張國鯤，劉家鵬，石立民，李曉斌，王 坤

（內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司錫林郭勒電業(yè)局，錫林浩特026000）

X 射線檢測技術(shù)最早應(yīng)用在醫(yī)學成像中，近年來隨著技術(shù)發(fā)展，在電氣設(shè)備的損傷檢測中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，如變電站GIS 設(shè)備內(nèi)部缺陷檢測、復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷檢測、架空輸電線路壓接金具檢測等[1-3]，取得不錯的檢測效果。通過X 射線排查線路導線、線夾和金具等內(nèi)部缺陷和隱患，對輸電線路的安全穩(wěn)定運行提供保障。但傳統(tǒng)的X 射線檢測需要停電作業(yè)，現(xiàn)場工作人員在塔下安裝好射線機和成像板，再爬上鐵塔，最終通過滑輪將DR（digital radiography）成像設(shè)備吊裝至待測物體旁進行檢測。不僅需要停電，且整個過程費時費力，登高作業(yè)也存在較大的安全風險。采用能承受較大重量的無人機搭載X 射線成像裝置進行線路帶電探傷檢測，既減輕人員工作負擔，又提高了經(jīng)濟效益，具有重要的實際價值與意義。

傳統(tǒng)輸電線路上進行X 射線探傷檢測，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。無人機巡線給輸電線路鐵塔巡檢帶來了巨大便利[4-5]。將X 射線檢測與無人機配合，應(yīng)用于線路帶電探傷檢測，還在初步研究階段[6]?；诙嘈頍o人機，實現(xiàn)輸電耐張線夾X 射線帶電檢測，在部分重要線路進行X 射線帶電檢測，推廣應(yīng)用前景廣闊。

線夾帶電X 光檢測系統(tǒng)采用無人機攜帶射線機和成像板，因為直接接觸高壓導線，其關(guān)鍵在于系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。無人機電磁屏蔽效能很大程度上取決于裝置的物理結(jié)構(gòu)，即導電的連續(xù)性，無人機的接縫和開口都是電磁波的泄漏源[7]。

本文對無人機及DR 系統(tǒng)電磁屏蔽、 天線復(fù)合材料電磁屏蔽措施進行了分析。并進行了模擬帶電試驗，為線夾帶電X 光檢測應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)。

1 輸電線路電磁干擾

1.1 輸電線路電磁場

單回路水平排列的500 kV 交流線路模型[8]，4分裂導線，相間距10 m，相導線對地高度不同時地面上1.5 m 處的電場強度橫向分布如圖1 所示。磁感應(yīng)強度和電場強度分布趨勢大致相同，磁感應(yīng)強度在距中心線5 m 附近出現(xiàn)最大值約16 μT[9]。電場超過國家環(huán)保總局的《500 kV 超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范》（HJ/T24-1998）和衛(wèi)生部門的《作業(yè)場所工頻電場衛(wèi)生標準》（GB16203-1996），人體安全接觸的工頻電場為4 kV/m 的標準，工頻磁場滿足小于100 μT 的要求。

圖1 500 kV 導線對地高度不同時電場強度的橫向分布Fig.1 Lateral distribution of electric field intensity of 500 kV conductors with different heights to the ground

對居民來說，通過增加相導線分裂根數(shù)、改進分裂導線結(jié)構(gòu)及減小導線表面電場來實現(xiàn)減小高壓線路的無線電干擾[10]。但是線夾帶電X 光檢測中無人機需直接接觸導線，在上述措施下電場強度仍然很大。對于±500 kV 直流線路，其導線周圍較近距離處最大場強大于300 kV/m，當無人機靠近帶電導線時，其局部放電模型類似于棒-板間隙放電模型，典型棒-板間隙的擊穿場強經(jīng)驗值約為300 kV/m[11]。當無人機進入帶電導線周圍時，受高壓強電場作用，無人機上的部件會出現(xiàn)感應(yīng)電荷，特別是無人機表面及尖端處會感應(yīng)出較高的電場強度分布，從而引起周圍電場分布的畸變。當局部場強超過空氣擊穿強度時，會發(fā)生極端放電，威脅到無人機操控及數(shù)據(jù)傳輸性能，甚至威脅到無人機飛行及輸電線路的安全運行。

1.2 輸電線路電磁波對無人機的干擾

架空輸電線路產(chǎn)生的電磁波干擾主要是導線表面和線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。電磁波干擾的實質(zhì)，是在電暈過程中出現(xiàn)一些有害的、頻率相當寬的電磁波，對無線通信設(shè)施產(chǎn)生干擾。

