直升机巡视1000kV交流特高压线路的安全作业距离

直升机巡视1000kV交流特高压线路的安全作业距离
沈建;刘伟东;刘鸿斌;汪骏;武艺
【摘要】Because of helicopter's inspection angle and high-tech equipment on board, its inspections on ultra high voltage (UHV) power lines have unmatched advantages compared to manual work, especially in tower head detail inspections and infrared/ultraviolet radiation defect detections. Some key technical problems in inspections for UHV lines with a helicopter were studied, such as safety distances for live line works, electromagnetic field intensity and flight control. Based on the study results, a set of UHV line inspection methods were developed and implemented formally and successfully on live lines of UHV.%在特高压线路巡检技术中,直升机巡视,因其巡视角度和携带的高科技装备,具有人工巡检无法比拟的优点,尤其是在巡视塔头细节和发现红外、紫外特征缺陷方面有着巨大的优势.研究和讨论直升机在巡视1 000kV交流特高压线路的安全距离方面的应用.通过对带电安伞距离、电磁场强度及飞行控制等方面的研究,解决了直升机巡视交流特高压线路的关键技术问题,并以此为基础开发出整套的交流特高压线路巡视方法,最终在带电的特高压线路上成功进行了正式的直升机巡视作业.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2011(044)005
【总页数】5页(P41-45)
【关键词】直升机巡视作业;安全作业距离;电磁场仿真计算
【作者】沈建;刘伟东;刘鸿斌;汪骏;武艺
【作者单位】国网通用航空有限公司,北京,100045;国网通用航空有限公司,北
京,100045;华北电网有限公司,北京,100053;国网通用航空有限公司,北京,100045;
国网通用航空有限公司,北京,100045
【正文语种】中文
【中图分类】TM755
0 引言
随着特高压网架的逐渐建立，特高压线路由于塔高、相间距大及电压等级高等特点给人工巡线带来了很大的困难。

直升机可以悬停在特高压塔头位置，并可用机载的可见光及红外和紫外装备对线路进行全面的检测，目前华北电网有限公司已经积累了多年的超高压巡视经验［1-11］。

但是，特高压线路由于电压等级更高，在带电作业距离和电磁场环境方面与超高压线路有很大的差异。

如直升机巡线会经过特高压交流输电线路附近的高场强区域，这些区域的电场和磁感应强度可能会超过工作人员曝露限值，需要重新对作业安全距离值进行计算和整定。

巡线时，影响直升机作业距离的因素主要有3个方面：（1）带电作业安全距离；（2）飞行安全裕度；（3）电磁场环境的影响。

安全距离则取前2个值的最大值，最后再用电磁场的结果给予验证。

1 带电作业安全距离
带电作业安全距离即直升机处于中间电位与带电体的放电距离。

直升机悬浮在空中
对线路进行巡视，应视为中间电位作业，如果直升机与带电体距离过近而发生放电，则与带电体等电位。

因为目前电力巡线用的直升机，仅有BELL206和MD500系
列通过了500 k V等电位测试，并没有通过1000 k V的等电位测试，所以直升机应严格控制与特高压线路的距离。

此种情况下带电体与其放电的距离非常小，若把此情况考虑得更加严格，则视直升机为地电位进行带电作业。

根据文献［12］的
线路部分的表10-1数据，在1000 k V边相带电作业安全距离为6.0 m，中相为6.8 m。

2 飞行安全裕度
飞行安全裕度主要考虑直升机在飞行时产生的晃动，以及旋翼舞动的范围。

目前经常使用的BELL206直升机螺旋桨直径为12 m。

民航总局批准巡线作业的最低气
象标准为：山区作业云下能见度不小于3 km，风速不大于5 m/s。

平原作业云下能见度不小于3 km，风速不大于8 m/s。

直升机巡线飞行真高不得低于50 m；
侧向距离不小于旋翼直径的1.5倍。

依据此批准文件，则安全距离应为18 m。

3 安全距离的初步确定
飞行安全裕度要比带电作业安全距离大得多，故取飞行安全裕度18 m的值应能完全满足带电作业安全距离的要求。

考虑到实际作业时风速、气候以及线路周边环境对直升机作业安全的影响，直升机巡视特高压输电线路安全距离初步确定为20～25 m。

直升机巡视时与塔头的相对位置应考虑综合巡视角度和飞行高度。

酒杯型直线塔、门型直线和耐张塔，其三相导线均为水平排列，直升机悬停时位置应与地线横担水平，可以方便地查看导地线（见图1）。

猫头型直线塔和干字型耐张塔，其三相导线为三角形排列，地线与下导线间垂直距离较大，直升机在与地线横担水平悬停时，受距离和角度限制（望远镜俯角不宜过大），检查下导线比较困难，因此针对该类塔型，直升机在巡视时悬停位置应稍低
于地线横担，与地线横担垂直距离为0～6 m（见图2）。

图1 直升机巡视门型塔时的悬停位置Fig.1 Helicopter’s hovering position when patroling the door-shaped tower
图2 直升机巡视猫头塔时的悬停位置Fig.2 Helicopter’s hovering position when patroling the cathead-shaped tower
4 电磁场环境的影响
4.1 空间场强计算条件
特高压交流试验示范工程输电线路在山区采用水平排列，在平原为了节约线路走廊，采用三角形排列，塔头如图3、4所示。

