500 kV直流輸電線路直線塔無人機巡檢安全距離仿真與試驗研究

羅 剛，胡龍江，張山河，何相升，張 燦

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司 超高壓公司，湖北 襄樊 441000）

0 引 言

輸電線路的覆蓋面很大，跨越不同地區(qū)惡劣的地形和自然環(huán)境，因此對輸電線路的運行管理有著高要求。線路設(shè)備長期處于野外，為了準(zhǔn)確了解線路的工作狀態(tài)，及時排除線路故障、缺陷或潛在危險，需要投入大量人力物力巡視線路。傳統(tǒng)的電力線路巡檢方法是人工巡檢，在特定的地形和天氣情況下巡檢困難，不易發(fā)現(xiàn)瓶口以上部位的缺陷，巡檢效率低下。與之相比，無人機巡檢受地形限制較小，成本低，可操作性和靈活性較強，塔頭巡檢效果好，巡檢效率高，可以實現(xiàn)自動或人工操作，實時監(jiān)控輸電線路的影像和視頻數(shù)據(jù)，改進巡視工作的質(zhì)量與效率。目前，無人機巡檢在輸電線路上的安全距離還沒有定量的數(shù)據(jù)支持，仍停留在操作人員的主觀判斷階段，即在保證無人機不會撞線和失控等情況下接近桿塔或?qū)У鼐€，使用地面站和遠程控制器來監(jiān)控與檢查被監(jiān)測對象，有效降低事故的發(fā)生概率，但未充分利用無人機的靈活性和高效率等優(yōu)勢，因此有待開展無人機的相關(guān)研究，確定典型機型的安全距離，并給出量化的精確結(jié)論。

1 仿真模型

采用ANSYS軟件對直流輸電線路進行建模。采用5Z2—Z1型直塔，塔身高度為42 m，橫向擋位無人機巡檢420 m。柱塔的大小和1/2的對稱簡化模型如圖1所示。導(dǎo)線采用4XLGJ—720/50鋼芯鋁絞線，直徑為33.6 mm，分裂間隔為400 mm，分枝數(shù)目為4，并按12棱柱形排列。地線由JLB-150鋁包鋼絞合而成。該絕緣子為500 kV的復(fù)合絕緣子，結(jié)構(gòu)高度為6.2 m，呈V形排列，在兩端裝有均壓環(huán)。復(fù)合絕緣子傘裙的介電常數(shù)按3.5計算[1]。簡化金屬工具的結(jié)構(gòu)，在模型中統(tǒng)一使用矩形件。基于以上結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件構(gòu)建500 kV輸電線路的線塔模型，其中絕緣子、金具、導(dǎo)線以及柱子等按實際尺寸建造。

圖1 500 kV輸電線路直線塔模型

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 電場仿真

模擬時，將500 kV的工作電壓加到模型中的2根極線上，得出500 kV輸電線路線塔的空間電場強度分布如圖2所示。在500 kV輸電線路上，桿塔的空間電場是對稱的。而在高電壓的末端，電極周圍有較強的電場。桿塔對空間電場的分布有明顯影響，塔中附近的電場強度減弱較慢，甚至有加強的趨勢。當(dāng)無人機在輸電線路附近巡視時，旋翼、腳架以及機體內(nèi)部的電子元件會對導(dǎo)線附近的電場分布造成一定影響。該無人機模型由碳纖維制成，長為1.55 m，寬為1.55 m，高為0.57 m，機臂的前端和腳架是金屬導(dǎo)線（機臂的前端是電動機，支架是碳管材料），仿真模型如圖3所示。導(dǎo)線下面對電場的作用明顯，機身、旋翼以及腳架等部位均得到了明顯強化，尤其是腳架部位。不同位置的電場強度如表1所示。

圖2 500 kV輸電線路直線塔空間電場分布

圖3 無人機仿真模型

表1 電場強度

從表1可以看出，在每個電極的表面，最大的電場強度可以達到160 kV/m。從導(dǎo)線的中心向外，電場強度呈遞減趨勢。1.0 m時，導(dǎo)線的衰減速度達到256 kV/m；1.5 m時，導(dǎo)線的衰減速度下降到150 kV/m；3.0 m時，導(dǎo)線的衰減速度下降到99 kV/m，并隨著距離的擴大逐漸下降到0。輸電線路的桿塔均接地，電勢為0。將無人飛行器放置在導(dǎo)線內(nèi)側(cè)，下面和外側(cè)導(dǎo)線之間的距離相同。

通常，典型棒-板間隙的擊穿強度在300～350 kV/m。在無人機巡視過程中，旋翼、腳架以及桿塔之間的間隙與棒-板間的間隙相似，因此其周邊的電場強度必須小于臨界擊穿強度，并預(yù)留足夠的余量，以防電子元器件產(chǎn)生眩暈或拉弧導(dǎo)致性能下降而發(fā)生墜機事件。根據(jù)模擬計算的結(jié)果，結(jié)合實驗研究，無人機的理論最小安全距離應(yīng)在1.5 m以上。

