直流輸電線路中無人機(jī)巡檢安全距離電場仿真分析

吳 軍,劉 壯,吳向東,杜 勇,毛曉坡

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050；2.中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；3.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；4.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

直流輸電線路中無人機(jī)巡檢安全距離電場仿真分析

吳 軍1,劉 壯2,吳向東3,杜 勇1,毛曉坡4

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050；2.中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；3.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；4.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

隨著無人機(jī)在輸電線路巡檢工作中的大量應(yīng)用，針對不同型號無人機(jī)在巡檢過程中，出現(xiàn)巡檢系統(tǒng)操控性明顯降低，影響作業(yè)安全，特別是在直流線路附近時，此現(xiàn)象更為明顯。本文僅從電場角度分析，通過建立直流輸電線路模型，進(jìn)行不同直流電壓下直流輸電線路中無人機(jī)巡檢安全距離的電場仿真研究，并得出仿真結(jié)論。

直流輸電；無人機(jī)；巡檢；安全距離

0 引言

運(yùn)行電壓對無人機(jī)巡檢操控的影響，主要表現(xiàn)為電磁干擾。其中，電場主要影響空間電荷和離子的分布，對無人機(jī)表現(xiàn)為吸附作用；磁場干擾機(jī)載磁力計，擾亂無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)[1-3]。工頻條件下，交流電的電磁場呈現(xiàn)交變特性，其電場只在導(dǎo)線附近極化形成空間電荷或離子流，更遠(yuǎn)距離的影響很小，而磁場在一個周期內(nèi)的變化量為零（與交流電流正相關(guān)），故對無人機(jī)的影響不是特別顯著。直流條件下，導(dǎo)線中通入的是恒定電流，其電場在導(dǎo)線周圍極化后產(chǎn)生的是恒定屬性的電荷或離子流，因而電場強(qiáng)度相對較大，影響范圍更廣，同時，恒定電流產(chǎn)生恒定磁場，施加到機(jī)載磁力計上，相當(dāng)于添加了一個恒定干擾源，因此對無人機(jī)的巡檢操控影響較大[4-6]。本文利用ANSYS軟件，對不同電壓等級的直流輸電線路進(jìn)行電場仿真分析，且僅針對正極性輸電線路進(jìn)行電場強(qiáng)度分布仿真。

1 仿真模型

仿真主要針對±500 kV及以上直流輸電線路，其電場強(qiáng)度大，對無人機(jī)巡檢操控影響較為明顯。對單回輸電線路和雙回線路均進(jìn)行了仿真，且根據(jù)不同電壓等級線路實際運(yùn)行情況，結(jié)合電力工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置了相應(yīng)的導(dǎo)線型號、分裂方式和對地高度。以±660 kV單回輸電線路為例，其仿真模型和局部放大圖如圖1所示。截取40 m長的一段導(dǎo)線作為研究對象，將其置于三維坐標(biāo)系內(nèi)，便于觀察電場的空間分布特性。整個觀測區(qū)間為導(dǎo)線周圍30 m范圍，基本涵蓋了無人機(jī)巡檢作業(yè)正常區(qū)域。導(dǎo)線型號為LGJ-630/45，直徑33.6 mm，分裂間距450 mm，分裂股數(shù)為四分裂，采用十二棱柱的方式排列；導(dǎo)線長度為40 m，離地高度18 m，帶+660 kV電壓；大地模型為導(dǎo)線下方40 m×40 m×1 cm的區(qū)域。觀察電場強(qiáng)度分布時，將以導(dǎo)線為中心，做一個半徑15 m的圓，以此來獲取各點的場強(qiáng)相對大小和絕對數(shù)值。

圖1 ±660 kV單回輸電線路仿真模型及局部放大圖Fig.1 Simulation model and partial magnification of± 660 kV single-circuit transmission line

2 不同電壓等級電場仿真

一般而言，直流輸電線路主要電壓等級為±500 kV及以上，其中西北地區(qū)含±660 kV，其余地區(qū)多為±500 kV和±800 kV。

2.1 ±500 kV單回輸電線路電場仿真

首先對±500 kV單回輸電線路進(jìn)行模擬仿真，導(dǎo)線型號為LGJ-300/40，直徑23.9 mm，分裂間距400 mm，分裂股數(shù)為四分裂，采用十二棱柱的方式排列；導(dǎo)線長度為30 m，離地高度15 m；大地模型為導(dǎo)線下方30 m×30 m×1 cm的區(qū)域。導(dǎo)線周圍空間場強(qiáng)分布如圖2所示，其中圖2（a）為導(dǎo)線周圍半徑15 m的圓形區(qū)域電場強(qiáng)度分布圖，圖2（b）為導(dǎo)線附近場強(qiáng)分布局部放大圖。

