魯 杰，侯力楓，寧 巖，劉明輝，李 壯，范士清，柴振華

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德067000）

0 引言

隨著架空輸電線路的不斷發(fā)展，線路覆蓋區(qū)域越來越廣，超高壓和特高壓線路建設(shè)越來越多，大大增加了線路運(yùn)維的工作量。為了保證線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，開展有效的巡視成為發(fā)現(xiàn)線路隱患的必要方式，目前，無人機(jī)的大量投入，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工巡視的不足［1-3］。通過大量的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)可以知道，當(dāng)無人機(jī)接近線路時(shí)，由于電磁場(chǎng)的作用，影響了無人機(jī)的飛行性能，尤其是無人機(jī)巡檢高壓輸電線路過程中，能明顯發(fā)現(xiàn)飛機(jī)失控，被線路牽引，輕輕回拉遙控手柄，飛機(jī)無法響應(yīng)，需加大動(dòng)力才可脫離電磁場(chǎng)干擾區(qū)域［4-6］。初步可以判斷，這是由于電磁場(chǎng)對(duì)無人機(jī)操控性能的影響，針對(duì)這種問題，如何實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛控系統(tǒng)在高壓電磁場(chǎng)中抗干擾技術(shù)，成為輸電線路運(yùn)維工作重點(diǎn)探索的方向［7-9］。

在線路附近進(jìn)行無人機(jī)巡視工作過程中，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的操控性明顯降低，影響作業(yè)安全，特別是在高壓線路附近時(shí)，此現(xiàn)象更為明顯，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生無人機(jī)突發(fā)失控，導(dǎo)致墜落的事故。目前，針對(duì)不同電壓等級(jí)的輸電線路，巡檢作業(yè)的最小安全距離沒有進(jìn)行有效驗(yàn)證，對(duì)不同環(huán)境下，無人機(jī)任務(wù)設(shè)備的作業(yè)技術(shù)條件、巡檢系統(tǒng)操控響應(yīng)性能等要求不明確，從而影響無人機(jī)巡檢安全策略的制定［10-12］。

1 輸電線路電磁場(chǎng)分析

輸電線路電暈放電形成的輻射電場(chǎng)呈現(xiàn)脈沖形式，對(duì)線路周圍電磁場(chǎng)進(jìn)行干擾，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生電暈振動(dòng)，其振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)振幅大、頻率低且偶然性大，電壓等級(jí)越高以上問題越明顯，并且直流輸電工程還存在離子流，同時(shí)，如果周圍存在一定的干擾信號(hào)，對(duì)于無人機(jī)巡檢系統(tǒng)具有一定的影響，這是由于無人機(jī)通過機(jī)體結(jié)構(gòu)件、飛控模塊、動(dòng)力控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、GPS、IMU、電機(jī)、通訊模塊及載荷（可見光、紅外）等集成而成，系統(tǒng)涉及到較多電子元器件、電源及信號(hào)線路，容易受到以上干擾影響。尤其在臨近線路巡檢工作時(shí)，可能發(fā)生傳輸中斷、丟包等現(xiàn)象，如果干擾信號(hào)不強(qiáng)烈，可能引起操控性能減弱；如果干擾信號(hào)強(qiáng)烈，可能造成飛行失控的故障［13-15］。

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)材質(zhì)和結(jié)構(gòu)多樣、尺寸從0.8 m～2 m不等，由于無人機(jī)巡檢過程中，搭載的設(shè)備只有盡量靠近線路，采集的信息才能更準(zhǔn)確，特別是中相導(dǎo)線，為了獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，無人機(jī)需要穿越邊相導(dǎo)線，對(duì)線路安全運(yùn)行存在不同程度的影響?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外均缺乏無人機(jī)巡檢系統(tǒng)對(duì)線路電氣安全性能影響程度的數(shù)據(jù)，無法掌握不同結(jié)構(gòu)、尺寸和材料的無人機(jī)巡檢作業(yè)時(shí)應(yīng)保持的最小安全距離要求，因此需要研究不同等級(jí)運(yùn)行電壓對(duì)小型多旋翼無人機(jī)影響，在此基礎(chǔ)上結(jié)合無人機(jī)的安全和操控響應(yīng)性能要求，考慮任務(wù)設(shè)備技術(shù)性能，得到巡檢作業(yè)安全距離，在保證巡檢安全性的基礎(chǔ)上對(duì)作業(yè)方式進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 輸電線路周圍的電場(chǎng)

