超特高壓直流輸電線路電磁場對無人機安全距離的影響

許家文，陰酉龍，嚴 波，萬 能，劉 君，李 達

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

輸電線路對無人機的影響主要表現為電磁干擾。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所產生的影響不同。

針對這些問題，近年來部分學者開展了相關研究。文獻[1-2]對直流輸電線路的電場進行了詳細分析，但磁場方面幾乎沒有涉及。文獻[3-4]指出了無人機在交流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[5-7]對交流輸電線路的電磁場進行了闡述，討論了在不同的子導線分裂根數、相間距離、導線布置形式及線路對地距離下電磁場的分布情況，但并未將無人機引入該模型中。

本文利用ANSYS軟件，對安徽境內±500 kV及以上電壓等級直流輸電線路的電磁場進行建模和仿真，詳細分析無人機在該電磁場所受到的影響，得出無人機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、導線等參數均與設計圖紙保持一致。

1.2 無人機模型

無人機模型參照目前主流的大疆M200系列，具體參數如表1所示。

表1 無人機參數

其中，除機身內部、電機、GPS天線等部位為金屬材料外，無人機其他部位均由絕緣材料構成，其整體示意圖如圖1所示。

圖1 無人機整體示意圖

2 仿真

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

該以此參數為基礎，研究無人機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號部分參數如表2所示。

表2 ±500 kV葛南/林楓線參數

2.1.1 電場仿真

對±500 kV葛南/林楓線1362號/1120號進行電場仿真，其結果如圖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，在分裂導線內部，由于電場相互抵消，強度幾乎為0。在分裂導線外部，桿塔對電場強度分布的影響較為顯著。其中，導線外側衰減幅度較大，導線內側和上、下側衰減幅度較小，導線上側橫擔外部甚至有增強的趨勢。

該電場強度的數值曲線如圖3所示。

圖3 ±500 kV葛南/林楓線1362號/1120號電場仿真數值曲線圖

由圖3可知，電場強度最大值出現在分裂導線內側，分裂導線外側的極值較內側稍小，電場強度在分裂導線內部幾乎為0。在導線外部，電場強度迅速衰減，其中導線外側衰減幅度較內側快。電場強度1×104V/m出現在距離分裂導線外側約7.35 m處。

無人機在導線外側所受電場的影響如圖4所示。

圖4 無人機在導線外側所受電場的影響

由圖4可知，在此電場中無人機機臂外部及螺旋槳外側所受電場影響較大，而機身及螺旋槳內側所受電場影響較小，其中靠近導線側受到的影響較為顯著。除此之外，無人機的腳架、GPS天線以及機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，每根子導線電流為1.5 kA，磁場仿真結果如圖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，在分裂導線內部，由于磁場相互抵消，強度幾乎為0。在分裂導線外部，桿塔對磁場強度分布的影響較為顯著。其中，導線內側衰減幅度最大，上、下側衰減幅度次之，外側衰減幅度最小，導線上側橫擔外部甚至有增強的趨勢。

該磁場強度的數值曲線圖，如圖6所示。

圖6 ±500 kV葛南/林楓線1362號/1120號磁場仿真數值曲線圖

由圖6可知，磁場強度最大值出現在分裂導線外側，分裂導線內側的極值較外側稍小，磁場強度在分裂導線內部幾乎為0。在導線外部，磁場強度迅速衰減，其中導線內側衰減幅度較外側快。

無人機在導線外側所受磁場的影響如圖7所示。

圖7 無人機在導線外側所受磁場的影響

由圖7可知，在此磁場中無人機機臂外側、機身外側與機臂連接處以及電機部位所受磁場影響較大，其他部位所受磁場影響較小，其中靠近導線側受到的影響較為顯著。

2.2 ±800 kV錦蘇線仿真

±800 kV錦蘇線3219號部分參數如表3所示。

表3 ±800 kV錦蘇線參數

2.2.1 電場仿真

對±800 kV錦蘇線3219號進行電場仿真，其結果如圖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，在分裂導線內部，由于電場相互抵消，電場強度幾乎為0。在分裂導線外部，桿塔對電場強度分布的影響較為顯著。其中，導線外側衰減幅度較大，導線內側和上側衰減幅度較小，導線上側橫擔外部甚至有增強的趨勢。由于此線路為單回線路，因此導線下側另一回線路的橫擔對該導線電場分布的影響并不存在。

該電場強度的數值曲線如圖9所示。

圖9 ±800 kV錦蘇線3219號電場仿真數值曲線圖

由圖9可知，電場強度最大值出現在分裂導線內側，分裂導線外側的極值較內側稍小，電場強度在分裂導線內部幾乎為0。在導線外部，電場強度迅速衰減，其中導線外側衰減幅度較內側快。

