鄭天茹 ，孫立民 ，婁婷婷 ，郭 翔 ，劉巧紅

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)技術學院，山東 濟南 250002；3.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

近年來，我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展對我國電力工業(yè)提出了越來越高的要求?，F(xiàn)有的人工巡線作業(yè)方式勞動強度大、工作條件艱苦，勞動效率低，已經(jīng)不能適應現(xiàn)代化電網(wǎng)建設與發(fā)展的需求。出于建設堅強智能電網(wǎng)的需要，無人機巡線作為一種比較先進、科學、高效的電力巡線方式，開始逐步實現(xiàn)工程化應用［1-5］。

目前，已有關于介紹實際飛行環(huán)境中復雜電磁環(huán)境對無人機的影響、無人機遙測鏈路系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的電磁兼容研究、無人機主要電源電磁干擾的抑制方案、無人機避障等的相關文獻［6-12］，以及有關高壓輸電導線電磁環(huán)境對人體影響的介紹［13］。而高壓輸電導線電磁環(huán)境對電力巡線的無人機在進行巡線作業(yè)時的安全可靠性的影響、所搭載的電子設備的干擾及巡線作業(yè)安全距離的評測，尚未有系統(tǒng)的研究成果報道。

以500 kV輸電線路為例建立電磁場模型，計算在距輸電導線一定距離時的電磁場強度，并分析電力巡線無人機正常工作時可承受的電磁場強度范圍，從而得出無人機在巡線作業(yè)時與輸電導線安全距離的范圍。安全距離的確定能夠降低無人機電力巡線作業(yè)的危險性，對保證人身、電網(wǎng)和設備的安全具有重要意義。

1 輸電線路電磁場計算

1.1 模型建立

以500kV交流輸電線路為例，選用典型直線塔型，如圖1所示。設定參數(shù)為：輸電導線相間距12 400 mm；輸電導線距地高度30 000 mm；地線間距20 550 mm；地線距輸電導線垂直高度7 800 mm；導線采用4×LGJ-400／35型號，導線半徑13.4 mm、分裂間距450 mm、電導率 3.183×107S／m；地線采用GJ-80 型號，導線半徑 5.7 mm、電導率 5.075×106S／m。

圖1 500 kV交流輸電線路典型直線塔

仿真計算時，為了得到此電壓等級輸電線路可能會產(chǎn)生的最大電磁場影響，設定輸電導線的輸電電流為該型號導線可承受最大電流值，為3 460 A。利用Ansoft Maxwell電磁場計算軟件仿真計算，為便于計算，做簡化處理：大地為無窮大導體面，電位為0；導線為無限長直平行地面的光滑圓柱體，導線表面為等位面；忽略桿塔等臨近物體的影響，忽略導線、避雷線的端部效應和弧垂影響［14］。簡化后，計算架空輸電線路導線周圍電場強度問題可轉(zhuǎn)化為平行多導體系統(tǒng)的二維交變電場計算問題，即對輸電導線在導線橫截面方向上建立二維模型，如圖2所示。為了清楚可見各項導線和簡化大地模型，圖中導線與計算空間尺寸參數(shù)非等比例繪制；圖中各項導線中心足夠長線段是為了輔助分析計算仿真結果，僅在結果分析時存在。

圖2 500 kV交流輸電線路電磁場仿真計算模型

1.2 仿真計算

選取仿真區(qū)域為240 m×100 m，即距離輸電導線水平方向最大距離為107.6 m，垂直方向高于輸電導線最大距離為70 m。利用Ansoft Maxwell電磁場計算軟件進行仿真計算，500 kV交流輸電線路某項導線單子導線周圍空間磁場強度、電場強度的計算結果分別如圖3、圖4所示。

圖3 磁場強度計算結果

圖4 電場強度計算結果

由圖3、圖4可知，整個計算空間內(nèi)，磁場強度B的最大值為1.346 2×10-2T，電場強度E的最大值為2.786 1×106V／m，均主要出現(xiàn)在子導線表面處；B最小值為 2.576 6×10-8T，E 最小值為 7.706 4 V／m，均分布在離導線較遠的空間。

