直升机电力作业技术发展与需求 随着中国超高压、特高压能源装置的大规模建设和运营，以及电网的可靠性和生产管理要求的提高，民用航空的不断扩大，低空飞行控制区逐步开放，直接升旗机枪的能源生产也日益纳入和快速发展。目前,部分发达国家的直升飞机电力作业已超过1/2以上,有些国家在输电线路上已实现利用直升飞机进行零距离巡视、检修和测量。 开展直升飞机电力作业能有效促进红外、紫外、激光、高稳定高速摄像、智能等先进巡检技术的积极运用;可以进一步提升安全生产标准化管理,建立电网数字化管理和计划维护体系;提高勘测设计、施工、巡检等工作的效率;改变传统地面巡线的检测疏漏;保障电网的安全运行;除了满足生产需求,在应急抢修、人员抢救、科学试验等方面直升飞机也大有可为。为此,综合目前国内外直升飞机作业的相关信息,对发展直升飞机作业进行相关探讨。 1 直升飞机的能源操作类型 1.1 在线智能巡检 将直升飞机与机载航空摄影设备相结合,对输电线路的规划走廊进行航空测绘,绘制精确的三维数字地图,为建设输电线路提供第一手的规划、建设资料,目前,根据需要,航测比例尺范围可从1∶500到1∶10 000。直升飞机近距离巡线所示。 目前,直升飞机巡线的基本实现方式是将目测、仪器观察和仪器自动检测相结合,以目测为主,通过计算机进行数据处理,生成设备缺陷清单和缺陷处理意见。主要功能有:判断通道、铁塔、金具、导地线、绝缘子等缺陷;进行接点过热、异常电晕、导地线内部损伤、接触电阻、绝缘距离等测量和零劣质绝缘子判断。采用的仪器设备有:CEV电子巡线系统、高速可见光摄像机、高稳定望远镜、红外线热相、紫外线电晕、X射线、导线损伤探测仪、接触电阻检测仪、绝缘子检测仪、激光测距仪和激光三维空间扫描仪等。目前的直升飞机巡线多采用远红外热相仪。 2008年10月23日,国家电网公司委托浙江省电力公司牵头组织开展的直升飞机输电线路智能巡检技术研究完成飞行测试,初步研制出了1套基于计算机控制的机载智能控制巡检系统,以及地面指挥控制和分析后处理系统,并已顺利通过了地面车载巡检的系统联合试验。该系统可采集红外、紫外、高清可见光动态数字信息,运用计算机自动控制和数字化处理技术,对巡检设备进行自动跟踪,在线智能诊断缺陷,实现直升飞机输电线路巡检的智能化、自动化、数字化。 1.2 带水冲洗的电水流量 直升飞机带电水冲洗绝缘子作业在国外是一项成熟的先进技术,通过加装配套机载清洗系统,在直升飞机近距悬停时对绝缘子进行高效清洗。随着远距离超高压、特高压交直流输电的发展,直升飞机带电水冲洗应用将日益突出其性价比高的特点,作业能力强,作业效率高,直升飞机带电水冲洗的效率是传统人工清洗的150倍,可减少线路停电时间,防止绝缘子污闪和覆冰闪络事故,提高电网的绝缘水平和运行可靠性。 澳大利亚、以色列和日本等国家都广泛采用了直升飞机带电水冲洗作业;中国台湾和香港特区采用直升飞机带电水冲洗已逾7年;中国南方电网有限责任公司(以下简称南方电网)2004年底进行了直升飞机带电水冲洗的演示;北京超高压公司、首都通用航空公司、美国怡陪尔公司共同合作于2005年12月16日完成三峡送出500 kV龙斗二回线路带电水冲洗作业工作(湖北超高压公司协助)。带电水冲洗的用水一般采用水阻为10 000 Ω·cm的去离子水。去离子水可购买也可自行过滤加工,每天可冲洗220 kV绝缘子600串,500 kV绝缘子400串。机身较小的直升飞机,可进入水平布置的中相或垂直布置中间相进行各侧面冲洗。直升飞机带电水冲洗绝缘子如图2所示。 1.3 直升飞机等电位带电作业 直升飞机带电作业具有良好的机动性和悬停性能,作业方式主要有平台和吊篮式2种。