直升机带电修补雷击受损光缆技术及应用研究

(1.国网四川省电力公司超高压分公司，四川 成都 610041；2.国网四川省电力公司，四川 成都 610041；3.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

高压架空输电线路常分布于高山峡谷等复杂恶劣的地理环境中[1-2]，缺陷检修技术往往受到环境、安全等诸多因素的影响，检修工作呈现处理难度大、技术性强的特点[3-5]。并且在实际操作过程中，还需结合具体情况，制定科学合理的检修方案。因此，结合实际案例对线路缺陷检修技术的研究具有重要指导意义和工程应用价值。

1 故障概况

2022年7月13日，四川地区500 kV姜资一线光缆通信出现部分中断，查询雷电定位系统显示，500 kV姜资一线66-67号在同时间段内遭受过188.2 kA的雷击，运行单位随即开展无人机特巡工作。经排查，500 kV姜资一线66-67号光缆出现17股断12股的危急缺陷，还有2根光纤也严重受损，如图1所示。500 kV姜资一线是四川地区重要水电外送通道，一旦出现光缆断线，将导致线路跳闸，严重影响成都地区供电。

图1 500 kV姜资一线雷击导致光缆严重受损

经勘查发现，500 kV姜资一线光缆断股点位对地很高，现场吊车无法摆放，不具备吊车临停检修作业条件。因光缆断股数量过多，承载能力严重受损，光缆无法直接承载人员带电抢修。为了避免抢修过程中光缆断裂导致500 kV姜资一二线跳闸，同时为了降低抢险作业中人身安全风险，较有效的抢修方案是停电作业，采用放松直线串或放松耐张串至导线的修补法。但该方法需要500 kV姜资一二线同时停电12 h(含变电站操作时间)，在迎峰度夏电网大负荷期间，无法满足500 kV姜资一二线同时停运条件。综合考虑上述影响因素，结合线路实际运行环境，最终确定采用直升机对光缆进行带电修补的技术方案。该方案运用直升机绞车吊椅作业、楔形线夹和纯铝引流线相结合的全新作业模式，在国网四川省电力公司和国家电网通用航空有限公司(以下简称国网通航公司)技术人员的密切合作下，现场应用得以顺利实施，达到了预期目标，取得了良好的效果。

下面给出的直升机带电修补雷击受损光缆技术方案在四川省境内为首次应用，通过方案设计和案例分析，得到了可供参考的工程经验，对消除类似的输电导线和光缆缺陷具有重要的指导意义和参考价值。

2 光缆修补技术原理

为了保证直升机带电修补光缆任务能够安全顺利完成，参考国内外光缆修补的相关方法，同时结合此次光缆断股严重的特殊情况，提出了以下3种修补方案及其对应的技术原理。

1)方案1：在断股点两侧首先加装卡线器作为后备保护，然后采用“直线帕尔普修补条修复和两侧耐张帕尔普修补条后保”的施工工艺。

该工艺首先加装2套卡线器作为后备保护，再安装直线帕尔普修补条，可以避免安装帕尔普修补条时光缆突然断线，导致作业人员受伤。同时考虑到断股点两侧光缆散股比较长，直线帕尔普修补条承受张力可能不够，耐张帕尔普修补条可以作为直线帕尔普修补条失效后的后备保护，后期运行比较可靠。但该工艺在实施过程中，卡线器及中间钢丝套比较长，直升机操作人员加装困难，同时若安装卡线器时光缆突然断线，卡线器飞起可能会对作业人员和直升机造成伤害。并且，在帕尔普修补条缠绕过程中，作业人员需要使用很大力气去缠绕，容易导致光缆断股位置发生断裂。

2)方案2：采用并沟线夹/元宝卡和引流线作为后备保护，然后采用直线帕尔普修补条进行修复的施工工艺。

该工艺实施过程中，并沟线夹/元宝卡安装对光缆断股位置外加荷载小，光缆突然断裂时对人员和直升机伤害比较小。但也存在明显的不足：光缆突然发生断裂时，虽然断点两侧光缆张力会出现下降，但并沟线夹/元宝卡可能无法承受断点张力，不能起到后备保护作用。同时只采用直线帕尔普修补条修复，因光缆散股比较长，直线帕尔普修补条本身长度有限，实际承受张力的帕尔普修补条受力面很可能不足，后期运行过程中依然有断线的风险。

