超特高壓直流輸電線路電磁場對無人機(jī)安全距離的影響

許家文，陰酉龍，嚴(yán) 波，萬 能，劉 君，李 達(dá)

(1.安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230000；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230000；3.國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽 合肥 230000)

輸電線路對無人機(jī)的影響主要表現(xiàn)為電磁干擾。其中，電場的影響主要由線路的運行電壓決定，磁場的影響主要由導(dǎo)線中通過的電流決定。而交、直流兩種不同原理的輸電方式也決定了其對無人機(jī)所產(chǎn)生的影響不同。

針對這些問題，近年來部分學(xué)者開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1-2]對直流輸電線路的電場進(jìn)行了詳細(xì)分析，但磁場方面幾乎沒有涉及。文獻(xiàn)[3-4]指出了無人機(jī)在交流500 kV輸電線路電磁場中的安全飛行距離，但對其他電壓等級卻很少說明。文獻(xiàn)[5-7]對交流輸電線路的電磁場進(jìn)行了闡述，討論了在不同的子導(dǎo)線分裂根數(shù)、相間距離、導(dǎo)線布置形式及線路對地距離下電磁場的分布情況，但并未將無人機(jī)引入該模型中。

本文利用ANSYS軟件，對安徽境內(nèi)±500 kV及以上電壓等級直流輸電線路的電磁場進(jìn)行建模和仿真，詳細(xì)分析無人機(jī)在該電磁場所受到的影響，得出無人機(jī)在巡檢過程中需保持的安全距離。

1 模型建立

1.1 桿塔模型

此仿真主要針對±500 kV及以上直流輸電線路，其桿塔、絕緣子、導(dǎo)線等參數(shù)均與設(shè)計圖紙保持一致。

1.2 無人機(jī)模型

無人機(jī)模型參照目前主流的大疆M200系列，具體參數(shù)如表1所示。

表1 無人機(jī)參數(shù)

其中，除機(jī)身內(nèi)部、電機(jī)、GPS天線等部位為金屬材料外，無人機(jī)其他部位均由絕緣材料構(gòu)成，其整體示意圖如圖1所示。

圖1 無人機(jī)整體示意圖

2 仿真

由文獻(xiàn)[8-9]可知，無人機(jī)在進(jìn)行輸電線路巡檢時，不受電磁場干擾的臨界值約為1×104V/m及240 μT。

該以此參數(shù)為基礎(chǔ)，研究無人機(jī)在超特高壓直流輸電線路中所受電磁場影響。

2.1 ±500 kV葛南/林楓線仿真

±500 kV葛南/林楓線1362號/1120號部分參數(shù)如表2所示。

表2 ±500 kV葛南/林楓線參數(shù)

2.1.1 電場仿真

對±500 kV葛南/林楓線1362號/1120號進(jìn)行電場仿真，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 ±500 kV葛南/林楓線1362號/1120號電場仿真局部放大圖

由圖2可知，在分裂導(dǎo)線內(nèi)部，由于電場相互抵消，強(qiáng)度幾乎為0。在分裂導(dǎo)線外部，桿塔對電場強(qiáng)度分布的影響較為顯著。其中，導(dǎo)線外側(cè)衰減幅度較大，導(dǎo)線內(nèi)側(cè)和上、下側(cè)衰減幅度較小，導(dǎo)線上側(cè)橫擔(dān)外部甚至有增強(qiáng)的趨勢。

該電場強(qiáng)度的數(shù)值曲線如圖3所示。

圖3 ±500 kV葛南/林楓線1362號/1120號電場仿真數(shù)值曲線圖

由圖3可知，電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在分裂導(dǎo)線內(nèi)側(cè)，分裂導(dǎo)線外側(cè)的極值較內(nèi)側(cè)稍小，電場強(qiáng)度在分裂導(dǎo)線內(nèi)部幾乎為0。在導(dǎo)線外部，電場強(qiáng)度迅速衰減，其中導(dǎo)線外側(cè)衰減幅度較內(nèi)側(cè)快。電場強(qiáng)度1×104V/m出現(xiàn)在距離分裂導(dǎo)線外側(cè)約7.35 m處。