平台作业方式是指操作人员坐在直升飞机外部的一个架子上,然后飞机靠近高压线进行检修。该方式的优点是简单直接,飞机处于等电位;缺点是飞行技术难度大。吊篮式作业是飞机用绝缘绳和吊篮将人和作业物吊到高压线或塔上,作业完毕后再将人和物接下来,该方式的缺点是飞机不处于等电位,但飞行操作简单,可以将人和物送到受安全距离限制而飞机无法悬停的地点。 1979年,美国首先进行了直升飞机等电位带电作业的尝试。20世纪80年代,美国、加拿大和随后的澳大利亚均由直升飞机进行输电线路巡线、检修,甚至发展到直升飞机等电位带电作业,使直升飞机电力作业技术又向前迈进了一大步。 澳大利Aeropower公司还开发了组合间隙绝缘距离在线监测系统,随时对直升飞机等电位带电作业的安全状态进行监控,超过限值前监测系统会发出预警信号,以引起注意。 日本、以色列等国广泛采用直升飞机电力作业和带电水冲洗,但其仅用直升飞机作为运载工具,很少进行直升飞机等电位带电作业。 直升飞机等电位带电作业不仅能承担常规的带电作业,而且能胜任常规带电作业无法进行的工作。由于直升飞机带电作业无需在导地线上增加垂直荷载,它可以方便处理单导地线或两分裂导线中部的缺陷,如防振锤滑移复位、导地线损伤修复等。由于直升飞机带电作业不需要使用进入电位的绝缘工具或绝缘支撑工具,因此在小雨天气时仍能进行等电位带电作业。 目前,直升飞机等电位带电作业可以进行的工作有:零距离检测设备缺陷,包括金具、导地线、绝缘子等缺陷;检修更换金具、间隔棒、绝缘子;补强、更换部分导地线和导地线压接等。 尺寸小、飞行性能稳定的直升飞机,能穿越500 kV水平布置的输电线路边相导地线进入中相进行等电位作业;尺寸稍大的直升飞机只能进入500 kV水平布置的边相进行等电位作业,中相只能用吊绳将作业人员吊入工作部位。直升飞机都应通过等电位充放电试验和工频过电压闪络耐受试验,并具有良好的耐强电稳定特性。直升飞机进入中相等电位带电作业方式如图3所示。 1.4 地安全距离监测 通道全球定位系统(global positioning system, GPS)定位激光三维空间扫描,直升飞机能生成有定位尺寸的数字立体走向图,可用于线路勘测、老线路新立体走向图的绘制和线路对地安全距离的监测,达到选线、建立线路信息台账和制定树木砍伐计划,防止树木引发跳闸。 如果知道通道内主要树种的年自然生长率,按照运行规程的规定,经过直升飞机激光三维空间扫描,可以提出树木的最佳剪伐量,以满足1年安全运行的要求。 直升飞机激光三维空间扫描的飞行高度一般为1 000 m,扫描宽度为250 m,扫描间隙为0.4 m,水平分辨率为0.03 m,垂直精度为0.05~0.10 m,它比863多角度、多光谱成相技术的预期精度高得多,且进行转换测量的863多角度、多光谱成相技术离实用尚远,而激光三维扫描仪价格虽昂贵,但近年成倍下降。直升飞机激光三维空间扫描原理如图4所示。 1.5 直升飞机吊装保护 直升飞机加载专业航空架线设备,对线路建设提供高效的吊装、架线年代,发达国家已将直升飞机用于电力施工,从运载工具逐步发展到今天的直升飞机自动定位吊装铁塔(如图5所示)、展放牵引导地线的导引绳、安装金具和架设更换地线等作业,有的甚至在带电的情况下进行施工。 2004年5月,江苏省送变电公司成功地进行了500 kV江阴长江大跨越输电线路直升飞机展放导引绳的作业。2006年浙江省送变电公司在浙江省舟山进行更大跨距导引绳的展放作业,这个项目的塔高及跨距为中国之最,难度非常大。 2 中国高飞机能源运营的发展 2.1 直升飞机电力作业消失 1982—1987年,相关电力科研单位进行了2次直升飞机电力作业的考察调研工作,8次初步巡线次吊装、立塔、放线尝试。