線路運(yùn)行過程中，離線路越近，產(chǎn)生的電場(chǎng)越集中，電位分布和對(duì)地距離的關(guān)系為指數(shù)衰減關(guān)系，如圖1所示。在圖1中，UN代表線路的對(duì)地電壓；h代表線路對(duì)地高度；Δh代表單位距離。而且電場(chǎng)強(qiáng)度受對(duì)地距離的影響，依據(jù)距離的倒數(shù)快速減小，如圖2所示。并且依據(jù)線路的設(shè)計(jì)要求，線路在地面投影范圍內(nèi)，人體所受的電場(chǎng)強(qiáng)度不能超過4 kV/m。通常輸電線路附近的電場(chǎng)，由于樹木或者建筑物的存在，引起一定的畸變，當(dāng)無人機(jī)接近輸電線路時(shí)，便會(huì)在無人機(jī)周圍出現(xiàn)較強(qiáng)的畸變電場(chǎng)。

圖1 電位分布和對(duì)地距離的關(guān)系Fig.1 Relationship between potential distribution and distance to ground

圖2 鄰近高壓輸電線路的地面場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.2 Ground field intensity distribution adjacent to high-voltage transmission lines

1.2 輸電線路周圍的磁場(chǎng)

輸電線路運(yùn)行過程中，由于電流的作用，其電場(chǎng)時(shí)時(shí)處于變化之中，那么形成的磁場(chǎng)也一直處于變化的狀態(tài)。磁感應(yīng)強(qiáng)度受導(dǎo)線距離的影響，隨著物體離線路距離越大，形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。通常磁場(chǎng)和離線路距離的平方呈倒數(shù)衰減關(guān)系，因此，無人機(jī)離導(dǎo)線越近，受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。其中，磁場(chǎng)強(qiáng)度B和磁感應(yīng)強(qiáng)度H關(guān)系如下：

在式（1）中，μ取決于周圍空間介質(zhì)的磁導(dǎo)率；μ0為真空狀態(tài)下的磁導(dǎo)率，為常數(shù)4π×10-7Wb/Am；μr是相對(duì)真空磁導(dǎo)率的倍數(shù)，通?？梢砸暈槌?shù)1。于是，有：

2 電磁抗擾度試驗(yàn)

電磁干擾是電力系統(tǒng)輸電線路對(duì)環(huán)境的固有干擾，無論何種等級(jí)的交、直流電壓，只要運(yùn)行，一定會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，對(duì)周邊物體形成干擾。目前，各個(gè)國(guó)家和組織對(duì)電磁場(chǎng)的暴露限制均有明確約定，一般以ICNIRP導(dǎo)則為準(zhǔn)。該導(dǎo)則規(guī)定：公眾環(huán)境下的電場(chǎng)強(qiáng)度暴露限值為10 kV/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度暴露限值為100μT。具體到電力行業(yè)，無論是人工巡檢還是無人機(jī)巡檢，均會(huì)受到電磁輻射。若為人工巡檢，當(dāng)進(jìn)入輸電線路一定范圍內(nèi)時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，必須采取相應(yīng)屏蔽措施，方可保證作業(yè)人員安全；若采用無人機(jī)巡檢，目前還無法做到有效屏蔽，因而在近距離作業(yè)時(shí)，更需嚴(yán)格遵守安全作業(yè)距離。研究無人機(jī)巡檢安全作業(yè)距離，首先需研究無人機(jī)電子元器件的抗電磁干擾性能。

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 17626電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)》電磁抗擾度試驗(yàn)需要做4類內(nèi)容檢測(cè)，分別為工頻磁場(chǎng)抗擾度檢測(cè)、脈沖磁場(chǎng)抗擾度檢測(cè)、靜電放電抗擾度檢測(cè)與射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度檢測(cè)。

根據(jù)試驗(yàn)樣品的功能喪失或性能降低程度，試驗(yàn)結(jié)果分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)樣品功能喪失或性能降低包括：

