220 kV管母線周圍無(wú)人機(jī)巡檢電場(chǎng)安全距離研究

鄧金鎖,劉慶達(dá),李心達(dá)

(1.東北電力大學(xué),吉林 吉林 132012;2. 國(guó)網(wǎng)吉林供電公司,吉林 吉林 132011;3. 長(zhǎng)春工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展,變電站巡檢機(jī)器人被大量投入使用,變電站的安全巡檢工作越來(lái)越智能化[1-3]。變電站母線支柱絕緣子多發(fā)生一些較為嚴(yán)重的事故[4-7],所以給支柱絕緣子的巡檢維護(hù)工作提出了更高的要求。常用的人工巡檢或者機(jī)器人巡檢由于視角較低,很難準(zhǔn)確檢測(cè)到絕緣子缺陷。無(wú)人機(jī)具有視角靈活的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),可以有效彌補(bǔ)人工和機(jī)器人巡檢的不足。在無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)用過(guò)程中,眾多學(xué)者已針對(duì)無(wú)人機(jī)飛行安全距離做了相應(yīng)的研究。

為保證無(wú)人機(jī)的安全飛行,文獻(xiàn)[8-9]利用雙目測(cè)距原理,實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)巡檢安全距離的測(cè)量;文獻(xiàn)[10]研究了無(wú)人機(jī)巡檢±500 kV直流輸電線路時(shí)的電磁場(chǎng)分布規(guī)律及放電特性,并結(jié)合試驗(yàn)確定了無(wú)人機(jī)巡線安全距離;文獻(xiàn)[11-12]利用無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云確定了輸電線路與周圍物體之間的距離;文獻(xiàn)[13]以平均電場(chǎng)強(qiáng)度(以下簡(jiǎn)稱場(chǎng)強(qiáng))作為約束,得出了無(wú)人機(jī)巡檢500 kV貓頭塔時(shí)的理論安全距離。綜合來(lái)看,當(dāng)前對(duì)于無(wú)人機(jī)巡檢的安全距離研究主要集中于架空輸電線路巡檢作業(yè)方面,而對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢變電站設(shè)備的安全距離問(wèn)題關(guān)注較少。同時(shí),無(wú)人機(jī)與220 kV管母線間的安全距離問(wèn)題當(dāng)前尚未解決。

變電站設(shè)備集中布置,空間間隙相對(duì)較小,加之設(shè)備之間電磁耦合性強(qiáng),導(dǎo)致變電站設(shè)備附近電場(chǎng)分布比輸電線路復(fù)雜得多。設(shè)備周圍空間的緊促性及電場(chǎng)分布的復(fù)雜性對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢安全距離提出了更高的要求。本文針對(duì)220 kV變電站,分析了無(wú)人機(jī)在巡檢母線和支柱絕緣子時(shí)對(duì)空間電場(chǎng)的畸變程度,研究了無(wú)人機(jī)表面最大場(chǎng)強(qiáng)分布特征;通過(guò)放電測(cè)試平臺(tái),研究了無(wú)人機(jī)-母線間隙的起始放電電壓,并以起始放電最大場(chǎng)強(qiáng)和起始放電平均場(chǎng)強(qiáng)作為約束,提出了無(wú)人機(jī)巡檢220 kV管母線時(shí)的安全距離,研究結(jié)果為變電站無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 無(wú)人機(jī)表面電場(chǎng)分析

1.1 仿真模型

220 kV變電站母線及絕緣子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,其參數(shù)見(jiàn)表1。仿真時(shí)母線施加相量形式的電壓激勵(lì),且偏嚴(yán)格考慮,設(shè)定母線電壓比線路電壓高10%,見(jiàn)公式(1)。絕緣子為兩段式支柱絕緣子,瓷絕緣和中間金屬部分的相對(duì)介電常數(shù)分別為4.2和1×1015。

表1 220 kV母線模型參數(shù) 單位:mm

圖1 220 kV母線及絕緣子結(jié)構(gòu)