随后我国直升飞机电力作业停顿了10年。随着我国电力技术的发展和超高压输电技术发展的需要,1998年国家电网公司又立项开展直升飞机巡线、检修、带电作业及电力施工课题的研究,2001年6月完成了研究报告。 2.2 直升飞机巡线年,广东、四川、江苏、黑龙江、浙江等省的电力部门进行了巡线试飞。华北电网有限公司(以下简称华北电网)经过巡线年与首都通用航空公司正式合作,启动直升飞机电力巡线年,华北电网采用直升飞机巡线 h(包括红外线年获批准立项着手实施直升飞机带电水冲洗项目。2004年5月江苏省送变电公司成功地进行了500 kV江阴长江大跨越输电线路直升飞机展放导引绳的作业;2004年12月浙江电力公司进行了包括红外线扫描的直升飞机巡线年底,福建电力公司拟进行包括红外线扫描的直升飞机巡线年底南方电网与香港中华电力公司合作,进行了直升飞机巡线、带电水冲洗和单项等电位带电作业的演示;2005年10月湖北超高压输变电公司进行了包括红外线扫描的直升飞机巡线尝试,并进行扩大工作内涵和实用范围的研究。 2004年,华中电网有限公司(以下简称华中电网)开展了863多角度、多光谱成相技术的研究并取得一定进展。在陀螺、相机、多角度同步精度和直升飞机稳定性方面得到保证时,综合测量误差不超过0.5 m。在满足全幅连续稳定扫描的可靠性条件下,可用于一般精度要求的电力线路通道扫描。与激光三维空间扫描比较,成本低,精度和稳定性稍差,尚待完善。 台湾电力公司2001年开始进行直升飞机吊装、巡线和带电水冲洗工作;香港中华电力公司2002年开始进行定期直升飞机电力巡线、带电水冲洗工作,正向直升飞机检修方向发展。 2009年12月23日,国家电网通用航空有限公司(其前身为北京首都通用航空有限公司)正式挂牌成立,由华北公司代管。作为国内第一家专业直升飞机作业公司将在全国范围内建设7大作业部,在电网维护、建设施工、勘察设计、应急检修、科学试验、客货运输等领域开展相关工作。 南方电网超高压检修试验中心已于2009年完成直升飞机常态化巡检输电线月购置了欧洲直升飞机公司的小松鼠AS-350B3型直升飞机。根据直升飞机管理制度及有关国家政策、法规的要求,南方电网超高压检修试验中心与中信海洋直升飞机公司进行沟通协商,完成了直升飞机托管事宜。该中心已完成并上报了《超高压输电公司直升飞机管理规定》、《超高压输电公司直升飞机巡线工作管理办法》、《直升飞机作业安全守则》、《直升飞机应急救援预案》、《直升飞机巡线操作规程》、《超高压输电公司直升飞机电力作业警示标志标准》等6项公司制度。 3 国内直升飞机运行的需求分析 3.1 直升飞机电力作业的重要性 直升飞机电力作业作为先进技术已在国际上普遍采用,美国、加拿大、法国、俄罗斯、以色列、日本等国家的直升飞机作业应用涵盖了从人员和设备运输到对架空线路进行例行巡检维护、带电作业以及线路施工中的组塔、牵放导地线等范围。直升飞机电力作业在运营效率、安全性、作业范围等方面具有极大的优越性,必将逐步在我国电力系统推广应用。 随着全国联网和超高压、特高压远距离输电技术的发展,输电线路距离长,沿线地形复杂,输电线路塔体高,常规的线路巡检作业方法已难以满足特高压输电线路的巡检要求。特高压输电线路的作业方式将由“人工为主”向“直升飞机为主,人工为辅”的方式过渡。当前是我国直升飞机电力作业发展的大好时机,超高压、特高压输电线路从设计到施工,从巡线到检修,从故障探测到带电作业,都需要采用先进技术才能提高整体质量,保障主网的安全运行。因此,大力发展直升飞机电力作业是大电网发展的需要。 