m。

模擬人手持電位轉移棒開始移動，從起弧開始直至與導線接觸時電弧熄滅，地面電腦終端在整個過程中采集完成一次脈沖電流數據。如此進行6次，試驗中記錄每次轉移電流波形，記錄時長均為400 ms，每次轉移電流波形中的正負極脈沖次數及最大幅度脈沖的脈寬及轉移電荷量如表1所示。

表1 等電位轉移電流數據分析結果Table 1 Data analysis results of equipotential transfer current

試驗中還對直升機帶電作業整體等電位轉移過程中電流波形進行測量記錄，對相應脈沖電流幅值、脈寬、轉移電荷量進行分析，1 000 kV特高壓交流線路直升機帶電作業電位轉移放電過程分析如下：

（1）試驗測量表明，1 000 kV交流特高壓線路直升機帶電作業等電位轉移過程由一系列的脈沖放電組成，脈沖電流幅值可達1 400 A以上，單次脈沖最大持續時間約60 μs～80 μs，單次脈沖轉移的電荷量最大為5.86 mC，整個電位轉移過程中所產生的平均比能量為64.13 A2s。

（2）通過對脈沖電流波形進行分析，直升機整體進行電位轉移的整個放電過程大致如下：直升機整體（均作為導體看待）接近等電位過程中，中間電位導體在靠近導線過程中，與導線接近的一面被感應出與導線相反的電荷，并在最靠近導線的尖端部位（伸出的電位轉移棒）積聚，造成電場的畸變。當中間電位導體與導線接近到一定程度時，由于中間電位導體與導線間的間隙距離的減少，以及電場的畸變作用，中間電位導體與導線間隙場強極高，從而造成此段間隙被擊穿。在間隙被擊穿的同時，中間電位導體與導線間形成穩定的電弧。通過電弧弧道，導線上的電荷與中間電位導體上感應出來的電荷迅速中和，在極短時間內形成幅值較大的電流。由于中間電位導體與導線間形成電弧后，弧道阻抗遠遠小于中間導體與塔身之間空氣間隙的阻抗，因此中間導體與導線間電壓迅速降低，當電壓下降到一定程度后，電弧通道將被阻斷，電荷及能量的轉移過程隨即停止，電流幅值為零，從而終止一次脈沖放電。而該次放電脈沖結束后，中間電位導體與導線間的阻抗恢復，之間的空氣間隙又將出現較高的電場，中間電位導體上又將被感應出電荷并積聚，造成電場畸變，在電場強度增加到一定程度后，中間導體與導線間的空氣間隙又將被擊穿，從而出現與前一次類似的放電過程。因此在中間電位導體接近導線的過程中，將不斷出現間歇性的脈沖放電，直到中間電位導體最終與導線接觸，在電位轉移過程中，中間電位導體（直升機整體）與導線的整個放電過程由一系列的放電脈沖組成。

（3）直升機整體進行6次等電位轉移過程中，每次產生的脈沖電流通過電位轉移棒、工作平臺流經直升機本體，即通過電流通道，直升機承受著試驗過程中每一次由若干高幅值脈沖組成的電位轉移電流。

在完成了直升機“懸停飛行“狀態下1 000 kV交流線路等電位轉移及電流測量試驗后，經對飛機機內燃油、傳動、通信系統和儀表進行檢查和飛行測試，發現MD500直升機內各設備工作正常，能夠滿足正常安全飛行的條件，驗證了直升機帶電作業可以順利開展。

3 安全防護器具

通過上述試驗，特高壓電壓等級下電位轉移電流較大，對作業人員的人身危害比常規情況較為嚴重。考慮特高壓電壓等級下作業工器具的通用性，一般以直升機平臺法進入電位為典型條件，研制相應安全防護器具，主要為特高壓型專用電位轉移棒和屏蔽服。

3.1 特高壓電位轉移棒

在直升機進入等電位過程中，必須嚴格控制直升機和導線之間的放電能量通道，嚴禁使平臺上最外側的作業人員成為放電通道。由帶電作業人員手持的等電位轉移棒以及其后部與作業平臺牢固聯接的導線就是這個受控的放電通道。