3)方案3：施工过程中不采用后备保护，采用“楔形线夹+纯铝引流线”的全新施工工艺，如图2所示。

应用该工艺进行修补作业时，楔形线夹可以分体式安装，人员在安装过程中对光缆断股位置外加荷载很小，减少了光缆断线风险。同时为了防止雷击大电流烧损楔形线夹，导致楔形线夹失效，在楔形线夹外侧加装一组纯铝引流线，确保雷电流不对楔形线夹造成损伤。但是，该工艺的施工过程没有后备保护，楔形线夹及配套连接金具安装完成前，依然存在光缆断线风险，须加以防范。

图2 “楔形线夹+纯铝引流线”连接工艺

考虑到直升机作业难度和每次作业时间的限制，为了最大程度保障作业人员和直升机的安全，同时最大程度减少作业环节，保障电网安全，经专家论证，最终确定方案3为该次直升机修补光缆作业的最佳方案。

3 光缆修补方案分析和设计

3.1 导线和光缆张力计算

1)直升机作业时导线张力计算

查询该输电线路的设计文件可知，断股的光缆型号为OPGW-36B1-120，抗拉强度Rm为97 kN，承载截面积A为121 mm2，弹性模量E为132 GPa，线膨胀系数α为13.8×10-6/℃。耐张段长度为3524 m，代表档距为586 m，断股档的档距为428 m。该代表档距下线路的控制气象为覆冰气象。气象条件1时气温为-5 ℃，覆冰为10 mm，风速为10 m/s；为了确保作业安全，在直升机起飞时，现场测得直升机下方地面最大风速约为25 m/s。故取作业现场风速为25 m/s。气象条件2时气温为40 ℃，覆冰为0，风速为25 m/s。依据状态方程式[6]，有

(1)

式中：σ2为光缆在气象条件2时的应力；γ2为光缆在气象条件2时对应的比载；l为档距；σ1为光缆在气象条件1时的应力；γ1为光缆在气象条件1时对应的比载；t2为气象条件2对应的温度；t1为气象条件1对应的温度。

F=σ×A

(2)

式中：F为光缆的张力；σ为光缆的应力；A为光缆的截面积。

根据以上公式计算，光缆在气象条件2时，张力F为19.8 kN。

2)光缆断股后剩余张力校核

根据光缆生产厂家提供的该型号光缆断股后残余力值测试结果，在光缆外层单丝全部断裂，剩余未断裂的5根铝包钢单丝整体完好时，未遭受雷击侵害的情况下，理论额定拉断力F1为29 kN。

因F1>F，因此受损光缆理论上还可以承受9.2 kN张力，可以满足作业人员在断股光缆上的作业承载要求，故该次直升机作业理论上是安全的。为了确保现场安全，在直升机正式作业前，现场还进行了模拟试验。直升机由斜上方逐步进入光缆受损点正上方，并进行停留测试，经现场验证，受损光缆可以承受直升机自身风速带来的下压力。

3.2 修补连接金具选配

1)光缆散股长度测量

运用激光点云测量数据、无人机搭载竹竿刻度测量法和图纸刻度测量法，综合评估断股光缆散股长度约为1.9 m，因此，现场作业时需要使用2套楔形线夹对接，线夹中间采用延长板和花篮螺丝进行长度调整，以完全覆盖光缆散股点。

2)楔形线夹选型

该次修补点位光缆直径为15.2 mm，据此选用配套的德国Gorny公司楔形线夹，如图3所示。该线夹采用楔形原理，卡住光缆受力后，越拉越紧，可承受100 kN张力，配套的延长板PT-10可以承受100 kN张力，花篮螺丝可以承受120 kN张力，满足此耐张段光缆金具100 kN设计值，符合使用要求。

1-支点；2-线夹本体；3-上方滑板；4-下楔子；5-六角形螺栓；6-防松扣；7-挂板；8-螺栓；9-螺栓；10-防松扣;11-盖板；12-上楔子图3 楔形线夹

楔形线夹安装简便，使用时先在光缆上安装上楔子和下楔子；然后盖上楔形线夹本体和上方滑板，将楔形线夹挂板与延长板、花篮螺丝进行连接；最后通过收紧花篮螺丝让楔形线夹受力。这种修补方式可以最小程度减少作业人员对断股光缆的扰动，极大地降低了断线风险。