1）測(cè)控信號(hào)傳輸中斷或丟失；

2）無人機(jī)對(duì)操控信號(hào)無響應(yīng)或飛行控制性能降低；

3）影像傳輸中斷或出現(xiàn)遲滯、馬賽克、雪花、條紋、重影等現(xiàn)象；

4）任務(wù)設(shè)備對(duì)操控信號(hào)無響應(yīng)或轉(zhuǎn)動(dòng)、拍攝等控制性能降低；

5）其他功能的喪失或性能的降低。

試驗(yàn)結(jié)果A、B、C、D四個(gè)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為：

a）A級(jí)：各項(xiàng)功能和性能正常。

b）B級(jí)：未出現(xiàn)1）和2）中所列現(xiàn)象。出現(xiàn)3）、4）和5）中任意現(xiàn)象，且干擾停止后可在2 min（含）內(nèi)自行恢復(fù)，無需操作人員干預(yù)。

c）C級(jí)：未出現(xiàn)1）和2）中所列現(xiàn)象。出現(xiàn)3）、4）和5）中任意現(xiàn)象，且干擾停止2 min后依然無法穩(wěn)定運(yùn)行，通過復(fù)位或者再次啟動(dòng)，才能穩(wěn)定運(yùn)行。

d）D級(jí)：出現(xiàn)1）和2）中任意現(xiàn)象；或未出現(xiàn)1）和2）中所列現(xiàn)象，但出現(xiàn)3）、4）和5）中任意現(xiàn)象，且因硬件或軟件損壞、數(shù)據(jù)丟失等原因不能恢復(fù)。

2.1 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)

射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)主要考核輸電線路巡檢用無人機(jī)在遭受有意的（如運(yùn)行維修人員的手持式無線電收發(fā)機(jī)、各種工業(yè)電磁源等）或無意的（感性負(fù)載操作等產(chǎn)生的）電磁輻射時(shí)的抗擾度性能。

射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)布置如下：將三軸運(yùn)動(dòng)測(cè)量臺(tái)布置在電波暗室內(nèi)合適位置，將搭載了任務(wù)設(shè)備的無人機(jī)安裝于三軸運(yùn)動(dòng)測(cè)量臺(tái)上并固定牢靠，無人機(jī)任意部位與電波暗室壁的距離不小于1 m；將遙控手柄與地面站放置在電波暗室內(nèi)合適位置，并且能夠?yàn)榈孛嬲咎峁╇娫?，使它們維持待機(jī)運(yùn)行。同時(shí)，相同型號(hào)遙控手柄與地面站放置在電波暗室外，能夠從電波暗室外操作無人機(jī)。試驗(yàn)使用的射頻電磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度為10 V/m，并用1 kHz的正弦波對(duì)信號(hào)進(jìn)行80%的幅度調(diào)制。其他參數(shù)分別為檢測(cè)頻率可以實(shí)現(xiàn)8.0×107Hz～2×109Hz，檢測(cè)步長(zhǎng)設(shè)置為0.01，駐留時(shí)間設(shè)置為1 s。

射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)方法如下：將無人機(jī)自檢，處于待機(jī)工作狀態(tài)，距無人機(jī)3 m處將對(duì)數(shù)周期天線布置在垂直極化位置，并使試驗(yàn)樣品的正面（機(jī)頭所在面）與校準(zhǔn)場(chǎng)平面相重合；關(guān)閉電波暗室門，進(jìn)行射頻電磁場(chǎng)掃描，掃描過程中，通過電波暗室外相同型號(hào)遙控手柄與地面站操作無人機(jī)工作，在三軸運(yùn)動(dòng)測(cè)量臺(tái)上，無人機(jī)可以升高的高度超過1.0 m，半徑超過1.5 m。而且，無人機(jī)搭載的裝置可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，完成拍照功能，觀察并記錄各掃描頻率范圍內(nèi)試驗(yàn)樣品各項(xiàng)功能和性能變化情況；當(dāng)把電波暗室門打開后，檢測(cè)遙控手柄與地面站是否為正常待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)，無人機(jī)是否處于正常狀態(tài)；如果所有裝置的狀態(tài)均處于正常，將對(duì)數(shù)周期天線由垂直極化位置改為水平極化位置，重復(fù)以上步驟進(jìn)行試驗(yàn)。射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)Fig.3 Radio frequency electromagnetic field radiation immunity test