無人機(jī)在導(dǎo)線外側(cè)所受電場的影響如圖4所示。

圖4 無人機(jī)在導(dǎo)線外側(cè)所受電場的影響

由圖4可知，在此電場中無人機(jī)機(jī)臂外部及螺旋槳外側(cè)所受電場影響較大，而機(jī)身及螺旋槳內(nèi)側(cè)所受電場影響較小，其中靠近導(dǎo)線側(cè)受到的影響較為顯著。除此之外，無人機(jī)的腳架、GPS天線以及機(jī)身的一些尖銳部位也會受到電場的影響。

2.1.2 磁場仿真

±500 kV葛南/林楓線輸送容量3000 MW，其電流為6 kA，每根子導(dǎo)線電流為1.5 kA，磁場仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 ±500 kV葛南/林楓線1362號/1120號磁場仿真局部放大圖

由圖5可知，在分裂導(dǎo)線內(nèi)部，由于磁場相互抵消，強(qiáng)度幾乎為0。在分裂導(dǎo)線外部，桿塔對磁場強(qiáng)度分布的影響較為顯著。其中，導(dǎo)線內(nèi)側(cè)衰減幅度最大，上、下側(cè)衰減幅度次之，外側(cè)衰減幅度最小，導(dǎo)線上側(cè)橫擔(dān)外部甚至有增強(qiáng)的趨勢。

該磁場強(qiáng)度的數(shù)值曲線圖，如圖6所示。

圖6 ±500 kV葛南/林楓線1362號/1120號磁場仿真數(shù)值曲線圖

由圖6可知，磁場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在分裂導(dǎo)線外側(cè)，分裂導(dǎo)線內(nèi)側(cè)的極值較外側(cè)稍小，磁場強(qiáng)度在分裂導(dǎo)線內(nèi)部幾乎為0。在導(dǎo)線外部，磁場強(qiáng)度迅速衰減，其中導(dǎo)線內(nèi)側(cè)衰減幅度較外側(cè)快。

無人機(jī)在導(dǎo)線外側(cè)所受磁場的影響如圖7所示。

圖7 無人機(jī)在導(dǎo)線外側(cè)所受磁場的影響

由圖7可知，在此磁場中無人機(jī)機(jī)臂外側(cè)、機(jī)身外側(cè)與機(jī)臂連接處以及電機(jī)部位所受磁場影響較大，其他部位所受磁場影響較小，其中靠近導(dǎo)線側(cè)受到的影響較為顯著。

2.2 ±800 kV錦蘇線仿真

±800 kV錦蘇線3219號部分參數(shù)如表3所示。

表3 ±800 kV錦蘇線參數(shù)

2.2.1 電場仿真

對±800 kV錦蘇線3219號進(jìn)行電場仿真，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 ±800 kV錦蘇線3219號電場仿真局部放大圖

由圖8可知，在分裂導(dǎo)線內(nèi)部，由于電場相互抵消，電場強(qiáng)度幾乎為0。在分裂導(dǎo)線外部，桿塔對電場強(qiáng)度分布的影響較為顯著。其中，導(dǎo)線外側(cè)衰減幅度較大，導(dǎo)線內(nèi)側(cè)和上側(cè)衰減幅度較小，導(dǎo)線上側(cè)橫擔(dān)外部甚至有增強(qiáng)的趨勢。由于此線路為單回線路，因此導(dǎo)線下側(cè)另一回線路的橫擔(dān)對該導(dǎo)線電場分布的影響并不存在。

該電場強(qiáng)度的數(shù)值曲線如圖9所示。

圖9 ±800 kV錦蘇線3219號電場仿真數(shù)值曲線圖

由圖9可知，電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在分裂導(dǎo)線內(nèi)側(cè)，分裂導(dǎo)線外側(cè)的極值較內(nèi)側(cè)稍小，電場強(qiáng)度在分裂導(dǎo)線內(nèi)部幾乎為0。在導(dǎo)線外部，電場強(qiáng)度迅速衰減，其中導(dǎo)線外側(cè)衰減幅度較內(nèi)側(cè)快。

