線夾帶電X光檢測(cè)用無(wú)人機(jī)電磁防護(hù)技術(shù)及應(yīng)用

張國(guó)鯤，劉家鵬，石立民，李曉斌，王 坤

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司錫林郭勒電業(yè)局，錫林浩特026000）

X 射線檢測(cè)技術(shù)最早應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像中，近年來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展，在電氣設(shè)備的損傷檢測(cè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如變電站GIS 設(shè)備內(nèi)部缺陷檢測(cè)、復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷檢測(cè)、架空輸電線路壓接金具檢測(cè)等[1-3]，取得不錯(cuò)的檢測(cè)效果。通過(guò)X 射線排查線路導(dǎo)線、線夾和金具等內(nèi)部缺陷和隱患，對(duì)輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。但傳統(tǒng)的X 射線檢測(cè)需要停電作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員在塔下安裝好射線機(jī)和成像板，再爬上鐵塔，最終通過(guò)滑輪將DR（digital radiography）成像設(shè)備吊裝至待測(cè)物體旁進(jìn)行檢測(cè)。不僅需要停電，且整個(gè)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，登高作業(yè)也存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。采用能承受較大重量的無(wú)人機(jī)搭載X 射線成像裝置進(jìn)行線路帶電探傷檢測(cè)，既減輕人員工作負(fù)擔(dān)，又提高了經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的實(shí)際價(jià)值與意義。

傳統(tǒng)輸電線路上進(jìn)行X 射線探傷檢測(cè)，需要停電后將成像設(shè)備安放在指定位置，和供電可靠性要求形成沖突。無(wú)人機(jī)巡線給輸電線路鐵塔巡檢帶來(lái)了巨大便利[4-5]。將X 射線檢測(cè)與無(wú)人機(jī)配合，應(yīng)用于線路帶電探傷檢測(cè)，還在初步研究階段[6]?；诙嘈頍o(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸電耐張線夾X 射線帶電檢測(cè)，在部分重要線路進(jìn)行X 射線帶電檢測(cè)，推廣應(yīng)用前景廣闊。

線夾帶電X 光檢測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)人機(jī)攜帶射線機(jī)和成像板，因?yàn)橹苯咏佑|高壓導(dǎo)線，其關(guān)鍵在于系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。無(wú)人機(jī)電磁屏蔽效能很大程度上取決于裝置的物理結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性，無(wú)人機(jī)的接縫和開(kāi)口都是電磁波的泄漏源[7]。

本文對(duì)無(wú)人機(jī)及DR 系統(tǒng)電磁屏蔽、 天線復(fù)合材料電磁屏蔽措施進(jìn)行了分析。并進(jìn)行了模擬帶電試驗(yàn)，為線夾帶電X 光檢測(cè)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 輸電線路電磁干擾

1.1 輸電線路電磁場(chǎng)

單回路水平排列的500 kV 交流線路模型[8]，4分裂導(dǎo)線，相間距10 m，相導(dǎo)線對(duì)地高度不同時(shí)地面上1.5 m 處的電場(chǎng)強(qiáng)度橫向分布如圖1 所示。磁感應(yīng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度分布趨勢(shì)大致相同，磁感應(yīng)強(qiáng)度在距中心線5 m 附近出現(xiàn)最大值約16 μT[9]。電場(chǎng)超過(guò)國(guó)家環(huán)保總局的《500 kV 超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T24-1998）和衛(wèi)生部門(mén)的《作業(yè)場(chǎng)所工頻電場(chǎng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB16203-1996），人體安全接觸的工頻電場(chǎng)為4 kV/m 的標(biāo)準(zhǔn)，工頻磁場(chǎng)滿足小于100 μT 的要求。

圖1 500 kV 導(dǎo)線對(duì)地高度不同時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度的橫向分布Fig.1 Lateral distribution of electric field intensity of 500 kV conductors with different heights to the ground