(1)

變電站巡檢無(wú)人機(jī)模型見(jiàn)圖2。其中,4個(gè)機(jī)臂端的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、云臺(tái)和相機(jī)外殼均為電位懸浮的金屬材質(zhì),是電場(chǎng)比較集中的部位;其余外殼部分均為復(fù)合塑料材質(zhì),相對(duì)介電常數(shù)為2。忽略機(jī)翼部分后,無(wú)人機(jī)仿真模型的幾何尺寸為290 mm×290 mm×196 mm。

圖2 無(wú)人機(jī)模型

1.2 無(wú)人機(jī)位于絕緣子周圍時(shí)電場(chǎng)分布

變電站無(wú)人機(jī)在絕緣子周圍巡檢時(shí)其電動(dòng)機(jī)和云臺(tái)等金屬部位會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷和電場(chǎng),并畸變?cè)臻g電場(chǎng)分布。圖3(a)為沒(méi)有無(wú)人機(jī)時(shí)絕緣子周圍的空間電場(chǎng)分布,當(dāng)絕緣子附近存在無(wú)人機(jī)時(shí),電場(chǎng)分布見(jiàn)圖3(b),此時(shí)無(wú)人機(jī)與B相母線水平間距為70 cm,可以看出無(wú)人機(jī)對(duì)應(yīng)位置處的電場(chǎng)由0.94 kV/cm增大至5.10 kV/cm,這是由無(wú)人機(jī)金屬部位上的感應(yīng)電荷所致;B相-C相母線間隙的電場(chǎng)分布見(jiàn)圖3(c),可以進(jìn)一步看出無(wú)人機(jī)對(duì)電場(chǎng)的畸變程度,畸變后的電場(chǎng)約為原值的5倍。

圖3 無(wú)人機(jī)引起的電場(chǎng)畸變

無(wú)人機(jī)在巡視支柱絕緣子時(shí)需要不斷改變位置,本文選擇B相支柱絕緣子右側(cè)空間88個(gè)位置進(jìn)行電場(chǎng)計(jì)算,見(jiàn)圖4。為準(zhǔn)確描述無(wú)人機(jī)表面電場(chǎng)與位置之間的關(guān)系,以B相母線所在位置為原點(diǎn),以B相指向C相母線方向?yàn)樗椒较?以沿B相支柱絕緣子向下為豎直方向建立直角坐標(biāo)系,以(30,0)作為無(wú)人機(jī)初始位置,水平和垂直方向上的步長(zhǎng)分別為40 cm和30 cm。無(wú)人機(jī)處于不同位置時(shí),其表面最大場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖4 絕緣子周圍巡檢區(qū)域

圖5 無(wú)人機(jī)表面最大電場(chǎng)分布

由圖5可以看出,在水平方向上,無(wú)人機(jī)越靠近B相或者C相母線,其表面場(chǎng)強(qiáng)最大值越大,在B相和C相母線之間整體呈“U”型分布;在豎直方向上,場(chǎng)強(qiáng)最大值隨垂直距離增加而逐漸減小,即無(wú)人機(jī)與母線處于同一高度時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大;在本文討論的空間范圍內(nèi),當(dāng)無(wú)人機(jī)處于(30,0)位置時(shí),其表面最大場(chǎng)強(qiáng)取得最大值14.49 kV/cm,此時(shí)無(wú)人機(jī)在水平和垂直兩個(gè)方向上均距離B相母線最近。另外,當(dāng)無(wú)人機(jī)靠近支柱絕緣子下方金屬橫桿時(shí),其表面最大場(chǎng)強(qiáng)有略微增大的趨勢(shì);當(dāng)無(wú)人機(jī)位于C相絕緣子右側(cè)時(shí),其表面場(chǎng)強(qiáng)最大值隨距離的增大而迅速衰減。