無人機(jī)在導(dǎo)線內(nèi)側(cè)所受電場的影響如圖10所示。

圖10 無人機(jī)在導(dǎo)線內(nèi)側(cè)所受電場的影響

由圖10可知，在此電場中無人機(jī)機(jī)臂外部及螺旋槳外側(cè)所受電場影響較大，而機(jī)身及螺旋槳內(nèi)側(cè)所受電場影響較小，其中靠近導(dǎo)線側(cè)受到的影響較為顯著。除此之外，無人機(jī)的腳架、GPS天線以及機(jī)身的一些尖銳部位也會受到電場的影響。

2.2.2 磁場仿真

±800 kV 錦蘇線輸送容量8 000 MW，其電流為10 kA，每根子導(dǎo)線電流約為1.67 kA，磁場仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 ±800 kV錦蘇線3219號磁場仿真局部放大圖

由圖11可知，在分裂導(dǎo)線內(nèi)部，由于磁場相互抵消，磁場強(qiáng)度幾乎為0。在分裂導(dǎo)線外部，桿塔對磁場強(qiáng)度分布的影響較為顯著。其中，導(dǎo)線上側(cè)和內(nèi)側(cè)衰減幅度較大，下側(cè)和外側(cè)衰減幅度較小，導(dǎo)線上側(cè)橫擔(dān)外部甚至有增強(qiáng)的趨勢。由于此線路為單回線路，所以導(dǎo)線下側(cè)另一回線路的橫擔(dān)對該導(dǎo)線磁場分布的影響并不存在。

該磁場強(qiáng)度的數(shù)值曲線如圖12所示。

圖12 ±800 kV錦蘇線3219號磁場仿真數(shù)值曲線圖

由圖12可知，磁場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在分裂導(dǎo)線外側(cè)，分裂導(dǎo)線內(nèi)側(cè)的極值較外側(cè)稍小，磁場強(qiáng)度在分裂導(dǎo)線內(nèi)部幾乎為0。在導(dǎo)線外部，磁場強(qiáng)度迅速衰減，其中導(dǎo)線內(nèi)側(cè)衰減幅度較外側(cè)快。磁場強(qiáng)度240 μT出現(xiàn)在距離分裂導(dǎo)線外側(cè)約15.2 m處。

無人機(jī)在導(dǎo)線內(nèi)側(cè)所受磁場的影響如圖13所示。

圖13 無人機(jī)在導(dǎo)線內(nèi)側(cè)所受磁場的影響

由圖13可知，在此磁場中無人機(jī)機(jī)臂外側(cè)、機(jī)身外側(cè)與機(jī)臂連接處以及電機(jī)部位所受磁場影響較大，其他部位所受磁場影響較小，其中靠近導(dǎo)線側(cè)受到的影響較為顯著。

2.3 ±1 100 kV吉泉線仿真

±1 100 kV吉泉線5606號部分參數(shù)如表4所示。

表4 ±1100 kV吉泉線參數(shù)

2.3.1 電場仿真

對±1 100 kV吉泉線5606號進(jìn)行電場仿真，其結(jié)果如圖14所示。

圖14 ±1 100 kV吉泉線5606號電場仿真局部放大圖

由圖14可知，在分裂導(dǎo)線內(nèi)部，由于電場相互抵消，電場強(qiáng)度幾乎為0。在分裂導(dǎo)線外部，桿塔對電場強(qiáng)度分布的影響較為顯著。其中導(dǎo)線外側(cè)衰減幅度較大，導(dǎo)線內(nèi)側(cè)和上側(cè)衰減幅度較小，導(dǎo)線上側(cè)橫擔(dān)外部甚至有增強(qiáng)的趨勢。

該電場強(qiáng)度的數(shù)值曲線如圖15所示。

圖15 ±1 100 kV吉泉線5606號電場仿真數(shù)值曲線圖

由圖15可知，電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在分裂導(dǎo)線內(nèi)側(cè)，分裂導(dǎo)線外側(cè)的極值較內(nèi)側(cè)稍小，電場強(qiáng)度在分裂導(dǎo)線內(nèi)部幾乎為0。在導(dǎo)線外部，電場強(qiáng)度迅速衰減，其中導(dǎo)線外側(cè)衰減幅度較內(nèi)側(cè)快。