無人機在導線內側所受電場的影響如圖10所示。

圖10 無人機在導線內側所受電場的影響

由圖10可知，在此電場中無人機機臂外部及螺旋槳外側所受電場影響較大，而機身及螺旋槳內側所受電場影響較小，其中靠近導線側受到的影響較為顯著。除此之外，無人機的腳架、GPS天線以及機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，每根子導線電流約為1.67 kA，磁場仿真結果如圖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，在分裂導線內部，由于磁場相互抵消，磁場強度幾乎為0。在分裂導線外部，桿塔對磁場強度分布的影響較為顯著。其中，導線上側和內側衰減幅度較大，下側和外側衰減幅度較小，導線上側橫擔外部甚至有增強的趨勢。由于此線路為單回線路，所以導線下側另一回線路的橫擔對該導線磁場分布的影響并不存在。

該磁場強度的數值曲線如圖12所示。

圖12 ±800 kV錦蘇線3219號磁場仿真數值曲線圖

由圖12可知，磁場強度最大值出現在分裂導線外側，分裂導線內側的極值較外側稍小，磁場強度在分裂導線內部幾乎為0。在導線外部，磁場強度迅速衰減，其中導線內側衰減幅度較外側快。磁場強度240 μT出現在距離分裂導線外側約15.2 m處。

無人機在導線內側所受磁場的影響如圖13所示。

圖13 無人機在導線內側所受磁場的影響

由圖13可知，在此磁場中無人機機臂外側、機身外側與機臂連接處以及電機部位所受磁場影響較大，其他部位所受磁場影響較小，其中靠近導線側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號部分參數如表4所示。

表4 ±1100 kV吉泉線參數

2.3.1 電場仿真

對±1 100 kV吉泉線5606號進行電場仿真，其結果如圖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，在分裂導線內部，由于電場相互抵消，電場強度幾乎為0。在分裂導線外部，桿塔對電場強度分布的影響較為顯著。其中導線外側衰減幅度較大，導線內側和上側衰減幅度較小，導線上側橫擔外部甚至有增強的趨勢。

該電場強度的數值曲線如圖15所示。

圖15 ±1 100 kV吉泉線5606號電場仿真數值曲線圖

由圖15可知，電場強度最大值出現在分裂導線內側，分裂導線外側的極值較內側稍小，電場強度在分裂導線內部幾乎為0。在導線外部，電場強度迅速衰減，其中導線外側衰減幅度較內側快。

無人機在導線下側所受電場的影響如圖16所示。

圖16 無人機在導線下側所受電場的影響

由圖16可知，無人機在導線下側所受電場的影響與在導線外側和內側有顯著不同。其中，機身尖銳處、腳架下端、GPS天線頂端及電機上、下側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，每根子導線電流約為1.36 kA，磁場仿真結果如圖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，在分裂導線內部，由于磁場相互抵消，磁場強度幾乎為0。在分裂導線外部，桿塔對磁場強度分布的影響較為顯著。其中，導線上側和內側衰減幅度較大，下側和外側衰減幅度較小，導線上側橫擔外部甚至有增強的趨勢。

該磁場強度的數值曲線如圖18所示。

圖18 ±1 100 kV吉泉線5606號磁場仿真數值曲線圖

由圖18可知，磁場強度最大值出現在分裂導線外側，分裂導線內側的極值較外側稍小，磁場強度在分裂導線內部幾乎為0。在導線外部，磁場強度迅速衰減，其中導線內側衰減幅度較外側快。

無人機在導線下側所受磁場的影響如圖19所示。

圖19 無人機在導線下側所受磁場的影響

由圖19可知，無人機在導線下側所受磁場的影響與在導線外側和內側有顯著不同。其中，機身及電機受到的影響最為顯著，機臂外側也會受到較為強烈的磁場影響[10-12]。

3 結語

對安徽境內3種電壓等級的直流輸電線路電磁場進行了建模和仿真，分析了電場和磁場的分布情況以及無人機在導線周圍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，主要結論如下。

(1)無人機在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 無人機安全距離 m

由表5可知，無人機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、全電流的基礎上進行分析，故數值較大。現場作業時，無人機的實際安全距離還需由線路的運行情況決定。

(2)無人機在導線外側和內側所受電磁場的影響較為相似，但在導線下側所受電磁場的影響卻與外側和內側截然不同。現場作業在保證電磁場安全距離的同時，還需注意無人機相對于導線所處的位置。

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