基于電磁場信息的輸電線路無人機巡檢安全距離仿真分析

萬 能， 宋執(zhí)權(quán)， 汪 曉， 焦玉平

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司， 安徽 合肥 230601；2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所， 安徽 合肥 230031；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 安徽 合肥 230026)

0 引言

電網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)快速發(fā)展對輸電線路運維工作提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的人工地面和登塔巡視勞動強度大、工作效率低，已不能適應(yīng)現(xiàn)代化電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展需求。近年來，隨著“大云物移智”等新型技術(shù)的飛速發(fā)展，“智能巡檢”這一理念也逐步滲透到傳統(tǒng)的線路運維工作中。無人機電力巡檢以其作業(yè)方式靈活、巡檢視角豐富、巡檢效率高、巡檢成本低等優(yōu)勢正逐漸成為電力巡檢的一種主要智能巡檢方式。

目前，已有學(xué)者對無人機在各種復(fù)雜電磁場環(huán)境下的安全飛行做了一定的研究。但針對電力行業(yè)不同塔形、不同地形、不同電壓等級對無人機正常巡檢干擾研究相對較少[1-3]。本文以安徽電網(wǎng)某一常見超高壓輸電塔形為模型，計算無人機在與帶電導(dǎo)體不同距離下的電磁場值，根據(jù)無人機內(nèi)部元器件安全穩(wěn)定工作所能承受的最大電場和磁場數(shù)值，計算出電力巡檢常用的Ⅲ類四旋翼無人機的巡檢安全距離。

1 計算方法簡述

1.1 三維電場計算原理

在三維電場求解器中，以標(biāo)量點位Φ作為待求量，并配以正確的邊界條件作為定解條件。三維電場所滿足的方程為：▽(εrε▽φ)=-ρv,其中，φ(x,y,z)為三維的標(biāo)量電位，εr(x,y,z)為三個方向矢量上的相對介電常數(shù)，ε0為真空的介電常數(shù)，ρv(x,y,z)為電荷密度。

在Maxwell 3D電場模塊中求解的是三維標(biāo)量電位Φ，一旦標(biāo)量電位值求解得到，可以由麥克斯韋微分方程組直接得到電場強度E和電位移矢量D[4]。

2 模型參數(shù)設(shè)置

經(jīng)計算630鋼芯鋁絞線等值半徑為166.33 mm。

圖1 仿真塔型圖

電場主要影響空間電荷和離子分布，對無人機表現(xiàn)為吸附作用，磁場主要干擾無人機的指南針導(dǎo)航系統(tǒng)，影響無人機的精準(zhǔn)定位。在工頻條件下，交流電的電磁場呈現(xiàn)周期性交變，其電場只在帶電體附近極化形成空間電荷，更遠(yuǎn)距離的影響很小。磁場在一個周期內(nèi)的變化量為0，對無人機的影響不明顯[6,7]。

為了得到500 kV該塔形輸電線路產(chǎn)生的磁場影響，根據(jù)運行經(jīng)驗，500 kV交流輸電線路輸送容量1000 MVA，傳輸電流1200 A。為簡化計算模型，設(shè)導(dǎo)線為光滑圓柱體，大地電位為零；忽略桿塔、金具、地線對帶電導(dǎo)線的影響，忽略弧垂影響。截取40 m導(dǎo)線為研究對象，region外擴為50%，設(shè)置導(dǎo)線中心40 m×40 m范圍帶狀為求解區(qū)域，沿導(dǎo)線中心線和求解截面繪制長40 m線段，計算該線段上的電場和磁場值。具體模型如圖2。

圖2 仿真模型圖

圖3 磁場仿真圖

3 磁場仿真

仿真區(qū)域為垂直于三相導(dǎo)線的40 m×40 m區(qū)域，基本涵蓋無人機巡檢作業(yè)區(qū)域。利用Maxwell 3D仿真模塊進行仿真計算，仿真結(jié)果如圖3所示。

