羅 剛,胡龍江,張山河,何相升,張 燦
(國網(wǎng)湖北省電力有限公司 超高壓公司,湖北 襄樊 441000)
輸電線路的覆蓋面很大,跨越不同地區(qū)惡劣的地形和自然環(huán)境,因此對輸電線路的運(yùn)行管理有著高要求。線路設(shè)備長期處于野外,為了準(zhǔn)確了解線路的工作狀態(tài),及時(shí)排除線路故障、缺陷或潛在危險(xiǎn),需要投入大量人力物力巡視線路。傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)瓶口以上部位的缺陷,巡檢效率低下。與之相比,無人機(jī)巡檢受地形限制較小,成本低,可操作性和靈活性較強(qiáng),塔頭巡檢效果好,巡檢效率高,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或人工操作,實(shí)時(shí)監(jiān)控輸電線路的影像和視頻數(shù)據(jù),改進(jìn)巡視工作的質(zhì)量與效率。目前,無人機(jī)巡檢在輸電線路上的安全距離還沒有定量的數(shù)據(jù)支持,仍停留在操作人員的主觀判斷階段,即在保證無人機(jī)不會(huì)撞線和失控等情況下接近桿塔或?qū)У鼐€,使用地面站和遠(yuǎn)程控制器來監(jiān)控與檢查被監(jiān)測對象,有效降低事故的發(fā)生概率,但未充分利用無人機(jī)的靈活性和高效率等優(yōu)勢,因此有待開展無人機(jī)的相關(guān)研究,確定典型機(jī)型的安全距離,并給出量化的精確結(jié)論。
采用ANSYS軟件對直流輸電線路進(jìn)行建模。采用5Z2—Z1型直塔,塔身高度為42 m,橫向擋位無人機(jī)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(dǎo)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(shù)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(fù)合絕緣子,結(jié)構(gòu)高度為6.2 m,呈V形排列,在兩端裝有均壓環(huán)。復(fù)合絕緣子傘裙的介電常數(shù)按3.5計(jì)算[1]。簡化金屬工具的結(jié)構(gòu),在模型中統(tǒng)一使用矩形件?;谝陨辖Y(jié)構(gòu),采用ANSYS軟件構(gòu)建500 kV輸電線路的線塔模型,其中絕緣子、金具、導(dǎo)線以及柱子等按實(shí)際尺寸建造。
圖1 500 kV輸電線路直線塔模型
模擬時(shí),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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度減弱較慢,甚至有加強(qiáng)的趨勢。當(dāng)無人機(jī)在輸電線路附近巡視時(shí),旋翼、腳架以及機(jī)體內(nèi)部的電子元件會(huì)對導(dǎo)線附近的電場分布造成一定影響。該無人機(jī)模型由碳纖維制成,長為1.55 m,寬為1.55 m,高為0.57 m,機(jī)臂的前端和腳架是金屬導(dǎo)線(機(jī)臂的前端是電動(dòng)機(jī),支架是碳管材料),仿真模型如圖3所示。導(dǎo)線下面對電場的作用明顯,機(jī)身、旋翼以及腳架等部位均得到了明顯強(qiáng)化,尤其是腳架部位。不同位置的電場強(qiáng)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(jī)仿真模型
表1 電場強(qiáng)度
從表1可以看出,在每個(gè)電極的表面,最大的電場強(qiáng)度可以達(dá)到160 kV/m。從導(dǎo)線的中心向外,電場強(qiáng)度呈遞減趨勢。1.0 m時(shí),導(dǎo)線的衰減速度達(dá)到256 kV/m;1.5 m時(shí),導(dǎo)線的衰減速度下降到150 kV/m;3.0 m時(shí),導(dǎo)線的衰減速度下降到99 kV/m,并隨著距離的擴(kuò)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(dǎo)線內(nèi)側(cè),下面和外側(cè)導(dǎo)線之間的距離相同。
通常,典型棒-板間隙的擊穿強(qiáng)度在300~350 kV/m。在無人機(jī)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(qiáng)度必須小于臨界擊穿強(qiáng)度,并預(yù)留足夠的余量,以防電子元器件產(chǎn)生眩暈或拉弧導(dǎo)致性能下降而發(fā)生墜機(jī)事件。根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果,結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究,無人機(jī)的理論最小安全距離應(yīng)在1.5 m以上。