由圖2可知，單回輸電線路分裂導(dǎo)線間的區(qū)域，電場相互抵消，強(qiáng)度幾乎為0，導(dǎo)線表面的電場強(qiáng)度最大，可達(dá)400 kV/m以上。以導(dǎo)線為中心向外輻射，電場強(qiáng)度逐漸減?。簩?dǎo)線外圍30 cm處衰減至200 kV/m，60 cm衰減至100 kV/m，至2 m處衰減為30 kV/m，之后慢慢衰減至0。

圖2 ±500 kV單回輸電線路空間電場強(qiáng)度分布及其放大圖Fig.2 ±500 kV single return transmission line space electric field intensity distribution and its enlarged view

需要說明的是，導(dǎo)線水平方向外側(cè)和正下方的電場強(qiáng)度，衰減幅度不同。在仿真中，分別選取導(dǎo)線外側(cè)和下方3 m、5 m、10 m和15 m處進(jìn)行測量，其電場強(qiáng)度如表1所示。

表1 ±500 kV單回輸電線路空間電場分布Tab.1 330 kV single return transmission line space electric field distribution

由表1可知，以導(dǎo)線為中心的10 m范圍內(nèi)，導(dǎo)線下方的電場強(qiáng)度高于導(dǎo)線側(cè)面，但在接近地面處，電場畸變嚴(yán)重，場強(qiáng)快速衰減接近0值，因而側(cè)面場強(qiáng)會高于下方場強(qiáng)。也即正常情況下，無人機(jī)在導(dǎo)線下方穿線或穿塔作業(yè)時，較其在導(dǎo)線側(cè)面作業(yè)更危險，因而建議，在保證工作質(zhì)量的前提下，盡量在導(dǎo)線側(cè)面開展巡檢工作。

2.2 ±500 kV同塔雙回輸電線路電場仿真

±500 kV同塔雙回輸電線路仿真模型如圖3。導(dǎo)線型號為LGJ-300/40，直徑23.9 mm，分裂間距400 mm，分裂股數(shù)為四分裂，采用十二棱柱的方式排列；導(dǎo)線長度為30 m，離地高度15 m，兩回導(dǎo)線間的距離為7.5 m；大地模型為導(dǎo)線下方30 m×30 m×1 cm的區(qū)域。

圖3 ±500 kV同塔雙回輸電線路仿真模型及局部放大圖Fig.3 Simulation model and partial magnification of±500 kV double-circuit transmission line on the same tower

導(dǎo)線周圍空間場強(qiáng)分布如圖4所示，其中圖（a）為導(dǎo)線周圍半徑15 m的圓形區(qū)域電場強(qiáng)度分布圖，圖（b）為導(dǎo)線附近場強(qiáng)分布局部放大圖。

圖4 ±500 kV同塔雙回輸電線路空間電場強(qiáng)度分布及其放大圖Fig.4 Distribution of spatial electric field intensity and its enlarged view of±500 kV double-circuit transmission line on the same tower

由圖4可知，兩回導(dǎo)線附近的電場強(qiáng)度呈啞鈴狀分布，導(dǎo)線正中間處場強(qiáng)相互抵消為0。每回導(dǎo)線表面場強(qiáng)最大，可達(dá)60 kV/m以上，分布大致和單回輸電線路相似；不同點在于，雙回線路導(dǎo)線外圍從3 m處開始，場強(qiáng)較單回輸電線路的衰減更快，也即在導(dǎo)線的稍遠(yuǎn)距離處（3 m以外），雙回線路的電場強(qiáng)度是更小的。同樣選取個別位置點進(jìn)行測量，得到這些點的電場強(qiáng)度如下表2所示。

表2 ±500 kV同塔雙回輸電線路空間電場分布Tab.2 ±500 kV double-circuit transmission lines on the same tower space electric field distribution

由表1和表2可知，±500 kV電壓等級下，采用雙回路的輸電線路，導(dǎo)線較近空間內(nèi)的電場強(qiáng)度比單回路輸電線路的稍大，而在較遠(yuǎn)區(qū)域，由于雙回線路電場相互抵消或干擾，其場強(qiáng)較單回輸電線路的衰減更快，數(shù)值更小。

2.3 ±660 kV單回輸電線路電場仿真

導(dǎo)線型號為LGJ-630/45，直徑33.6 mm，分裂間距450 mm，分裂股數(shù)為四分裂，采用十二棱柱的方式排列；導(dǎo)線長度為40 m，離地高度18 m；大地模型為導(dǎo)線下方40 m×40 m×1 cm的區(qū)域?！?60 kV單回輸電線路電場強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖5。