計算水平方向與導線一定距離范圍內(nèi)的電磁場強度。在導線的同高度上取水平方向長度為220 m的線段 （即圖2中所示過各項導線中心足夠長線段），設定該線段左、右兩側(cè)端點處坐標分別為0 m、220 m，三相導線位于該線段的中間位置，計算該線段上的B、E值，如圖5、圖6所示。

圖5 水平方向上與輸電導線一定距離范圍內(nèi)的磁場強度

圖6 水平方向上與輸電導線一定距離范圍內(nèi)的電場強度

圖5、圖6中，橫軸為水平方向上坐標，三相導線的位置分別處于97.6 m、110 m、122.4 m處；縱軸為電場強度值?？傻门c導線水平方向距離處電磁場強度的具體數(shù)值對應關系。

2 電力巡線無人機可承受電磁場強度

以某中型電力巡線無人機為例，其基本結構如圖7所示?？赡苁盏诫姶艌鰪姸扔绊懙牟糠种饕ㄈS數(shù)字磁場計、轉(zhuǎn)速計、GPS定位系統(tǒng)、三軸陀螺儀、伺服舵機等。

圖7 某中型電力巡線無人機基本結構

1）三軸數(shù)字磁場計。三軸數(shù)字磁場計是采用磁阻傳感器原理測量磁場的強度和方向，在無人機上主要用于航向測量。其使用量程要求為-2~2 Gs，即-2×10-4~2×10-4T。

2）轉(zhuǎn)速計。轉(zhuǎn)速計在無人機上主要用來測量旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，工作原理基本等同于霍爾傳感器，即利用磁力線切割產(chǎn)生電流的方法測量轉(zhuǎn)速。其工作點的感應強度一般為10~99 mT，選取飛機安全飛行區(qū)域內(nèi)的磁場強度應小于5×10-5T。

3）GPS定位系統(tǒng)。GPS定位系統(tǒng)接收信號的頻率一般大于1 000 MHz，遠大于我國一般輸電線路采用的50 Hz。因此輸電線路正常情況下周圍的電磁場輻射不會影響GPS定位系統(tǒng)的工作。

4）三軸陀螺儀。三軸陀螺儀是測量飛機相對慣性空間的轉(zhuǎn)角或角速度的裝置，主要用來展示飛機的飛行姿態(tài)和航向。陀螺儀是利用磁場的動態(tài)變化獲得飛機飛行的數(shù)據(jù)，其要求的工作磁場動態(tài)范圍為-1.9~1.9 Gs，即-1.9×10-4~1.9×10-4T。

5）伺服舵機。伺服舵機是飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是飛機的執(zhí)行機構，飛機的各種運動都要靠伺服舵機帶動舵面偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。伺服舵機中易受電磁場干擾的部分為無刷電機中的磁阻傳感器，其工作要求的磁場范圍為-6~6 Gs，即-6×10-4~6×10-4T。

6）電流變效應。電流變液在電場的作用下，其粘度會產(chǎn)生明顯的變化，不只使流體變稠，甚至凝固而變成塑性體，并具有抗剪切能力。當電場消失時，電流變液立即變稀并迅速恢復原有的液體狀態(tài)，這種變化成為電流變效應。其廣泛應用于航空工業(yè)、汽車工業(yè)、控制工程、機器人及液壓工程等行業(yè)，應用于避震器、減震阻尼器、制動器、離合器、機械臂、液壓控制閥等元件。使用電流變的裝置系統(tǒng)重量輕、反應快、噪音小、耗能低，且容易控制，電流變液在工程應用上是極具價值的新材料。無人機的元器件目前尚未引進此種材料，但電流變效應說明，電場強度達到一定數(shù)值，會影響材料的特性，引起一定性能變化，無人機飛行的首要條件為穩(wěn)定，不希望出現(xiàn)性能波動。為保證其安全飛行，需選擇電場強度小于1 kV／mm（即 1×106V／m）的區(qū)域，不會發(fā)生電流變效應。