對(duì)居民來(lái)說(shuō)，通過(guò)增加相導(dǎo)線分裂根數(shù)、改進(jìn)分裂導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及減小導(dǎo)線表面電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)減小高壓線路的無(wú)線電干擾[10]。但是線夾帶電X 光檢測(cè)中無(wú)人機(jī)需直接接觸導(dǎo)線，在上述措施下電場(chǎng)強(qiáng)度仍然很大。對(duì)于±500 kV 直流線路，其導(dǎo)線周?chē)^近距離處最大場(chǎng)強(qiáng)大于300 kV/m，當(dāng)無(wú)人機(jī)靠近帶電導(dǎo)線時(shí)，其局部放電模型類(lèi)似于棒-板間隙放電模型，典型棒-板間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)值約為300 kV/m[11]。當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入帶電導(dǎo)線周?chē)鷷r(shí)，受高壓強(qiáng)電場(chǎng)作用，無(wú)人機(jī)上的部件會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷，特別是無(wú)人機(jī)表面及尖端處會(huì)感應(yīng)出較高的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，從而引起周?chē)妶?chǎng)分布的畸變。當(dāng)局部場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)空氣擊穿強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生極端放電，威脅到無(wú)人機(jī)操控及數(shù)據(jù)傳輸性能，甚至威脅到無(wú)人機(jī)飛行及輸電線路的安全運(yùn)行。

1.2 輸電線路電磁波對(duì)無(wú)人機(jī)的干擾

架空輸電線路產(chǎn)生的電磁波干擾主要是導(dǎo)線表面和線路部件表面的電暈放電及絕緣子高電位部分放電和接觸不良產(chǎn)生的火花放電。電暈及其它放電產(chǎn)生的效應(yīng)之一就是電磁波干擾。電磁波干擾的實(shí)質(zhì)，是在電暈過(guò)程中出現(xiàn)一些有害的、頻率相當(dāng)寬的電磁波，對(duì)無(wú)線通信設(shè)施產(chǎn)生干擾。

由于無(wú)人機(jī)的圖傳、數(shù)傳以及操控都采用無(wú)線電方式[12]，當(dāng)無(wú)人機(jī)過(guò)于靠近高壓帶電導(dǎo)線時(shí)，其通信和操控性能會(huì)受到很大干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中止或操控失靈[13]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)碰線墜機(jī)。一般無(wú)人機(jī)采用的圖傳和數(shù)傳頻率為900 MHz 左右，操控頻率為2.4 GHz。

無(wú)人機(jī)通常使用GPS 進(jìn)行導(dǎo)航，當(dāng)GPS 接收機(jī)附近有相同頻率的電磁波時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同頻干擾，導(dǎo)致GPS 導(dǎo)航精度下降甚至失效，進(jìn)而導(dǎo)致線夾X 光檢測(cè)用無(wú)人機(jī)不能起飛[14]。

1.3 實(shí)測(cè)情況

電磁場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)的干擾實(shí)測(cè)情況如圖2 所示，施加110 kV 電壓，導(dǎo)線對(duì)無(wú)人機(jī)局部放電，且飛控系統(tǒng)屏幕顯示主控?cái)?shù)據(jù)異常，航向角控制異常。磁羅盤(pán)的錯(cuò)誤航向角會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的姿態(tài)矩陣，接著導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速分配出錯(cuò)，實(shí)際姿態(tài)與預(yù)期姿態(tài)不一致，進(jìn)一步導(dǎo)致飛行路線偏離正確的路線，最終可能導(dǎo)致炸機(jī)。

圖2 電磁場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)的干擾實(shí)測(cè)情況Fig.2 Measured situation of electromagnetic field interference to UAV

為了確定GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)的電磁干擾情況，分別在不同距離（1.3 m～0.4 m），逐漸加壓到100 kV，如圖3 及表1 所示，發(fā)現(xiàn)GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)均能承受靜電場(chǎng)。說(shuō)明高壓靜電場(chǎng)對(duì)GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)的電磁干擾影響不大。無(wú)人機(jī)受到的電磁干擾不能起飛的主要原因在于火花放電。為了避免高壓導(dǎo)線對(duì)無(wú)人機(jī)的電磁干擾，需盡量避免放電。

圖3 靜電場(chǎng)對(duì)GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)的電磁干擾測(cè)試Fig.3 Electromagnetic interference test of GPS image transmission and flight control system by electrostatic field

表1 靜電場(chǎng)對(duì)GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)的電磁干擾情況Tab.1 Electromagnetic interference of GPS image transmission and flight control system by electrostatic field

2 無(wú)人機(jī)及DR 系統(tǒng)電磁屏蔽

2.1 電磁屏蔽材料

常用的電磁屏蔽材料有以下3 種：

（1）金屬材料，如鐵、鋁、鋅、銅、鋼等。采用金屬材料作屏蔽網(wǎng)，網(wǎng)孔越密，屏蔽效果越好，采用整體的金屬殼屏蔽的效果最好。

（2）導(dǎo)電高分子材料，可分為復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料和本征型導(dǎo)電高分子材料。