1.3 無(wú)人機(jī)位于母線下方時(shí)電場(chǎng)分布

無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)時(shí)可能位于母線正下方,為確定此時(shí)其表面最大電場(chǎng)分布規(guī)律,以無(wú)人機(jī)處于C相母線正下方為例進(jìn)行分析(見(jiàn)圖6),空間位置的選取及描述與前述類似。

圖6 母線下方巡檢區(qū)域

無(wú)人機(jī)表面最大場(chǎng)強(qiáng)與其空間位置的關(guān)系見(jiàn)圖7。由圖7可以看出,在豎直方向上,隨距離增加場(chǎng)強(qiáng)最大值迅速減小,當(dāng)豎直距離大于100 cm時(shí),場(chǎng)強(qiáng)最大值衰減趨勢(shì)明顯減緩;在水平方向上,場(chǎng)強(qiáng)最大值變化不明顯,只是在接近兩段絕緣子中間部位的金屬導(dǎo)體時(shí),場(chǎng)強(qiáng)有所增加,這是由導(dǎo)體的靜電感應(yīng)電荷引起。當(dāng)無(wú)人機(jī)位于初始位置(30,5)時(shí),其表面的最大場(chǎng)強(qiáng)為24.0 kV/cm,此時(shí)無(wú)人機(jī)與母線和支柱絕緣子的位置最近。從整體來(lái)看,無(wú)人機(jī)的水平坐標(biāo)大于70 cm時(shí),其表面最大場(chǎng)強(qiáng)與豎直距離的關(guān)系相同,即不再受絕緣子的影響。

圖7 無(wú)人機(jī)在母線下方時(shí)表面電場(chǎng)分布

2 放電試驗(yàn)及巡檢安全距離

2.1 直流電動(dòng)機(jī)-母線間隙放電試驗(yàn)

上述仿真中無(wú)人機(jī)表面最大場(chǎng)強(qiáng)均出現(xiàn)在機(jī)臂端的無(wú)刷直流電機(jī)上,因此,電機(jī)部位容易產(chǎn)生放電并與母線之間形成放電發(fā)展通道。本節(jié)開(kāi)展電動(dòng)機(jī)-母線間隙的放電試驗(yàn)研究,接線見(jiàn)圖8。母線與電動(dòng)機(jī)置于絕緣平臺(tái)上構(gòu)成放電間隙;母線端部纏繞絕緣膠帶,防止局部場(chǎng)強(qiáng)畸變引發(fā)電暈;絕緣平臺(tái)整體放在支柱型絕緣子上,離地高度約為1.7 m;工頻試驗(yàn)變壓器型號(hào)為YDTW-500 kV/500 kVA,額定輸出電壓為500 kV。試驗(yàn)時(shí)將間隙分別設(shè)置為5 cm、10 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、50 cm、55 cm,每個(gè)間隙做10次放電試驗(yàn),且每2次放電試驗(yàn)間隔5 min以上,使絕緣平臺(tái)上的空氣充分恢復(fù),盡量保證試驗(yàn)的精確性。

圖8 試驗(yàn)接線

將各間隙的10次放電電壓取平均值,得到各間隙的平均放電電壓,并計(jì)算對(duì)應(yīng)的平均場(chǎng)強(qiáng),結(jié)果見(jiàn)表2。當(dāng)間隙距離較小時(shí),其平均場(chǎng)強(qiáng)較大;隨著間隙距離的增大,其平均場(chǎng)強(qiáng)會(huì)逐漸減小。這主要是因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與母線均為圓柱體,當(dāng)間隙較小時(shí),電場(chǎng)分布比較均勻,間隙可等效為球-球間隙;而間隙較大時(shí),電場(chǎng)不均勻程度加劇,只能視為棒-棒間隙,此時(shí)間隙的平均放電場(chǎng)強(qiáng)較小。無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)巡檢作業(yè)時(shí),不可能距離母線太近,所以無(wú)人機(jī)與母線間的間隙可視為棒-棒間隙處理。

表2 電動(dòng)機(jī)-母線間隙的放電電壓和平均場(chǎng)強(qiáng)