直升飞机激光三维空间扫描能准确测定通道走廊的三维空间图像,提供老线路的最新电子走向图,确定通道内导线对树木的最小距离,避免跳闸事故。因此直升飞机电力作业技术在输电线路设计、施工和维护方面具有广泛的市场。 直升飞机红外热相扫描能探测线路的过热点;直升飞机紫外电晕扫描能察觉线路非正常电晕现象,用以判断绝缘水平劣化、场强畸变和导地线金具损伤的情况,这些都是自动检测故障的有效手段和方法。随着作业配备仪器质量的提高,可巡查线路细微地方和人工巡视目视所不能发现的缺陷,如利用紫外成像仪检查设备微观裂纹、电晕放电、表面局部放电、绝缘子零值等,利用激光测距仪进行线路通道安全距离测量、线路勘测等。 直升飞机作业将对电网运行质量的改善、经济效益的提高提供强有力的支持,大大提高运行维护、检修的速度和效率,使许多工作能在完全带电的环境下迅速完成,直升飞机机载设备多,能够利用多种设备对线路进行检查,提高了巡线的可靠性,使用直升飞机可使作业范围迅速扩大,且不为泥泞、峡谷、雪地等地面人员无法到达的地方所困扰,可以迅速跨越2个工作点,无需破坏庄稼、树木、草地,不受道路影响。 直升飞机带电水冲洗是国外线路维护的通常项目,它能对污秽绝缘子进行及时冲洗,提高了线路的绝缘水平,减少了线路污闪。这项作业是常规维护工作不能承担的,在我国超高压、特高压线路维护上具有广阔的市场。 直升飞机通过工作平台直接悬停在导地线上,能及时进行带电检修,最大限度地减少停电时间,可在带电的情况下将导地线补强或重压,进行单导地线或双分裂导线档内中部缺陷的处理和金具更换;直升飞机进入电位只要求组合间隙满足电气绝缘要求,不需绝缘支撑,能在小雨天气下进行等电位带电作业。这些都是直升飞机等电位作业的新工艺和新方法,它能解决常规作业不能胜任的工作。 3.2 直升飞机在我国电网公司的应用前景展望 我国直升飞机电力作业的发展还处于起步阶段,可开发的市场潜力大。从电网规模来看,截至2009年底,全国输电线 kV以上线 km。 “十一五”、“十二五”期间输电线路工程建设的力度和资金投入都将加大。规模和建设速度导致对更有效的运营维护和施工技术的巨大需求,从而为直升飞机电力作业提供了难得的发展机遇。 电力体制改革使电力行业从垄断性行业转变为一个竞争与监管并存的行业,电网公司会逐步走向公司化和商业化,开始关注投资回报等价值目标,从而加速直升飞机在电网公司的应用。此外,我国大部分能源资源分布在西部、西南部地区,实行“西电东送”是国家的一项长期战略。西部地区自然环境特殊,交通运输条件差,当地技术支持力量较弱,采用直升飞机作业将是最好的选择方案,“西电东送”的输电线路工程及其运行维护为我们提供了良好的市场机会。在东部和南部地区也存在江、河、湖、海大跨越线路工程多、规模大的情况。随着电网规模扩大,特别是高电压、大容量、长距离输电系统增多,电网的建设、运行维护在技术上的复杂性显著增加。现行人力为主的运作模式已不适应行业发展的需要。近年来,国家电网公司、南网电网先后开展了直升飞机电力巡检试验,并取得了显著的效果,推动该项技术全面推广应用。 据估计,2009年国家500 kV输电线运行维护上的投入将达到20亿元人民币。假设未来5年内,现有输电线年内新增线%采用直升飞机作业,则直升飞机巡检和维护线)的价格计算,每年直升飞机巡线和带电作业市场容量可达到40亿元人民币,不包括电力施工和其他领域的应用。 3.3 航空企业的市场环境将对电力企业造成较大的影响 尽管直升飞机电力作业在发达国家已经非常普遍,但在我国还属于新生事物。目前国内对采用直升飞机进行电力作业的态度是积极的。