2.2 磁場仿真

磁場模擬的模式和電場模擬的模式一致。我國500 kV直流輸電線路的傳輸能力通常在1 000～2 000 MW，傳輸電流在2～4 kA，模擬電路的兩端均加有3 kA的電流。500 kV直流輸電線路的磁場分布總體上與電場分布相似，均為以電線為中心向外放射的不規(guī)則圓形。但是，電場分布主要受桿塔的影響，且在塔身附近存在明顯的畸變，特別是在橫梁兩側(cè)的外串線上[2]。磁場分布較為均勻且完整，基本不會受到塔的影響，在橫梁外側(cè)懸掛點附近沒有發(fā)生變形。因為無人機沒有高磁導(dǎo)率的材料，所以無人駕駛飛機對導(dǎo)線附近的空間磁場分布沒有明顯影響。無人機大部分采用碳纖維材料，很難被磁化。在強大的磁場下，無人機性能受到的影響較小。在導(dǎo)線內(nèi)側(cè)、外側(cè)以及下方0.5 m、1.0 m、1.5 m、3.0 m以及5.0 m的磁場感應(yīng)強度如表2所示。從表2可以看出，在金屬絲內(nèi)部的磁場強度比金屬絲的外部和下部略大。無人機使用磁力計導(dǎo)航，通?？梢猿惺?～4倍的磁場干擾。國內(nèi)的電磁感應(yīng)強度在50～60 μT。巡視工作中，在距離傳輸線3.0 m處，導(dǎo)線電流引起的磁場感應(yīng)強度約為220 μT，對無人機磁力儀工作造成干擾。按照安培定律，直線上的電流會形成一個圍繞著金屬絲的同心圓磁場，離金屬絲越近，磁場越強。地磁和電流的綜合作用指向?qū)Ь€，被電線所吸引。

大黃魚體色按照國際發(fā)光照明委員會CIE（CIE,1976）的規(guī)定測定，L*代表亮度值、a*代表紅色值、b*代表黃色值。使用CR-400型色彩色差計（柯尼卡-美能達，日本）于夜間20:00至24:00進行測定，避免外源性光照對大黃魚體色的影響。每個網(wǎng)箱隨機取5尾魚，在背部和腹部皮膚分別選取2個點測定體色值，盡量保證檢測部位的一致性。

表2 磁場感應(yīng)強度

3 實驗研究

為確定無人機在500 kV輸電線路上的最低安全距離，模擬建立測試平臺，測試無人機操縱性能的安全距離和間隙放電的安全距離，測定其最小安全距離。使用EWZ—S8型的真型無人機（以下簡稱真型機），采用共軸反槳八旋翼，長度為1.55 m，寬為1.55 m，高為0.57 m，材質(zhì)為碳纖維，懸停穩(wěn)定性好，抗電磁干擾性能優(yōu)良。

控制性能的安全距離測試程序：（1）將真型機器置于地上，按照正常的操作需要布線和接上電源，并進行自檢；（2）將模擬機以低速垂直起飛，在導(dǎo)線附近的規(guī)定地點平穩(wěn)懸掛，記錄無人機的位置、距離L1以及塔的距離；（3）在電線充電后逐步提高電壓，直到500 kV，旋轉(zhuǎn)工作裝置并拍照，觀察是否有中斷、丟失、真機是否響應(yīng)控制信號以及機身是否有放電等；（4）調(diào)節(jié)真型機器的位置和L1，并重復(fù)中間兩步，記錄實驗現(xiàn)象。

間隙放電安全距離測試程序：（1）在金屬絲四周設(shè)置模具機，使其平直，記錄模型架的位置和與金屬絲的間距L2；（2）將導(dǎo)線充電，逐步提高到500 kV，觀察樣機有無放電，記錄測試現(xiàn)象；（3）調(diào)節(jié)模型位置和L2的位置，記錄測試現(xiàn)象。

4 實驗結(jié)果

通過測試真空放電的安全距離發(fā)現(xiàn)：在500 kV輸電線路桿塔內(nèi)1.5 m處，旋翼臂前端存在閃絡(luò)放電現(xiàn)象；在距外側(cè)1.5 m處，足部連續(xù)放電，但沒有發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象；在足部1.5 m以下，足部的放電仍在繼續(xù)，且比在外部更顯著。在金屬絲的內(nèi)側(cè)，模具的電場強度最大，易發(fā)生連續(xù)的放電和閃絡(luò)。在距電線1.5 m處，電場強度為278 kV/m左右，旋翼臂前端的放電現(xiàn)象明顯，并出現(xiàn)了閃絡(luò)放電現(xiàn)象。在其他位置和距離較近的情況下，因為模型的電場強度遠遠小于氣隙的擊穿，所以只出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的放電，沒有形成閃絡(luò)。通過對比實驗和模擬計算，結(jié)果表明初始效應(yīng)和明顯影響無人機安全操作的距離為1.5 m，最小安全距離為3.0 m。模擬計算表明，在3 m和1.5 m范圍內(nèi)，無人飛行器的周邊空間電場強度為149 kV/m和278 kV/m，其中278 kV/m接近于典型的棒-板氣隙，而149 kV/m為278 kV/m時擊穿磁場強度的一半。

5 結(jié) 論

以500 kV線塔為例，模擬空間電磁場，分析其分布特性。研究發(fā)現(xiàn)，無人機在桿塔周邊巡視時，電場分布會受到很大影響，但對其磁場的影響較小。通過對無人機操縱安全距離的測試發(fā)現(xiàn)，對無人機安全運行影響最大的范圍是3.0 m。通過對間隙放電安全距離的測試發(fā)現(xiàn)，無人機的安全操作距離（連續(xù)擊穿）為1.5 m。因此，無人偵察機的最小安全距離是3.0 m。