（3）軟體電磁屏蔽材料，主要有銅鎳布、導(dǎo)電海綿、導(dǎo)電網(wǎng)紗、純銅布及純鎳布等。

2.2 無(wú)人機(jī)電磁屏蔽

無(wú)人機(jī)上天線的裝載、電源供電回路、接地等，都給復(fù)合材料無(wú)人機(jī)整機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)提出了更高的要求[15-16]，如圖4 所示。

無(wú)人機(jī)電子系統(tǒng)電磁干擾的產(chǎn)生必須具有3個(gè)要素，即干擾源、干擾傳播途徑和敏感設(shè)備。干擾源來(lái)自火花放電，敏感設(shè)備有GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中主要干擾傳播途徑為輻射耦合，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)沒(méi)有密封的機(jī)箱外殼，且機(jī)箱上的許多通風(fēng)散熱孔、導(dǎo)線引出孔、鉚接縫都會(huì)滲入或泄出電磁波。無(wú)人機(jī)外殼主體材料為單向碳纖維預(yù)浸料，壁厚約2 mm。復(fù)合材料具有特殊的電磁性能，導(dǎo)電及屏蔽性能不如金屬材料[17-18]。

電磁屏蔽方法切斷干擾傳播途徑，對(duì)空間干擾可以起到較好的效果。用銅箔包裹或者鎳噴涂，或者把電路板裝入鋁盒，焊接到接地端，這些措施可以增加抗射頻干擾能力。

GPS 模塊（L1 波段中心頻率為1.57 GHz）與數(shù)據(jù)鏈路通信模塊共存于一個(gè)系統(tǒng)中，兩者的工作頻率相近，由于GPS 信號(hào)比較弱，常淹沒(méi)在噪聲中。為了提高無(wú)人機(jī)電磁屏蔽性能，GPS 天線做了如下改進(jìn)：

（1）安裝一個(gè)金屬地板。安裝金屬地板將改善信號(hào)接收和GPS 性能，使用10 cm×10 cm 的銅皮。

（2）避免射頻干擾。GPS 信號(hào)易受射頻干擾，如無(wú)線調(diào)制/解調(diào)器、無(wú)線視頻發(fā)射機(jī)等。

（3）GPS 電纜打大彎捆扎成圓。不要來(lái)回折疊捆扎，會(huì)影響GPS 信號(hào)。

2.3 DR 系統(tǒng)電磁屏蔽

DR 系統(tǒng)（數(shù)字射線成像系統(tǒng)）包括射線機(jī)，成像板或IP 板。和無(wú)人機(jī)相比，射線機(jī)和成像板有金屬外殼密閉，抗電磁干擾能力較好，采用錫箔或者金屬網(wǎng)進(jìn)行電磁防護(hù)即可。

對(duì)無(wú)人機(jī)及DR 系統(tǒng)采用上述電磁屏蔽改進(jìn)措施后，再次進(jìn)行220 kV 帶電模擬試驗(yàn)，如圖5 所示。順利掛線，拍攝了清晰的X 光檢測(cè)照片。

圖4 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram of UAV

圖5 武漢高壓研究所檢測(cè)系統(tǒng)帶電模擬實(shí)驗(yàn)Fig.5 Live simulation experiment of inspection system in Wuhan high voltage research institute

3 結(jié)語(yǔ)

輸電線路電場(chǎng)強(qiáng)度大，輸電線路對(duì)無(wú)人機(jī)的電磁干擾主要有2 個(gè)方面，一是當(dāng)局部場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)空氣擊穿強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生極端放電，威脅到無(wú)人機(jī)操控及數(shù)據(jù)傳輸性能，甚至引起墜機(jī)；二是電磁干擾還會(huì)引起磁羅盤(pán)錯(cuò)誤和航向角錯(cuò)誤，不能起飛。GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)均能承受100 kV 靜電場(chǎng)，說(shuō)明高壓靜電場(chǎng)對(duì)GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)的電磁干擾影響不大。無(wú)人機(jī)受到的電磁干擾不能起飛的主要原因在于火花放電。為了避免高壓導(dǎo)線對(duì)無(wú)人機(jī)的電磁干擾，需盡量避免放電。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中主要干擾傳播途徑為輻射耦合，無(wú)人機(jī)及DR 系統(tǒng)電磁屏蔽措施有錫箔、金屬網(wǎng)包裹，電路抗電磁干擾設(shè)計(jì)，天線復(fù)合材料電磁屏蔽等。模擬帶電試驗(yàn)表明，線夾帶電X 光檢測(cè)用無(wú)人機(jī)電磁防護(hù)措施是有效的，為線夾帶電X 光檢測(cè)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。