仿真计算初始条件为：运行电压1000 k V，运行电流2590 A，导线采用8分裂500 mm2导线，分裂间距0.4 m，线路
计算高度为对地最小距离21 m。

4.2 电场强度计算结果
应用仿真软件分别对2种塔型的导线和地线之间的场强以及地线上方的电场强度
进行计算。

考虑到直升机飞行的安全距离，计算范围从导线上方1 m到地线下方
1 m的场强。

4.2.1 导线水平排列且对地高度21 m时
计算从导线上方1 m到地线下方1 m的场强（地面上方 25.3～43.8 m）。

由于导线表面和地线表面的电场强度都很大，达到“十几k V/cm”的数量级，受其影响，其周围的电场强度也较大。

如图5所示：在线路和地线之间，有5个高
电场强度区域。

图3 水平排列塔头Fig.3 Horizontally arranged tower head
图4 导线三角排列塔头Fig.4 Triangular-arranged tower head
图5 水平排列导线和地线之间电场分布Fig.5 Electric field distribution between horizontally arranged conduction lines and the ground line
导线上方1 m处的电场强度的最大值为161.6 k V/m，随着空间高度的增加，电场强度逐渐下降，线路中心线上方的场强最小值为7.98 k V/m。

但是，在接近地线的区域，场强受到地线畸变的影响，又逐渐增加，地线下方1 m处的最大场强达到12.4 k V/m。

在距线路中心线60 m处，空间电场强度的最小值为1.2 k V/m。

4.2.2 导线三角形排列且对地高度21 m时
计算从导线上方1 m到地线下方1 m的场强（地面上方 44.3～54.8 m）。

如图6所示：因为导线为三角形排列，所以在线路和地线之间有3个高电场强度区域。

导线上方1 m处的电场强度的最大值为149.8 k V/m，随着空间高度的增加，电场强度逐渐下降，线路中心线上方的场强最小值为12.8 k V/m。

但是，在接近地线的区域，场强受到地线畸变的影响，又逐渐增加，地线下方1 m处的最大场强达到19.2 k V/m。

在距线路中心线60 m处，空间电场强度的最小值为0.83 k V/m。

图6 三角排列导线和地线之间电场分布Fig.6 Electric field distribution between triangular-arranged conduction lines and the ground line
4.3 磁感应强度计算
输电线路下方地面附近的磁感应强度远远小于100 μT，但是，线路附近空间的磁感应强度却较大，地线对空间磁场分布的影响可以忽略。

4.3.1 水平排列的线路
如图7所示：在导线上方有3个高电磁场强度区域，导线上方1 m处的最大磁感应强度为502 μT。

随着空间高度的增加，磁感应强度逐渐降低，到导线上方25 m处，磁感应强度最大值降低到17.4 μT，距线路中心线60 m处的磁场强度最小值为4.94 μT。

4.3.2 三角排列的线路
如图8所示：在导线上方有1个高场强区域。

导线上方1 m处的最大磁感应强度
为484.0 μT。

到导线上方20 m处，磁感应强度逐渐降低到14.8 μT。

距线路中心线60 m处的磁场强度最小值为3.7 μT。

图7 水平排列导线空间磁感应强度Fig.7 Magnetic induction intensity of horizontally arranged conduction lines
图8 三角形排列导线空间磁感应强度Fig.8 Magnetic induction intensity of triangular-arranged conduction lines
4.4 总结与分析
4.4.1 电磁场仿真计算结果
根据前面的计算，得出悬停位置的电场和磁场强度如表1所示。

4.4.2 实际测量值
在巡视带电特高压试飞时安排了电场强度的测试，包含水平排列和三角排列的塔形。

作业人员在直升机机舱内外使用场强测量仪进行实地测量，距边相导线20～25 m 的平均测量结果如表2、3所示。

4.4.3 国际权威标准规定的限值
关于人体电磁场曝露限值的国际权威标准共有2个：（1）1998年国际非电离辐
射防护委员会（ICNIRP）发布的《限制时变电场、磁场和电磁场曝露（300 GHZ 以下）导则》［13］；（2）2002 年 9 月 22 日美国 IEEE批准发布的《IEEE关
于人体曝露于0～3 k Hz电磁场的安全水平标准（IEEE std.C95.6—2002）》［14］。

表1 仿真计算结果Tab.1 Simulation results?
表2 直升机机舱外电场强度测量值Tab.2 Field intensity measurement value outside the chopper cabin?
表3 直升机机舱内电场强度测量值Tab.3 Field intensity measurement value inside the chopper cabin?
上述2项曝露标准，对人体曝露于工频电场及磁场环境中电场强度与磁场感应强
度的允许限值，以及人体处于电场中接触带不同电位的金属物体时允许流过人体的接触电流限值分别作出规定，表4列出电场及磁场的限值。