綜上所述，電子設備正常工作時要求磁場強度小于 5×10-5T，電場強度小于 1×106V／m（不包括搭載其他設備或另作他用的無人機飛行平臺）。

3 無人機巡檢安全飛行距離預測方法

3.1 誤差分析

為盡可能保證飛行區(qū)域的安全性，分析無人機本身、巡線準備各個步驟及外界環(huán)境影響造成的各項誤差，將各部分誤差均取最大值，主要包括：無人機飛行平臺飛控GPS誤差造成與規(guī)劃線路偏差距離，記為x1；最大允許飛行風力造成偏離航線偏差距離，記為x2；線路打點望遠鏡式測距儀的測距誤差，記為x3；線路打點GPS定位儀數(shù)據(jù)誤差造成規(guī)劃線路與實際預設位置距離偏差，記為x4；無線通信系統(tǒng)最長延時，記為t。

3.2 仿真結果分析

根據(jù)無人機搭載電子設備正常工作時要求的磁場強度，假定仿真計算結果有100%的偏差（考慮仿真線路與實際線路可能在線路高度、相間距、排列方式、相序等方面有差別，盡可能疊加其參數(shù)偏差，理論上不超過100%），查找兩邊相導線外側(cè)達到此磁場強度處，距離對應邊相導線的水平距離，分別記為l1、l2。

根據(jù)無人機搭載電子設備正常工作時要求的電場強度，假定仿真計算結果有100%的偏差，查找兩邊相導線外側(cè)達到此電場強度處，距離對應邊相導線的水平距離，分別記為 l3、l4。其中，l1、l2、l3、l4均采用進一取整法計數(shù)。

3.3 其他數(shù)據(jù)

測量飛行平臺的某些尺寸：單片機翼長度，記為a1；機頭與主軸間距離，記為a2；機尾與主軸間距離，記為a3。此類數(shù)據(jù)主要為保證體積較大的無人機系統(tǒng)整體處于安全飛行區(qū)域內(nèi)。

3.4 安全距離預測公式

設無人機巡檢的飛行速度為v。所得數(shù)據(jù)均采用進一取整法計數(shù)，推斷電力巡線無人機巡檢時的基本安全距離為

4 實例分析

以所述某中型電力巡線無人機巡檢500 kV交流輸電線路為例，經(jīng)大量巡檢試驗數(shù)據(jù)總結得到x1+x2=7 m，x3＝1 m，x4=3 m，v=10 m/s，t=300 ms。對該型號無人機進行測量，可知a1=106 cm，a2=68 cm，a3=144 cm。

對仿真數(shù)據(jù)結果進行分析，可知對500 kV輸電線路，l1=l2=8 m，l3＝l4＝1 m。

因此，根據(jù)安全距離預測公式，可推斷該中型電力巡線無人機對500 kV交流輸電線路巡檢的基本安全距離為24 m。

此距離僅適用于該中型電力巡線無人機巡檢500 kV無嚴重放電現(xiàn)象的輸電導線時，在嚴格按照操作流程使用精密儀器對實地線路考察后，且無人直升機各分系統(tǒng)正常工作時，規(guī)劃線路與導線間的最小安全距離。

5 結語

以某中型電力巡線無人機巡檢500 kV輸電線路為例，計算分析得出無人機在巡線作業(yè)時與輸電導線安全距離的范圍。該安全距離的確定能夠提高無人機電力巡線作業(yè)的可靠性和安全性，對保證人身、電網(wǎng)和設備的安全具有重要意義。

同樣，使用該方法可推斷無人機巡檢其他電壓等級交直流輸電線路的基本安全距離。實際應用中，如果需要分析特殊塔型，需要重新建立電磁場分析模型；如果所用無人機搭載其他機型或電子器件時，需要重新確定無人機可承受的電磁場強度范圍。

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