2.2 靜電放電抗擾度試驗(yàn)

該檢測(cè)的目的是分析無人機(jī)巡檢線路過程中，當(dāng)受到操作者或者相鄰物體靜電的影響時(shí)，具備的抗擾度特點(diǎn)。

靜電放電抗擾度試驗(yàn)布置如下：將0.8 m高的木質(zhì)試驗(yàn)臺(tái)放置在與試驗(yàn)室安全接地系統(tǒng)相連接的接地（參考）平面上，在試驗(yàn)臺(tái)上合適位置放置水平耦合板，在耦合板上放置0.5 mm厚的絕緣墊，將無人機(jī)放置在絕緣墊上，并按正常工作要求進(jìn)行布置和接線，處于待機(jī)工作狀態(tài)；無人機(jī)以及連接電纜等通過絕緣墊與水平耦合板隔開，與水平耦合板各邊距離不小于0.1 m，與試驗(yàn)室墻壁以及其他金屬結(jié)構(gòu)之間的距離不小于1 m；將尺寸為0.5 m×0.5 m的垂直耦合板布置在絕緣墊上，與無人機(jī)正面（機(jī)頭所在面）平行，距離為0.1 m；將靜電放電槍的放電回路電纜與接地（參考）平面相連接，通過專用電纜（兩端各有1個(gè)470 kΩ的電阻）將水平耦合板與接地（參考）平面連接。

靜電放電抗擾度試驗(yàn)方法如下：在垂直耦合板上選取均勻分布的10個(gè)放電點(diǎn)，將靜電放電槍依次接觸各個(gè)放電點(diǎn)進(jìn)行接觸放電試驗(yàn)，期間觀察并記錄試驗(yàn)樣品各項(xiàng)功能和性能變化情況，在每個(gè)放電點(diǎn)放電時(shí)，電壓幅值為8 kV，正、負(fù)極性各進(jìn)行10次，每次放電間隔時(shí)間不小于1 s；將靜電放電槍依次靠近各個(gè)放電點(diǎn)進(jìn)行空氣放電試驗(yàn)，期間觀察并記錄試驗(yàn)樣品各項(xiàng)功能和性能變化情況。在每個(gè)放電點(diǎn)放電時(shí)，電壓幅值為15 kV，正、負(fù)極性各進(jìn)行10次，每次放電間隔時(shí)間不小于1 s；沿順時(shí)針（或逆時(shí)針）將無人機(jī)水平旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)以上步驟，直至試驗(yàn)樣品的四個(gè)面均進(jìn)行了靜電放電試驗(yàn)。靜電放電抗擾度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 靜電放電抗擾度試驗(yàn)Fig.4 Electrostatic discharge immunity test

2.3 脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)

主要考核無人機(jī)對(duì)輸電線路運(yùn)行環(huán)境的脈沖磁場(chǎng)的抗擾度性能。

脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)布置如下：將接地（參考）平面放置在試驗(yàn)臺(tái)上，與試驗(yàn)室的安全接地系統(tǒng)相連接，接地（參考）平面為0.25 mm厚的非磁性金屬板（銅或鋁），尺寸不小于1 m×1 m。在接地（參考）平面上放置0.1 m厚的絕緣墊，將無人機(jī)放置在絕緣墊上，并按正常工作要求進(jìn)行布置和接線。將感應(yīng)線圈套在無人機(jī)外部合適位置，使無人機(jī)處在感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器放在距感應(yīng)線圈不超過3 m處，且一端與接地（參考）平面相連接。

脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)方法如下：將無人機(jī)自檢，處于待機(jī)工作狀態(tài)；施加峰值為1 000 A/m、波形為6.4/16μs的脈沖磁場(chǎng)，正、負(fù)極性各進(jìn)行5次，每次間隔時(shí)間10 s。期間觀察并記錄試驗(yàn)樣品各項(xiàng)功能和性能變化情況；將感應(yīng)線圈旋轉(zhuǎn)90°套在無人機(jī)外部合適位置，重復(fù)施加磁場(chǎng)信號(hào)，直至在3個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)中進(jìn)行試驗(yàn)；將無人機(jī)放在感應(yīng)線圈外，在感應(yīng)線圈中合適位置放入遙控手柄與地面站，再次啟動(dòng)上述試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)Fig.5 Pulse magnetic field immunity test

