基于電場(chǎng)信息的交流架空線路無人機(jī)巡線安全距離仿真研究

重慶大學(xué)弘深學(xué)院 武子恒 蔣 仕 梁書豪

0.引言

近年來隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在電力線路巡檢方面的應(yīng)用也日益廣泛[1-3]。在巡線過程中，為了收集線路運(yùn)行情況和故障信息，無人機(jī)需要靠近導(dǎo)線和桿塔甚至沿著輸電線巡航，其內(nèi)部的電子元件就有可能在作業(yè)環(huán)境電磁場(chǎng)干擾下出現(xiàn)異常從而影響測(cè)量數(shù)據(jù)精確度[4]，甚至?xí)?dǎo)致無人機(jī)操作不受控制使其與線路和桿塔的撞擊，對(duì)無人機(jī)、輸電線和桿塔等造成破壞，甚至造成電力系統(tǒng)的故障，危及系統(tǒng)運(yùn)行安全，無人機(jī)巡線的避障策略和和其巡線作業(yè)中安全距離界定的研究就顯得尤為重要。而避障和安全距離研究的前提是獲得無人機(jī)與線路的距離，目前的無人機(jī)大多采用激光雷達(dá)測(cè)距[5-6]、紅外測(cè)距[7]、超聲波測(cè)距[8]等方法，但是激光雷達(dá)測(cè)距設(shè)備成本高、壽命短，紅外測(cè)距容易受到陽光等環(huán)境因素的干擾，超聲波測(cè)距結(jié)果易受到復(fù)雜地形和周圍環(huán)境的影響。

輸電線路通電后在其周圍空間產(chǎn)生的交變電場(chǎng)是其固有特性，而且電場(chǎng)強(qiáng)度與場(chǎng)-源距離之間存在著定量的關(guān)系[9]，而這些電場(chǎng)信息在無人機(jī)的安全距離評(píng)測(cè)中尚未得到充分利用。電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量無需定點(diǎn)瞄準(zhǔn)、不存在測(cè)量盲點(diǎn)也不受光線強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響，，通過電場(chǎng)強(qiáng)度信息可以確定無人機(jī)與導(dǎo)線之間的距離信息。

本文針對(duì)交流架空線無人機(jī)巡線時(shí)與線路的距離測(cè)量和安全距離界定提出了基于電場(chǎng)仿真分析的研究方法，建立了包含輸電線路、桿塔和無人機(jī)的仿真模型，對(duì)輸電線、桿塔和無人機(jī)周圍空間以及無人機(jī)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行分析，并研究無人機(jī)位置處電場(chǎng)強(qiáng)度與其距離導(dǎo)線距離的關(guān)系，并對(duì)其耐受電場(chǎng)的分析得到無人機(jī)巡線的安全距離標(biāo)準(zhǔn)，旨在對(duì)無人機(jī)巡線的工程實(shí)踐提供參考依據(jù)，提高無人機(jī)巡線的安全水平。

1.仿真模型

1.1 輸電線和桿塔模型

本文主要針對(duì)220kV和500kV的交流架空輸電線路進(jìn)行研究，其電場(chǎng)強(qiáng)度較大，對(duì)無人機(jī)巡檢影響較為明顯。根據(jù)GB50545-2010和《國家電網(wǎng)輸變電工程通用設(shè)計(jì)（2011版）》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和不同電壓等級(jí)線路實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)置了相應(yīng)的導(dǎo)線型號(hào)、對(duì)地高度和桿塔的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 220kV和500kV輸電線和桿塔模型相關(guān)參數(shù)

為簡(jiǎn)化仿真模型，將模型中的分裂導(dǎo)線用等效導(dǎo)線代替，其等效半徑計(jì)算式為：

式中：Req為分裂導(dǎo)線等效半徑，R為分裂半徑，m為分裂數(shù)，r為分裂子導(dǎo)線半徑。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)化，搭建220kV和500kV的輸電線路和桿塔模型，如圖1（a）和（b）所示。

本文截取桿塔周圍沿線X軸方向長度10m，桿塔Y軸方向長度共15m的區(qū)域作為研究對(duì)象，涵蓋了無人機(jī)在桿塔附近巡檢作業(yè)正常區(qū)域，將其置于三維坐標(biāo)系內(nèi)，便于觀察電場(chǎng)的空間分布特性。

圖1 桿塔的仿真模型

1.2 無人機(jī)模型

將四旋翼無人機(jī)作為研究對(duì)象，為簡(jiǎn)化Maxwell的網(wǎng)格剖分，提高計(jì)算速度，我們對(duì)無人機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，即忽略無人機(jī)上的螺絲、螺帽等細(xì)小零部件，并將無人機(jī)機(jī)身作實(shí)心模型處理，，無人機(jī)簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

無人機(jī)簡(jiǎn)化模型，機(jī)身（含旋翼）對(duì)角線長85cm，機(jī)身（含旋翼）高度20cm，機(jī)身材料采用碳纖維[10]，設(shè)置相關(guān)電氣參數(shù)，相對(duì)介電常數(shù)為7，電導(dǎo)率為100 S/m。

圖2 無人機(jī)的簡(jiǎn)化模型

2.電場(chǎng)仿真結(jié)果及分析

如圖3所示，在圖1所示的模型中分別加入四臺(tái)無人機(jī)模型，其中兩臺(tái)編號(hào)為1、3的無人機(jī)在Y方向上距離邊相導(dǎo)線5m，另外兩臺(tái)變化為2、4的無人機(jī)Y方向上距離邊相導(dǎo)線10m。對(duì)以上模型進(jìn)行仿真分析，導(dǎo)線周圍空間的電場(chǎng)分布分別如圖3和圖4所示。