表4 工频电场及磁场限值对照Tab.4 Limit value comparison of power electric field and magnetic field?
因此，（1）无论是从电磁场的仿真结果还是实测结果来看，直升机舱外电磁场值均低于国际权威标准的规定限值，说明20～25 m的安全距离完全满足电磁场曝
露限值的要求；（2）机舱内部电场强度值非常低，这是因为BELL206直升机的
外壳为金属材质，并且形成了一个近似密闭的空间，故能够在舱内进行有效的屏蔽，故机舱内测量值仅为“几V/m”。

5 结语
经过对带电作业安全距离及飞行裕度的综合考虑，以及电磁场仿真和实测值的检验，直升机巡视1000 kV交流特高压线路的安全距离最终确定为20～25 m，成功解
决了直升机巡视特高压线路的关键技术问题。

此方法对研究直流特高压的巡视安全距离也有很大的指导意义。

2009年2月10日，对1000 kV晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程线路成功进行了一次全线路带电巡视，并加装了紫外巡视设备，此次作业飞行时间166.7 h，航巡1272.53 km（双侧巡视总距离），共发现缺陷63条，开创了特高压带电巡视飞行的先河，具有国际领先水平。

2010年4月4日，对±800 kV复龙-奉贤直流特高压线路成功地进行了带电巡视
试飞，目前正式巡视正在积极开展中。

参考文献：
［1］邵允临，曹晋恩，尚大伟.直升机巡检华北电网超高压输电线路［J］.中国电力,2003,36（7）：39-42.SHAO Yun-lin,CAO Jin-en,SHANG Da-wei.Patrol inspection of EHV electric power transmission line with helicopter in North China Power Network［J］.Electric Power,2003,36（7）:39-42.
［2］赵鹏，邓春，袁亦超.应用直升飞机巡检输电线路［J］.华北电力技
术,2002,10（3）:3-5.ZHAO Peng,DENG Chun,YUAN Yi-chao.Patrol inspection of electric power transmission line with helicopter［J］.North China Electric Power,2002,10 （3）:3-5.
［3］林志和.超高压输电线路采用直升机巡线的探讨［J］.福建电力与电工，2004，24（4）:20-22.LIN Zhi-he.The discuss of EHV electric power transmission line helicopter patrol inspection［J］.Fujian Power and Electrical Engineering,2004,24（4）:20-22.
［4］邱国新.在直升飞机上应用红外热像技术巡视检测高压输电线路设备的回顾［J］.广东电力,2005,18（3）:73-75.QIU Guo-xin.Review on using infrared thermal imaging technique on helicopters to inspect equipments of HV transmission lines［J］.Guangdong Electric Power，2005,18（3）:73-75. ［5］张柯,周朝阳,李海峰,等.直升机作业在我国特高压电网中的应用前景分析［J］.河南电力,2006（1）:18-19,22.ZHANG Ke,ZHOU Zhao-yang,LI Hai-feng,et al.Analysis on helicop ter patrol application arospect in China’s UHV grid ［J］.Henan Electric Power,2006（1）:18-19,22.
［6］赵彦平,李丽.直升飞机巡视检测高压输电线路［J］.山西电力，2006
（S1）:41-42.ZHAO Yan-ping,LI-Li.Helicopter surveying supper voltage transmission lines［J］.Shanxi Electric Power,2006 （S1） :41-42.
［7］张柯，李海峰，王伟.浅议直升机作业在我国特高压电网中的应用［J］.高电
压技术，2006，32（6）:50-51,60.ZHANG Ke,LI Hai-feng,WANG
Wei.Analysis of helicopter patrol application prospect in Chinas UHV grid ［J］.High Voltage Engineering,2006，32（6）:50-51,60.
［8］张吴明，杨又华.机载多角度多光谱成像技术在电力系统中的应用［J］.华中电力，2006，19（6） :4-5,15.ZHANG Wu-ming,YANG You-hua.Application of airborne multiangular and multispectral imaging system in power system［J］.Central China Electric Power,2006，19（6） :4-5,15.
［9］李国兴.我国直升机电力作业的现状与发展［J］.电力设备，2006，7（3） :45-49.LI Guo-xing.Present situation and development of helicopter power job in China［J］.Electrical Equipment,2006,7（3）:45-49.
［10］汪骏，沈建，陈方东，等.直升机水冲洗带电超高压输电线路绝缘子［J］.电力建设，2007，28（7）:44-47.WANG Jun,SHEN Jian,CHEN Fang-dong,et al.Live EHV transmission line insulator flush using helicopter［J］.Electric Power Construction,2007，28（7）:44-47.
［11］尚大伟.华北电网直升机电力作业的现状与发展［J］.电力设备,2007,8（4）:39-41.SHANG Da-wei.Present situation and development of power job with helicopter in North China Power Grid［J］.Electric Equipment,2007,8（4）:39-41.
［12］ISBN 978-7-5083-9130-44国家电网公司电力安全工作规程（线路部分）［S］.2009.
［13］CNS14959—2005限制时变电场、磁场和电磁场曝露（300 GHZ以下）导则［S］.1998.
［14］ANSI/IEEE C95.6-2006 IEEE关于人体曝露于0～3 kHz电磁场的安全水平
标准［S］.2006.。