考慮特高壓放電能量較超高壓的較大，脈沖電流幅值可達1 400 A左右，轉移棒采用Φ10的鋁合金良導體棍制作；由于平均起弧距離為0.97 m，考慮手持操作的安全距離和使用方面，電位轉移棒長度1.0 m左右，其手握處用絕緣棒包覆（絕緣電阻＞700 MΩ），內部灌注環氧樹脂，尾部與25 mm2導線聯接。導線末端安裝接線頭，便于與作業平臺牢固聯接。電位轉移棒電阻小于1 MΩ。

3.2 特高壓專用型屏蔽服

對比500 kV帶電作業用屏蔽服，本次特高壓直升機帶電作業的作業人員身著1 000 kV專用帶電屏蔽服及面罩。本屏蔽服的技術標準嚴格按照GB6568《帶電作業用屏蔽服裝》執行，相應技術要求如下：等電位作業人員應穿戴全套1 000 kV專用屏蔽服裝，專用屏蔽服裝采用屏蔽效率不小于60 dB、其他參數符合GB6568-2008標準規定的屏蔽服布料制作，屏蔽服裝應做成上衣、褲子與帽子連成一體且帽檐加大的式樣，等電位作業人員還應加戴屏蔽效率不小于20 dB的網狀面部屏蔽罩。針對特高壓直升機帶電作業，頭部應考慮戴飛行頭盔的因素，頭部帽子尺寸應相應加大，形成特高壓直升機帶電作業專用型屏蔽服。

在特高壓直升機帶電作業要求中，不僅等電位作業人員，機艙內工作人員可身穿全套靜電防護服或全套帶電作業屏蔽服。

4 結語

特高壓線路直升機帶電作業是目前中國率先突破的先進電網檢修技術，其帶電進入等電位過程中的電位轉移電流特性及防護措施，是直升機帶電作業安全進行的關鍵點之一。

（1）通過真型MD-500直升機整體進行特高壓交流電壓下電位轉移試驗，驗證了特高壓交直流線路直升機帶電作業可以順利開展。獲取了直升機帶電作業電位轉移電流大小和分布特性，其脈沖電流幅值可達1 400 A以上；獲取了進入等電位過程中臨界起弧距離，平均值為0.97 m。

（2）通過試驗驗證，特高壓直升機帶電作業的電位轉移電流及能量大于常規性特高壓帶電作業項目，因此必須重視其進行電位轉移時的安全防護。以特高壓電壓等級下、直升機平臺法進入電位為典型條件，研制特高壓型專用電位轉移棒和屏蔽服等相應防護器具，為特高壓交直流線路直升機帶電作業提供安全防護措施。

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UHV Transmission Line Helicopter live working potential transfer test and safety protection

DU Yong1,TANG Kaiping1,PENG Yong2,LONG Fei1,LI Ming1,WU Yi3
(1.State Grid Hubei Electric Power Company Maintenance Company,Hubei Wuhan430050,China; 2.China Electric Power Research Institute,Hubei Wuhan430074,China; 3.State Grid General Aviation Company Limited,Beijing102209,China)

UHV AC/DC line helicopter live working is an advanced power grid maintenance tech?nology,mainly consisting of hanging method and platform method.The amplitude and distribution characteristics of the potential transfer current are obtained by carrying out the electric potential transfer test of live working UHV line helicopter,the pulse current amplitude of which can reach to more than 1 400 A.The critical arc distance of getting into the equipotential process is also ob?tained,the average value of which is 0.97 m.UHV special potential transfer rods,shielding servic?es and other precaution measures are taken to provide technical support for the safety of live work?ing helicopters.

UHV；helicopter；live working；hanging method；platform method；potential trans?fer current；safety precaution

TM755< class="emphasis_bold">[文獻標志碼][文章編號]

[文章編號]1006-3986(2017)04-0009-05

2017-03-16

杜勇（1973—），男，湖北黃岡人，碩士，教授級高級工程師。

10.19308/j.hep.2017.04.003