圖3 220kV模型俯視圖的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖4 500kV模型俯視圖的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

分析以上結(jié)果得出，220kV線路電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值為57kV/m，500kV線路電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值為113kV/m，均位于兩個(gè)邊相導(dǎo)線與絕緣子的交點(diǎn)處。如圖3和圖4所示，從整體的電場(chǎng)分布上來看，電場(chǎng)強(qiáng)度分布大致關(guān)于X軸對(duì)稱。從無人機(jī)所在位置局部的電場(chǎng)分布來看，對(duì)比無人機(jī)所處位置及其關(guān)于X軸對(duì)稱位置的電場(chǎng)強(qiáng)度，無人機(jī)使其附近電場(chǎng)分布發(fā)生畸變，導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度增大。

為了深入研究無人機(jī)對(duì)電場(chǎng)分布的影響，接下來取中心位于桿塔所在橫截面，距離邊相導(dǎo)線5m的編號(hào)為1的無人機(jī)表面為研究對(duì)象，繪制出其表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，如圖5所示。

圖5 （a）220kV線路無人機(jī)表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖5 （b）500kV線路無人機(jī)表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖5可知，無人機(jī)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，220kV線路中無人機(jī)表面最大場(chǎng)強(qiáng)為17.45kV/m，500kV/m線路中無人機(jī)表面最大場(chǎng)強(qiáng)為40.51kV/m，旋翼葉片邊緣和轉(zhuǎn)軸連接處等尖端位置場(chǎng)強(qiáng)分布集中，數(shù)值較大，遠(yuǎn)超過其位置處本身空間電場(chǎng)的數(shù)值。

3.交流架空線路無人機(jī)巡線安全距離的確定

為了進(jìn)一步確定無人機(jī)對(duì)其周圍空間電場(chǎng)分布的影響，進(jìn)而確定無人機(jī)巡線的安全距離，在1.1所述仿真模型中，在距離邊相導(dǎo)線2.5m、4.5m、6.5m、8.5m、10.5m和12.5m處分別放置無人機(jī)模型，如圖6所示。

圖6 無人機(jī)距離導(dǎo)線不同距離模型圖

分別在220kV和500kV下對(duì)上述模型進(jìn)行仿真分析，得到6架無人機(jī)機(jī)身表面電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值數(shù)據(jù)，見表2、3。

表2 距離邊相導(dǎo)線距離不同的無人機(jī)機(jī)身表面電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值（220kV）

表3 距離邊相導(dǎo)線距離不同的無人機(jī)機(jī)身表面電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值（500kV）

將上述數(shù)據(jù)繪制成表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度和中心距邊相導(dǎo)線距離的折線圖，如圖7所示。

圖7 無人機(jī)表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度和中心距邊相導(dǎo)線距離的折線圖

通過上述結(jié)果可以看出，無人機(jī)表面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨著與邊相導(dǎo)線距離的增大而減小，大致呈二次曲線規(guī)律。一般而言，在10kV/m的電場(chǎng)強(qiáng)度下，電子元器件的性能就會(huì)受到影響[11]，從數(shù)據(jù)中可以看出，220kV模型中在距離6.5 m左右，無人機(jī)表面場(chǎng)強(qiáng)的最大值就達(dá)到了10kV/m，而對(duì)于500kV模型而言，這一距離則是12.5 m左右。

考慮到無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度一般為3 m[12-13]，并考慮操作人員進(jìn)行避障操作時(shí)反應(yīng)時(shí)間等帶來的誤差，我們?cè)O(shè)置2.5m的裕度，因此，利用無人機(jī)對(duì)交流220kV和500 kV交流架空輸電線路開展巡檢作業(yè)時(shí)，最小安全距離宜分別設(shè)置為12m和18m。

4.結(jié)論

本文建立了有桿塔的交流架空輸電線路模型，和碳纖維材料的四旋翼無人機(jī)模型，充分考慮了桿塔的存在和無人機(jī)機(jī)身材料的影響，分析了220kV和500kV的電壓等級(jí)下桿塔附近的電場(chǎng)分布和無人機(jī)表面的電場(chǎng)分布，分別考慮了無人機(jī)和邊相導(dǎo)線的距離和無人機(jī)機(jī)身不同位置對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

仿真分析發(fā)現(xiàn)無人機(jī)會(huì)使其周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布產(chǎn)生畸變，畸變作用使無人機(jī)附近電場(chǎng)強(qiáng)度增大；無人機(jī)與邊相導(dǎo)線的距離越大，其表面電場(chǎng)強(qiáng)度越小，電場(chǎng)強(qiáng)度大致和距離成二次函數(shù)的關(guān)系；無人機(jī)表面的電場(chǎng)分布極不均勻，旋翼葉片和轉(zhuǎn)軸連接處等尖端處場(chǎng)強(qiáng)分布集中，數(shù)值較大，因此在無人機(jī)設(shè)計(jì)和選用時(shí)，應(yīng)該盡量光滑無尖端和毛刺，電場(chǎng)測(cè)量裝置也應(yīng)盡量避開尖端處，以免電場(chǎng)畸變對(duì)測(cè)量和安全距離的判定造成影響。

結(jié)合上述分析結(jié)果，本文綜合考慮了無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度和操作測(cè)量誤差等因素，分別將220kV和500kV線路中巡線無人機(jī)的安全距離確定為12m和18m。