由于無人機的圖傳、數(shù)傳以及操控都采用無線電方式[12]，當無人機過于靠近高壓帶電導線時，其通信和操控性能會受到很大干擾，導致數(shù)據(jù)傳輸中止或操控失靈[13]，嚴重時會導致無人機碰線墜機。一般無人機采用的圖傳和數(shù)傳頻率為900 MHz 左右，操控頻率為2.4 GHz。

無人機通常使用GPS 進行導航，當GPS 接收機附近有相同頻率的電磁波時，會產(chǎn)生同頻干擾，導致GPS 導航精度下降甚至失效，進而導致線夾X 光檢測用無人機不能起飛[14]。

1.3 實測情況

電磁場對無人機的干擾實測情況如圖2 所示，施加110 kV 電壓，導線對無人機局部放電，且飛控系統(tǒng)屏幕顯示主控數(shù)據(jù)異常，航向角控制異常。磁羅盤的錯誤航向角會導致錯誤的姿態(tài)矩陣，接著導致電機轉(zhuǎn)速分配出錯，實際姿態(tài)與預(yù)期姿態(tài)不一致，進一步導致飛行路線偏離正確的路線，最終可能導致炸機。

圖2 電磁場對無人機的干擾實測情況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。說明高壓靜電場對GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)的電磁干擾影響不大。無人機受到的電磁干擾不能起飛的主要原因在于火花放電。為了避免高壓導線對無人機的電磁干擾，需盡量避免放電。

圖3 靜電場對GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)的電磁干擾測試Fig.3 Electromagnetic interference test of GPS image transmission and flight control system by electrostatic field

表1 靜電場對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 無人機及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）導電高分子材料，可分為復(fù)合型導電高分子材料和本征型導電高分子材料。

（3）軟體電磁屏蔽材料，主要有銅鎳布、導電海綿、導電網(wǎng)紗、純銅布及純鎳布等。

2.2 無人機電磁屏蔽

無人機上天線的裝載、電源供電回路、接地等，都給復(fù)合材料無人機整機的電磁兼容設(shè)計提出了更高的要求[15-16]，如圖4 所示。

無人機電子系統(tǒng)電磁干擾的產(chǎn)生必須具有3個要素，即干擾源、干擾傳播途徑和敏感設(shè)備。干擾源來自火花放電，敏感設(shè)備有GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)。無人機系統(tǒng)中主要干擾傳播途徑為輻射耦合，因為無人機沒有密封的機箱外殼，且機箱上的許多通風散熱孔、導線引出孔、鉚接縫都會滲入或泄出電磁波。無人機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系統(tǒng)中，兩者的工作頻率相近，由于GPS 信號比較弱，常淹沒在噪聲中。為了提高無人機電磁屏蔽性能，GPS 天線做了如下改進：

（1）安裝一個金屬地板。安裝金屬地板將改善信號接收和GPS 性能，使用10 cm×10 cm 的銅皮。

（2）避免射頻干擾。GPS 信號易受射頻干擾，如無線調(diào)制/解調(diào)器、無線視頻發(fā)射機等。

（3）GPS 電纜打大彎捆扎成圓。不要來回折疊捆扎，會影響GPS 信號。

2.3 DR 系統(tǒng)電磁屏蔽

DR 系統(tǒng)（數(shù)字射線成像系統(tǒng)）包括射線機，成像板或IP 板。和無人機相比，射線機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)進行電磁防護即可。

對無人機及DR 系統(tǒng)采用上述電磁屏蔽改進措施后，再次進行220 kV 帶電模擬試驗，如圖5 所示。順利掛線，拍攝了清晰的X 光檢測照片。

圖4 無人機系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram of UAV

圖5 武漢高壓研究所檢測系統(tǒng)帶電模擬實驗Fig.5 Live simulation experiment of inspection system in Wuhan high voltage research institute

3 結(jié)語

輸電線路電場強度大，輸電線路對無人機的電磁干擾主要有2 個方面，一是當局部場強超過空氣擊穿強度時，會發(fā)生極端放電，威脅到無人機操控及數(shù)據(jù)傳輸性能，甚至引起墜機；二是電磁干擾還會引起磁羅盤錯誤和航向角錯誤，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，說明高壓靜電場對GPS、數(shù)傳及圖傳、飛控系統(tǒng)的電磁干擾影響不大。無人機受到的電磁干擾不能起飛的主要原因在于火花放電。為了避免高壓導線對無人機的電磁干擾，需盡量避免放電。無人機系統(tǒng)中主要干擾傳播途徑為輻射耦合，無人機及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，天線復(fù)合材料電磁屏蔽等。模擬帶電試驗表明，線夾帶電X 光檢測用無人機電磁防護措施是有效的，為線夾帶電X 光檢測應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)。