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，跨越不同地區惡劣的地形和自然環境，因此對輸電線路的運行管理有著高要求。線路設備長期處于野外，為了準確了解線路的工作狀態，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，不易發現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，可以實現自動或人工操作，實時監控輸電線路的影像和視頻數據，改進巡視工作的質量與效率。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據支持，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導地線，使用地面站和遠程控制器來監控與檢查被監測對象，有效降低事故的發生概率，但未充分利用無人機的靈活性和高效率等優勢，因此有待開展無人機的相關研究，確定典型機型的安全距離，并給出量化的精確結論。

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的復合絕緣子，結構高度為6.2 m，呈V形排列，在兩端裝有均壓環。復合絕緣子傘裙的介電常數按3.5計算[1]。簡化金屬工具的結構，在模型中統一使用矩形件。基于以上結構，采用ANSYS軟件構建500 kV輸電線路的線塔模型，其中絕緣子、金具、導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。當無人機在輸電線路附近巡視時，旋翼、腳架以及機體內部的電子元件會對導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。從導線的中心向外，電場強度呈遞減趨勢。1.0 m時，導線的衰減速度達到256 kV/m；1.5 m時，導線的衰減速度下降到150 kV/m；3.0 m時，導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線內側，下面和外側導線之間的距離相同。

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，并預留足夠的余量，以防電子元器件產生眩暈或拉弧導致性能下降而發生墜機事件。根據模擬計算的結果，結合實驗研究，無人機的理論最小安全距離應在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，在橫梁外側懸掛點附近沒有發生變形。因為無人機沒有高磁導率的材料，所以無人駕駛飛機對導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。在導線內側、外側以及下方0.5 m、1.0 m、1.5 m、3.0 m以及5.0 m的磁場感應強度如表2所示。從表2可以看出，在金屬絲內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航，通常可以承受3～4倍的磁場干擾。國內的電磁感應強度在50～60 μT。巡視工作中，在距離傳輸線3.0 m處，導線電流引起的磁場感應強度約為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導線，被電線所吸引。

大黃魚體色按照國際發光照明委員會CIE（CIE,1976）的規定測定，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，材質為碳纖維，懸停穩定性好，抗電磁干擾性能優良。

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，在導線附近的規定地點平穩懸掛，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，旋轉工作裝置并拍照，觀察是否有中斷、丟失、真機是否響應控制信號以及機身是否有放電等；（4）調節真型機器的位置和L1，并重復中間兩步，記錄實驗現象。

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

4 實驗結果

通過測試真空放電的安全距離發現：在500 kV輸電線路桿塔內1.5 m處，旋翼臂前端存在閃絡放電現象；在距外側1.5 m處，足部連續放電，但沒有發生閃絡現象；在足部1.5 m以下，足部的放電仍在繼續，且比在外部更顯著。在金屬絲的內側，模具的電場強度最大，易發生連續的放電和閃絡。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象明顯，并出現了閃絡放電現象。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，所以只出現斷斷續續的放電，沒有形成閃絡。通過對比實驗和模擬計算，結果表明初始效應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，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 論

以500 kV線塔為例，模擬空間電磁場，分析其分布特性。研究發現，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現，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現，無人機的安全操作距離（連續擊穿）為1.5 m。因此，無人偵察機的最小安全距離是3.0 m。