3)并沟线夹选型

根据德国Gorny公司楔形线夹技术参数，线夹最大通流能力为32 kA/s，考虑光缆运行过程中仍然有遭受雷击的可能性，为保障光缆在通过雷电大电流的情况下，楔形线夹仍能正常工作，应在楔形线夹外侧加装一组引流线，保证流经楔形线夹最大电流低于32 kA/s。根据GB/T 2314—2008《电力金具通用技术条件》和DL/T 765.1—2021《架空配电线路金具技术条件》的规定[7-8]，选用并沟线夹和纯铝引流线的处理模式。由于并沟线夹导电能力不得低于接触光缆的电阻，因此选用15.2 mm光缆配套铝并沟线夹，且引流线也采用纯铝线。并沟线夹常见的结构形式有螺栓式并沟线夹、楔型并沟线夹和H型并沟线夹3种，为便于直升机作业人员一次性安装到位，该次作业选用螺栓式并沟线夹。

3.3 作业安全距离控制措施

1)绝缘绳选择

直升机作业时，为了保证直升机的安全，同时避免感应电伤人，一般按照10 kV感应电进行预防。按照Q/GDW 1799.2—2013《国家电网公司电力安全工作规程 线路部分》的规定[9]，至少要加装有效绝缘长度大于60 cm的绝缘绳。经国网通航公司综合分析和验证，现场选用2根直径为16 mm、长为3 m绝缘绳并列使用，额定载荷为1 t，充分保证作业的安全性。

2)检修安全距离分析

采用激光雷达扫描点云数据，如图4所示，分析得到导线和光缆之间的距离为11.74 m，考虑直升机吊椅操作人员活动站位2 m，携带的最长物体为纯铝引流线长2.6 m，直升机作业人员距离带电体的最小距离S=11.74-2-2.6=7.14 m，作业点海拔高度为698 m，符合安规规定的500～1000 m海拔，安全距离大于3.4 m的要求。

图4 激光点云计算的导线和光缆距离

3.4 直升机作业方法选择

根据综合评估，该次作业计划选用国网通航公司Bell429双发轻型直升机。目前国内直升机带电作业常用的方法有吊篮法、吊索法和绞车法3种[10]。考虑光缆受损严重，同时兼顾作业效率，因此选用绞车法，即在直升机上配置绞车设备。作业人员上下依靠绞车控制，绞车额定载荷约249 kg，最大摆幅夹角不超过20°。综合考虑海拔、温度、重量、风力、燃油消耗等因素，直升机一次空中作业可以持续约35 min，考虑驾驶安全等因素，单次悬停修补作业不超过10 min。本次直升机作业流程为：1)将散股光缆用铝丝简单绑扎，在完好光缆位置安装2套楔形线夹，再次估算安装总长度；2)将2套楔形线夹挂板与延长板、花篮螺丝进行螺栓连接，通过花篮螺丝收紧整串金具，使楔形线夹受力；3)在2套楔形线夹外侧，使用铝并沟线夹安装纯铝引流线。

4 现场应用

2022年7月17日，在500 kV姜资一线断股光缆上，首次采用“楔形线夹+纯铝引流线”方式开展直升机修复作业。按照MH/T 1064.4—2017《直升机电力作业安全规程 第4部分:带电作业》[11]、DL/T 1720—2017《架空输电线路直升机带电作业技术导则》规定[12]，风速小于5 m/s，相对湿度不大于80%，能见度大于3 km，垂直能见度大于500 m，云底高度不低于吊挂作业点以及往返航线最高点为300 m，即可开展现场作业。按照抢修作业流程，国网通航公司用4个飞行架次完成了楔形线夹及连接金具安装工作，1个飞行架次完成了并沟线夹引流线安装工作。现场作业如图5所示，光缆修补后的现场如图6所示。

图5 现场作业

5 结 论

针对500 kV姜资一线光缆雷击断股的危急缺陷，考虑迎峰度夏期间电网无法停电检修的特殊情况，上面给出了详细的直升机绞车吊椅作业方案。

图6 光缆修补后现场

该方案运用了地电位带电作业方式修补断股光缆，修补作业采用“楔形线夹+纯铝引流线”全新修补模式，在保障人身、电网安全的基础上，高效完成了光缆断股危急缺陷修复工作，为四川地区超高压输电线路的安全稳定运行提供了强有力的保障。该方案首次在四川省境内得以应用，可为工程中类似缺陷的消除提供重要的参考价值。