圖5 5±660 kV單回輸電線路空間電場強(qiáng)度分布及其放大圖Fig.5 ±660 kV single return transmission line space electric field intensity distribution and its enlarged view

對導(dǎo)線外側(cè)和下方3 m、5 m、10 m和15 m處分別進(jìn)行測量，其電場強(qiáng)度如表3所示。

表3 ±660 kV單回輸電線路空間電場分布Tab.3 ±660 kV single return transmission line space electric field distribution

由表3可知，相比于±500 kV，±660 kV單回輸電線路的電場強(qiáng)度更大，其空間各電場強(qiáng)均接近330 kV的兩倍。在導(dǎo)線下方15 m接近地面處（即地表上方3 m處），電場強(qiáng)度仍高達(dá)14k V/m，遠(yuǎn)高于居民區(qū)電場強(qiáng)度不超過4 kV/m的要求。因此，無人機(jī)在對較高電壓等級輸電線路開展巡視檢查時，應(yīng)更注重安全性。

2.4 ±660 kV同塔雙回輸電線路電場仿真

±660 V同塔雙回輸電線路導(dǎo)線型號為LGJ-630/45，直徑33.6 mm，分裂間距450 mm，分裂股數(shù)為四分裂，采用十二棱柱的方式排列；導(dǎo)線長度為40 m，離地高度18 m，兩回導(dǎo)線間的距離為10 m；大地模型為導(dǎo)線下方40 m×40 m×1 cm的區(qū)域。導(dǎo)線周圍空間場強(qiáng)分布如圖6所示。

圖6 ±660 kV同塔雙回輸電線路空間電場強(qiáng)度分布及其放大圖Fig.6 Distribution of spatial electric field intensity and its enlarged view of±660 kV double-circuit transmission line on the same tower

由圖6可知，±660 kV同塔雙回輸電線路空間電場強(qiáng)度分布整體上與±500 kV相似，區(qū)別在于兩回線路中間部分的場強(qiáng)畸變程度不同，±660 kV線路更加均勻。在各點的電場強(qiáng)度如表4所示。

表4 ±660 kV同塔雙回輸電線路空間電場分布Tab.4 ±660 kV double-circuit transmission lines on the same tower space electric field distribution

由表2和表4可知，雙回輸電線路空間電場強(qiáng)度分布與電壓等級的對應(yīng)關(guān)系，類似于單回輸電線路，在電壓等級增高的條件下，空間各點的電場強(qiáng)度也以相應(yīng)的幅度大致增強(qiáng)。

2.5 ±800 kV單回輸電線路電場仿真

±800 kV單回輸電線路仿真模型中導(dǎo)線型號為LGJ-630/45，直徑33.6 mm，分裂間距400 mm，分裂股數(shù)為八分裂，采用十二棱柱的方式排列；導(dǎo)線長度為50 m，離地高度25 m；大地模型為導(dǎo)線下方50 m×50 m×1 cm的區(qū)域。

導(dǎo)線周圍空間場強(qiáng)分布如圖7所示，對導(dǎo)線外側(cè)和下方3 m、5 m、10 m和15 m處分別進(jìn)行測量，其電場強(qiáng)度如表5所示。

圖7 ±800 kV單回輸電線路空間電場強(qiáng)度分布及其放大圖Fig.7 ±800 kV single return transmission line space electric field intensity distribution and its enlarged view

表5 ±800 kV單回輸電線路空間電場分布Tab.5 ±800 kV single return transmission line space electric field distribution

由表3和表5可知，當(dāng)單回輸電線路電壓等級從±6 600 kV升高至±800 kV時，空間內(nèi)對應(yīng)各點電場強(qiáng)度的增幅趨于平緩，表明隨著電壓等級的逐漸升高，導(dǎo)線周邊的極化電荷或離子流趨于飽和，電場強(qiáng)度難以較大幅度增加，維持在某一較高水平。

2.6 ±800 kV同塔雙回輸電線路電場仿真

±800 kV同塔雙回輸電線路仿真模型中導(dǎo)線型號為LGJ-630/45，直徑33.6 mm，分裂間距400 mm，分裂股數(shù)為四分裂，采用十二棱柱的方式排列；導(dǎo)線長度為40 m，離地高度15 m，兩回導(dǎo)線間的距離為14 m；大地模型為導(dǎo)線下方50 m×50 m×1 cm的區(qū)域。導(dǎo)線周圍空間場強(qiáng)分布如圖8所示。對導(dǎo)線外側(cè)和下方3 m、5 m、10 m和15 m處分別進(jìn)行測量，其電場強(qiáng)度如表6所示。