無人機(jī)在導(dǎo)線下側(cè)所受電場的影響如圖16所示。

圖16 無人機(jī)在導(dǎo)線下側(cè)所受電場的影響

由圖16可知，無人機(jī)在導(dǎo)線下側(cè)所受電場的影響與在導(dǎo)線外側(cè)和內(nèi)側(cè)有顯著不同。其中，機(jī)身尖銳處、腳架下端、GPS天線頂端及電機(jī)上、下側(cè)受到的影響較為顯著。

2.3.2 磁場仿真

±1 100 kV吉泉線輸送容量12 000 MW，則其電流約為11 kA，每根子導(dǎo)線電流約為1.36 kA，磁場仿真結(jié)果如圖17所示。

圖17 ±1 100 kV吉泉線5606號磁場仿真局部放大圖

由圖17可知，在分裂導(dǎo)線內(nèi)部，由于磁場相互抵消，磁場強(qiáng)度幾乎為0。在分裂導(dǎo)線外部，桿塔對磁場強(qiáng)度分布的影響較為顯著。其中，導(dǎo)線上側(cè)和內(nèi)側(cè)衰減幅度較大，下側(cè)和外側(cè)衰減幅度較小，導(dǎo)線上側(cè)橫擔(dān)外部甚至有增強(qiáng)的趨勢。

該磁場強(qiáng)度的數(shù)值曲線如圖18所示。

圖18 ±1 100 kV吉泉線5606號磁場仿真數(shù)值曲線圖

由圖18可知，磁場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在分裂導(dǎo)線外側(cè)，分裂導(dǎo)線內(nèi)側(cè)的極值較外側(cè)稍小，磁場強(qiáng)度在分裂導(dǎo)線內(nèi)部幾乎為0。在導(dǎo)線外部，磁場強(qiáng)度迅速衰減，其中導(dǎo)線內(nèi)側(cè)衰減幅度較外側(cè)快。

無人機(jī)在導(dǎo)線下側(cè)所受磁場的影響如圖19所示。

圖19 無人機(jī)在導(dǎo)線下側(cè)所受磁場的影響

由圖19可知，無人機(jī)在導(dǎo)線下側(cè)所受磁場的影響與在導(dǎo)線外側(cè)和內(nèi)側(cè)有顯著不同。其中，機(jī)身及電機(jī)受到的影響最為顯著，機(jī)臂外側(cè)也會受到較為強(qiáng)烈的磁場影響[10-12]。

3 結(jié)語

對安徽境內(nèi)3種電壓等級的直流輸電線路電磁場進(jìn)行了建模和仿真，分析了電場和磁場的分布情況以及無人機(jī)在導(dǎo)線周圍3處不同位置所受到的影響，確定了飛行中需保持的安全距離，主要結(jié)論如下。

(1)無人機(jī)在3種電壓等級下電場和磁場的的安全距離如表5所示。

表5 無人機(jī)安全距離 m

由表5可知，無人機(jī)的安全距離需由電場和磁場綜合判斷。本文所提供的安全距離是在線路全電壓、全電流的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，故數(shù)值較大?，F(xiàn)場作業(yè)時，無人機(jī)的實際安全距離還需由線路的運行情況決定。

(2)無人機(jī)在導(dǎo)線外側(cè)和內(nèi)側(cè)所受電磁場的影響較為相似，但在導(dǎo)線下側(cè)所受電磁場的影響卻與外側(cè)和內(nèi)側(cè)截然不同?，F(xiàn)場作業(yè)在保證電磁場安全距離的同時，還需注意無人機(jī)相對于導(dǎo)線所處的位置。

(3)受客觀因素制約，本文所探討的無人機(jī)耐受電磁場強(qiáng)度僅是參考現(xiàn)有的研究成果。對于市場上不同型號無人機(jī)的實際耐受值，還需通過實驗加以確定[13-15]。