線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)排查線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)、線(xiàn)夾和金具等內(nèi)部缺陷和隱患，對(duì)輸電線(xiàn)路的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。但傳統(tǒng)的X 射線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)成像裝置進(jìn)行線(xiàn)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(xiàn)路上進(jìn)行X 射線(xiàn)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(xiàn)給輸電線(xiàn)路鐵塔巡檢帶來(lái)了巨大便利[4-5]。將X 射線(xiàn)檢測(cè)與無(wú)人機(jī)配合，應(yīng)用于線(xiàn)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(xiàn)夾X 射線(xiàn)帶電檢測(cè)，在部分重要線(xiàn)路進(jìn)行X 射線(xiàn)帶電檢測(cè)，推廣應(yīng)用前景廣闊。

線(xiàn)夾帶電X 光檢測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)人機(jī)攜帶射線(xiàn)機(jī)和成像板，因?yàn)橹苯咏佑|高壓導(dǎo)線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路電磁干擾

1.1 輸電線(xiàn)路電磁場(chǎng)

單回路水平排列的500 kV 交流線(xiàn)路模型[8]，4分裂導(dǎo)線(xiàn)，相間距10 m，相導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)足小于100 μT 的要求。

圖1 500 kV 導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)分裂根數(shù)、改進(jìn)分裂導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)及減小導(dǎo)線(xiàn)表面電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)減小高壓線(xiàn)路的無(wú)線(xiàn)電干擾[10]。但是線(xiàn)夾帶電X 光檢測(cè)中無(wú)人機(jī)需直接接觸導(dǎo)線(xiàn)，在上述措施下電場(chǎng)強(qiáng)度仍然很大。對(duì)于±500 kV 直流線(xiàn)路，其導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路的安全運(yùn)行。

1.2 輸電線(xiàn)路電磁波對(duì)無(wú)人機(jī)的干擾

架空輸電線(xiàn)路產(chǎn)生的電磁波干擾主要是導(dǎo)線(xiàn)表面和線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電方式[12]，當(dāng)無(wú)人機(jī)過(guò)于靠近高壓帶電導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)偏離正確的路線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)調(diào)制/解調(diào)器、無(wú)線(xiàn)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(xiàn)成像系統(tǒng)）包括射線(xiàn)機(jī)，成像板或IP 板。和無(wú)人機(jī)相比，射線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)路電場(chǎng)強(qiáng)度大，輸電線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)復(fù)合材料電磁屏蔽等。模擬帶電試驗(yàn)表明，線(xiàn)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(xiàn)夾帶電X 光檢測(cè)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。