圖8 ±800 kV同塔雙回輸電線路空間電場強(qiáng)度分布及其放大圖Fig.8 Distribution of spatial electric field intensity and its enlarged view of±800 kV double-circuit transmission line on the same tower

表6 ±800 kV同塔雙回輸電線路空間電場分布Tab.6 ±800kV double-circuit transmission lines on the same tower space electric field distribution

3 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)對直流電場的影響

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)靠近導(dǎo)線作業(yè)時，由于機(jī)體裝有電機(jī)、腳架和電子元器件等導(dǎo)電體，尤其是腳架，屬于棒狀尖端，在電場中將產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，大大增強(qiáng)該處電場強(qiáng)度。以±1 100 kV直流輸電線路為例，對無人機(jī)在導(dǎo)線下方開展巡檢作業(yè)進(jìn)行仿真，無人機(jī)模型和仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 無人機(jī)對直流電場分布的影響Fig.9 The influence of UAV on direct current distribution

由圖9可知，正極導(dǎo)線產(chǎn)生的電場迫使無人機(jī)中的電子發(fā)生極化效應(yīng)，負(fù)電荷被吸引至導(dǎo)線端，正電荷則聚集在遠(yuǎn)離導(dǎo)線的無人機(jī)腳架上，形成尖端放電現(xiàn)象。因此，腳架處電場畸變嚴(yán)重，強(qiáng)度遠(yuǎn)較其它臨近位置大。實際巡檢作業(yè)過程中，操作人員應(yīng)密切關(guān)注無人機(jī)的尖端部位，因這些部位最易發(fā)生放電閃絡(luò)甚至擊穿。

4 電場仿真結(jié)論分析

由以上仿真可知，直流輸電線路為正極性時，隨著電壓等級的提升，線路周圍空間內(nèi)的電場強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度和電壓等級提升的幅度大致相當(dāng)。雙回輸電線路的電場強(qiáng)度較單回輸電線路大，整體來看，同一電壓等級前者比后者接近大30%～40%。

無論哪種輸送方式，在接近地面時，電場強(qiáng)度均會產(chǎn)生畸變，快速降至極小值，但在地面上方3 m處時，仍有較大強(qiáng)度（如±660 kV輸電線路，在導(dǎo)線下方距地面3 m高處電場強(qiáng)度為14 kV/m）。而在距離一定時，輸電線路下方電場強(qiáng)度略高于導(dǎo)線水平方向外側(cè)，這是因為下方地面可以看作0電位極板，與導(dǎo)線的間隙距離較水平方向無限遠(yuǎn)處的等效極板更近，場強(qiáng)效應(yīng)更加集中。一般而言，電子元器件在場強(qiáng)為10 kV/m的環(huán)境中就會影響其性能，因而，即使是±500 kV的輸電線路，其周圍5 m處足以對無人機(jī)操控性能產(chǎn)生影響。

考慮到無人機(jī)極化效應(yīng)和尖端放電現(xiàn)象，這個距離應(yīng)適當(dāng)放寬，裕度取為2 m。結(jié)合中國電科院進(jìn)行的大量試驗檢測，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度一般為3 m。因此，利用無人機(jī)對±500 kV及以上直流線路開展作業(yè)，最小安全距離宜設(shè)置為10 m。

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Simulation Analysis of Safe Distance of Unmanned Aerial Vehicle in DC Transmission Line

WU Jun1,LIU Zhuang2,WU Xiangdong3,DU Yong1,MAO Xiaopo4
（1.State Grid Hubei Corporation Maintenance Company，Wuhan Hubei430050，China；2.China Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei430074,China；3.State Grid Hubei Electric Power Corporation，Wuhan Hubei430077,China；4.Electric Power Research Institute State Grid Hubei Electric Power Corporation，Wuhan Hubei430077,China）

With the large application of unmanned aerial vehicles in the transmission line inspec?tion work,for different models of unmanned aerial vehicles in the inspection process,the handling of the inspection system is significantly reduced,which affects the safety of operations,especially in the vicinity of the DC line,this phenomenon is more obvious.Based on the analysis of electric field,the electric field simulations of the unmanned aerial vehicle inspection distance under differ?ent DC voltages and DC transmission line are studied by establishing the DC transmission line in this paper,and the simulation results are obtained.

DC transmission line;unmanned aerial vehicle;inspection work;safe distance

TM755

B

1006-3986(2017)04-0014-06

2017-03-04

吳軍（1977）,男,湖北武漢人,工學(xué)學(xué)士，工程師。

10.19308/j.hep.2017.04.004