对航空企业而言,这是一个新的市场,对电网公司则意味着新产品的购买决策。 市场的发展环境对直升飞机电力作业的普及具有明显的利好因素:中国经济进入新一轮的工业化阶段,电力建设必将进入一个新的发展阶段。电力结构调整将导致电网建设在电力投资中的比重逐步提升,大容量、长距离输电线路建设是未来的主要方向。电力体制改革也会明显加速电网企业应用新科技、减员增效的进程。 4 直升飞机能源运营的现状及对策 4.1 运行维护部门的尝试 直升飞机超高压输电线路巡线新技术在我国开展以来,很多超高压输电运行维护部门都在进行尝试,并且很多地方都进行了试飞,这样的重复试飞意义已不大。 4.2 探索开展巡线规律和培训，建立规章制度上的一些做法 华北电网与首都通用航空公司合作,吸收国外先进技术开展的正规直升飞机巡线年经验的积累和磨合,从掌握巡线规律、培训人员到建立规章制度上都取得了可喜的进步;随后的浙江、福建省电力部门与实力很强的中信海洋直升飞机公司进行合作,从高水平正规直升飞机巡线起步,从人员培训开始,把欧洲、澳洲的先进技术引进,取得了可喜的成绩。 4.3 事故排除及风险 出于安全考虑,有人害怕直升飞机电力作业会发生事故。但是,如果忽视安全,违规作业,发生事故不可避免。因此关键是要选择资质好、实力强、安全可靠的直升飞机公司承担飞行任务,遵守安全规程和安全作业导则,并在开展中不断对安全规程及导则进行充实和完善。 4.4 大幅增加带电作业难度 巡线直升飞机与高压线的水平和垂直距离虽然越大越远越安全,但势必大幅增加直升飞机带电水冲洗和直升飞机等电位带电作业的难度。为寻求一条稳妥、快速、同步的发展之路,推动巡线、水冲洗、等电位带电作业和三维空间扫描同步多层次研究是直升飞机电力作业的发展思路。 4.5 跨电网运营模式的选择 电网企业开展直升飞机电力作业有租机合作、购机托管、组建独资直升飞机电力作业公司、与直升飞机通航公司合资组建股份制公司等4种模式。考虑到风险和难度,租机合作或组建合资的直升飞机电力作业公司模式较为合适。租机合作模式中也可以采用直升飞机通航公司购置主要巡线、测量、检修设备提供全方位服务(美国常用模式),电网部门提供巡检项目、掌控巡检技术的方式进行合作,以提高专用设备的操作水平和使用效率。对于直升飞机电力施工吊装放线,可根据具体情况采用租机合作为宜。 4.6 扫描机和激光扫描 直升飞机选型受作业性质、机型功能与飞行海拔高度的限制。稳定性能好的直升飞机都能用于巡线、红外扫描、紫外扫描和激光三维空间扫描;直升飞机带电水冲洗、等电位带电作业和零距离巡线需要通过等电位充放电试验和过电压工频闪络放电试验。载人多、稳定性好、航程远是选择机型的现实要求。小机型可带电进入500 kV线路左、中、右相等电位作业,对于平原丘陵地区适宜采用;对于超高海拔地区,只能采用高稳定、更大更重的双发动直升飞机。 4.7 直升飞机电力建设公司的合作 直升飞机电力作业已经是一项成熟的应用技术。目前,国际上进行直升飞机输电线路巡线、检修、带电作业的知名直升飞机电力作业公司有:美国宾夕法利亚州Agrotors公司、澳大利亚布里斯班Aeropower公司、美国佛罗里达州Airmobile公司、以色列特拉维夫CHIM-NIR公司、德国慕尼黑R T E三家公司联合体。 美国波特兰Erickso公司和Columbia公司,加拿大温哥华VIH公司(拥有90架以上直升飞机)等世界知名的直升飞机电力建设公司都具有很强的安装、维护、检修能力。 台湾凌天航空公司在香港和台湾开展直升飞机电力作业有8年的历史

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