沿仿真區(qū)域邊界和導(dǎo)線相交點做一條線段，仿真計算該線段不同距離下的磁場強度值，如圖4所示。

由以上磁場仿真結(jié)果可知：

(1)磁場強度最大值為7.63×10-4，均位于通電導(dǎo)線周邊，最小值為5.36×10-6，離帶電導(dǎo)線5 m處磁場值衰減為0。

(2)三相導(dǎo)線周邊磁場相交部位存在互相抵消作用，相同距離下無人機在導(dǎo)線相與相中間飛行比導(dǎo)線上方和下方飛行更安全。

在不搭載特殊負(fù)載的小型旋翼無人機內(nèi)部電子元器件正常工作時要求磁場強度小于5×10-5T[8]。由圖3磁場曲線可知，在不考慮無人機引起場強畸變的情況下，需保證與帶電體3 m以上安全距離進行巡檢飛行。

圖4 水平范圍內(nèi)與輸電導(dǎo)線10 m范圍內(nèi)的磁場強度

4 電場仿真

電場仿真模型的建立與磁場相似，工頻500 kV高壓輸電線路電壓頻率為50 Hz，波長為6000 km，本文所建模型遠(yuǎn)小于該波長，故仿真時可按靜電場進行分析[9]。仿真結(jié)果如圖5所示。

同樣，沿仿真區(qū)域邊界和導(dǎo)線相交點做一條線段，仿真計算該線段不同距離下的電場強度值，仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 電場仿真圖

圖6 水平范圍內(nèi)與輸電導(dǎo)線10 m范圍內(nèi)的電場強度

由以上仿真結(jié)果可知，電場E的最大值為8.74×104V/m，最小值為1.42×10-11V/m，在三相導(dǎo)線中間位置為4.0×103V/m。無人機正常巡檢要求電場強度小于10 kV/m[10]，由圖5電場仿真曲線可知，在不考慮無人機引入后的電場畸變條件下，離帶電導(dǎo)線2.5 m處，電場值衰減至10 kV/m。

5 無人機仿真

仿真模型以某Ⅲ類多旋翼無人機為例，根據(jù)現(xiàn)有常見機型，機身結(jié)構(gòu)為1.5 m×1.5 m×0.6 m，機身材料設(shè)為碳纖維，電導(dǎo)率設(shè)為100 S/m，相對介電常數(shù)為7。以三相導(dǎo)線中點為截面，搭建40 m×40 m求解截面，設(shè)置網(wǎng)格剖分和分析步驟，仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，無人機機身周圍電場強度較弱，在無人機旋翼和起落架等有凸出部分，電場強度相對較大。在距離下相導(dǎo)線4 m距離時，無人機周邊電場強度最大可達(dá)到5.0×104V/m。

圖7 無人機距帶電體4 m距離電場仿真圖

圖8 無人機與帶電體不同距離下電場仿真圖

同時在距離下相帶電導(dǎo)線4 m、8 m、12 m、16 m處分別放置一架無人機模型，模型如圖8所示。

以上相導(dǎo)線以上10 m處為起點，穿過中、下相導(dǎo)線和無人機模型，至邊界60 m處繪制單線模型，經(jīng)仿真分析不同距離下的電場值如圖9。

圖9 無人機在不同位置電場值曲線圖

由以上仿真曲線圖可知，在44 m處，無人機表面最大場強小于1×104V/m，即無人機在距離帶電體13.5 m處飛行將不受電磁場干擾。

為排除多架無人機同時放置引起的相互干擾及進一步細(xì)化分析無人機巡檢安全距離，分別在距離下相導(dǎo)線3 m、4 m、5 m……12 m處放置無人機模型單獨進行仿真分析，得到的仿真數(shù)值見表1。

表1 無人機表面在與帶電體不同距離下的最大電場值

由以上單獨仿真分析可知，無人機在與帶電體11 m的距離下，其表面最大電場值小于1×104V/m，即可滿足安全分析要求。

6 結(jié)語

(1) 本文運用Maxwell有限元仿真軟件對無人機電力巡檢安全距離進行分析，仿真結(jié)果符合現(xiàn)場巡檢經(jīng)驗。

(2) 多架無人機同時對同檔線路桿塔和導(dǎo)線進行巡檢會互相產(chǎn)生電磁干擾，安全起見，實際作業(yè)過程中應(yīng)采取措施，分開單獨作業(yè)。

(3) 在模型的搭建過程中忽略了桿塔、金具、弧垂、地面等外部因素，可在后期的進一步研究中考慮這些因素，使得仿真結(jié)果更加精確。

(4) 現(xiàn)階段已有無人機廠家開發(fā)出電力巡檢專用抗電磁干擾無人機，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將幫助輸電運檢人員獲取更高清、更高精度的線路圖片影像資料，極大地提高線路運維工作效率。