間隙放電不僅和間隙距離有關(guān),也和電極形狀即電極附近電場(chǎng)分布有關(guān),對(duì)電動(dòng)機(jī)-母線間隙放電瞬間電場(chǎng)進(jìn)行分析,得到電動(dòng)機(jī)表面最大場(chǎng)強(qiáng),當(dāng)間隙距離為50 cm時(shí),放電電壓為196 kV,此時(shí)電動(dòng)機(jī)表面最大電場(chǎng)為8.69 kV/cm;其他間隙距離下電動(dòng)機(jī)表面最大電場(chǎng)見(jiàn)表3。可以看出,隨著間隙距離的增大,電動(dòng)機(jī)表面最大電場(chǎng)逐漸增加。

表3 試驗(yàn)各間隙放電時(shí)電動(dòng)機(jī)表面最大場(chǎng)強(qiáng)

本節(jié)采用表2中的平均場(chǎng)強(qiáng)和表3中的表面最大場(chǎng)強(qiáng)作為約束確定220 kV變電站無(wú)人機(jī)巡檢安全距離。前述已經(jīng)通過(guò)仿真得出了無(wú)人機(jī)位于絕緣子周圍及母線下方時(shí)的表面最大場(chǎng)強(qiáng)(見(jiàn)圖5、圖7)。

2.2 無(wú)人機(jī)巡檢安全距離

當(dāng)無(wú)人機(jī)位于絕緣子周圍且與母線同高時(shí),對(duì)應(yīng)的間隙平均場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)圖9(a),可以看出,場(chǎng)強(qiáng)曲線呈左右對(duì)稱分布;本次選取無(wú)人機(jī)-B相母線間隙(左側(cè))進(jìn)行分析,此時(shí)間隙平均場(chǎng)強(qiáng)的仿真值和試驗(yàn)值見(jiàn)圖9(b),可以看出,以平均場(chǎng)強(qiáng)作為約束,無(wú)人機(jī)與母線之間的最小安全距離為10 cm;同理,以無(wú)人機(jī)表面最大場(chǎng)強(qiáng)作為約束,得到的最小安全距離為25 cm,見(jiàn)圖9(c)。

圖9 無(wú)人機(jī)與母線同高時(shí)的安全距離

當(dāng)無(wú)人機(jī)處于母線下方巡檢時(shí),通過(guò)2種場(chǎng)強(qiáng)約束得出的最小安全距離分別約為16 cm和40 cm,見(jiàn)圖10。由以上分析可知,通過(guò)最大場(chǎng)強(qiáng)約束得到的安全距離比平均場(chǎng)強(qiáng)約束的距離大,這是因?yàn)橛煤笳叽_定安全距離時(shí)未能充分考慮無(wú)人機(jī)表面結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布和放電過(guò)程的影響。

圖10 無(wú)人機(jī)處于母線下方時(shí)的安全距離

綜上所述,為確保220 kV變電站無(wú)人機(jī)安全巡檢作業(yè),避免放電現(xiàn)象的發(fā)生,當(dāng)無(wú)人機(jī)與母線同高度巡檢時(shí),應(yīng)使無(wú)人機(jī)與母線之間的距離保持在25 cm以上;當(dāng)無(wú)人機(jī)處于母線下方巡檢時(shí),應(yīng)使無(wú)人機(jī)上端部與母線之間的距離保持在40 cm以上。

3 結(jié)論

本文通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算和間隙放電試驗(yàn)研究了220 kV變電站無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)時(shí)的安全距離,以起始放電時(shí)無(wú)人機(jī)表面最大場(chǎng)強(qiáng)及無(wú)人機(jī)-母線間隙平均場(chǎng)強(qiáng)作為約束,確定了無(wú)人機(jī)巡檢臨界安全距離,即無(wú)人機(jī)與母線同高度巡檢時(shí),兩者之間的臨界安全距離為25 cm;無(wú)人機(jī)位于母線下方巡檢時(shí),兩者之間的臨界安全距離為40 cm。