2.4 工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)

主要考核無人機(jī)對(duì)輸電線路運(yùn)行環(huán)境的工頻磁場(chǎng)的抗擾度性能。

工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)布置如下：將接地（參考）平面放置在試驗(yàn)臺(tái)上，與試驗(yàn)室的安全接地系統(tǒng)相連接，接地（參考）平面為0.25 mm厚的非磁性金屬板（銅或鋁），尺寸不小于1 m×1 m。在接地（參考）平面上放置0.1 m厚的絕緣墊，將無人機(jī)放置在絕緣墊上，并按正常工作要求進(jìn)行布置和接線。將感應(yīng)線圈套在無人機(jī)外部合適位置，使無人機(jī)處在感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，工頻磁場(chǎng)發(fā)生器放在距感應(yīng)線圈不超過3 m處，且一端與接地（參考）平面相連接。

工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)方法如下：將無人機(jī)自檢，處于待機(jī)工作狀態(tài)；采用侵入法，施加峰值為100 A/m的工頻磁場(chǎng)，持續(xù)5 min，期間觀察并記錄試驗(yàn)樣品各項(xiàng)功能和性能變化情況；再將感應(yīng)線圈旋轉(zhuǎn)90°，套在無人機(jī)外部合適位置，重復(fù)施加信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)，直至在3個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)中進(jìn)行試驗(yàn)；將無人機(jī)放在感應(yīng)線圈外，在感應(yīng)線圈中合適位置放入遙控手柄與地面站，再次啟動(dòng)上述試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)Fig.6 Power frequency magnetic field immunity test

2.5 試驗(yàn)分析

本文針對(duì)無人機(jī)巡檢系統(tǒng)開展了電磁抗干擾試驗(yàn)，無人機(jī)抗電磁干擾試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 抗電磁干擾試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Anti-electromagnetic interference test results

表1中大多是目前電力系統(tǒng)巡檢作業(yè)的主要應(yīng)用機(jī)型，尺寸涵蓋了1 m至1.9 m。通過表1可以知道，試驗(yàn)測(cè)試的無人機(jī)在靜電放電抗擾度、脈沖磁場(chǎng)抗擾度與工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)方面，可以達(dá)到的水平是A。而在射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，6種無人機(jī)的天線水平極化與垂直極化可以達(dá)到的水平是A，檢測(cè)性能穩(wěn)定；2種無人機(jī)的天線水平極化與垂直極化可以達(dá)到的水平是B，在所用通訊頻段附近均出現(xiàn)不同程度的被干擾現(xiàn)象，在數(shù)傳或圖傳被干擾后，暫停掃描能自行恢復(fù)。分析其原因，射頻電磁場(chǎng)的頻率一般特別高，遠(yuǎn)高于工頻，因而能量相對(duì)很大，無論是其中包含的電場(chǎng)能還是磁場(chǎng)能，均為很高量級(jí)，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度很大，對(duì)無人機(jī)的電子元器件干擾也就比較嚴(yán)重，致使其功能喪失或性能降低。需要說明的是，試驗(yàn)結(jié)果為B并不會(huì)造成致命的危險(xiǎn)，從現(xiàn)象上來說只是影響巡檢作業(yè)的精細(xì)程度，降低巡檢質(zhì)量。

3 結(jié)語

本文通過無人機(jī)的電磁場(chǎng)抗輻射能力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上表明，無人機(jī)巡檢線路過程中，當(dāng)受到操作者或者相鄰物體靜電的影響時(shí)，具備的抗擾度特點(diǎn)，對(duì)輸電線路運(yùn)行環(huán)境中的脈沖磁場(chǎng)的抗擾度性能，以及對(duì)輸電線路運(yùn)行環(huán)境中的工頻磁場(chǎng)的抗擾度性能均比較強(qiáng)，而在遭受有意的（如運(yùn)行維修人員的手持式無線電收發(fā)機(jī)、各種工業(yè)電磁源等）或無意的（感性負(fù)載操作等產(chǎn)生的）電磁輻射時(shí)的抗擾度性能還有待完善，個(gè)別機(jī)型需要投入精力繼續(xù)研究，使無人機(jī)巡檢應(yīng)用安全可靠。