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(guī)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(cè)的外串線上[2]。磁場分布較為均勻且完整,基本不會(huì)受到塔的影響,在橫梁外側(cè)懸掛點(diǎn)附近沒有發(fā)生變形。因?yàn)闊o人機(jī)沒有高磁導(dǎo)率的材料,所以無人駕駛飛機(jī)對導(dǎo)線附近的空間磁場分布沒有明顯影響。無人機(jī)大部分采用碳纖維材料,很難被磁化。在強(qiáng)大的磁場下,無人機(jī)性能受到的影響較小。在導(dǎo)線內(nèi)側(cè)、外側(cè)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(yīng)強(qiáng)度如表2所示。從表2可以看出,在金屬絲內(nèi)部的磁場強(qiáng)度比金屬絲的外部和下部略大。無人機(jī)使用磁力計(jì)導(dǎo)航,通??梢猿惺?~4倍的磁場干擾。國內(nèi)的電磁感應(yīng)強(qiáng)度在50~60 μT。巡視工作中,在距離傳輸線3.0 m處,導(dǎo)線電流引起的磁場感應(yīng)強(qiáng)度約為220 μT,對無人機(jī)磁力儀工作造成干擾。按照安培定律,直線上的電流會(huì)形成一個(gè)圍繞著金屬絲的同心圓磁場,離金屬絲越近,磁場越強(qiáng)。地磁和電流的綜合作用指向?qū)Ь€,被電線所吸引。
大黃魚體色按照國際發(fā)光照明委員會(huì)CIE(CIE,1976)的規(guī)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(jì)(柯尼卡-美能達(dá),日本)于夜間20:00至24:00進(jìn)行測定,避免外源性光照對大黃魚體色的影響。每個(gè)網(wǎng)箱隨機(jī)取5尾魚,在背部和腹部皮膚分別選取2個(gè)點(diǎn)測定體色值,盡量保證檢測部位的一致性。
表2 磁場感應(yīng)強(qiáng)度
為確定無人機(jī)在500 kV輸電線路上的最低安全距離,模擬建立測試平臺(tái),測試無人機(jī)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(jī)(以下簡稱真型機(jī)),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(zhì)為碳纖維,懸停穩(wěn)定性好,抗電磁干擾性能優(yōu)良。
控制性能的安全距離測試程序:(1)將真型機(jī)器置于地上,按照正常的操作需要布線和接上電源,并進(jìn)行自檢;(2)將模擬機(jī)以低速垂直起飛,在導(dǎo)線附近的規(guī)定地點(diǎn)平穩(wěn)懸掛,記錄無人機(jī)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(zhuǎn)工作裝置并拍照,觀察是否有中斷、丟失、真機(jī)是否響應(yīng)控制信號(hào)以及機(jī)身是否有放電等;(4)調(diào)節(jié)真型機(jī)器的位置和L1,并重復(fù)中間兩步,記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
間隙放電安全距離測試程序:(1)在金屬絲四周設(shè)置模具機(jī),使其平直,記錄模型架的位置和與金屬絲的間距L2;(2)將導(dǎo)線充電,逐步提高到500 kV,觀察樣機(jī)有無放電,記錄測試現(xiàn)象;(3)調(diào)節(jié)模型位置和L2的位置,記錄測試現(xiàn)象。
通過測試真空放電的安全距離發(fā)現(xiàn):在500 kV輸電線路桿塔內(nèi)1.5 m處,旋翼臂前端存在閃絡(luò)放電現(xiàn)象;在距外側(cè)1.5 m處,足部連續(xù)放電,但沒有發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象;在足部1.5 m以下,足部的放電仍在繼續(xù),且比在外部更顯著。在金屬絲的內(nèi)側(cè),模具的電場強(qiáng)度最大,易發(fā)生連續(xù)的放電和閃絡(luò)。在距電線1.5 m處,電場強(qiáng)度為278 kV/m左右,旋翼臂前端的放電現(xiàn)象明顯,并出現(xiàn)了閃絡(luò)放電現(xiàn)象。在其他位置和距離較近的情況下,因?yàn)槟P偷碾妶鰪?qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣隙的擊穿,所以只出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的放電,沒有形成閃絡(luò)。通過對比實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算,結(jié)果表明初始效應(yīng)和明顯影響無人機(jī)安全操作的距離為1.5 m,最小安全距離為3.0 m。模擬計(jì)算表明,在3 m和1.5 m范圍內(nèi),無人飛行器的周邊空間電場強(qiáng)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(shí)擊穿磁場強(qiáng)度的一半。
以500 kV線塔為例,模擬空間電磁場,分析其分布特性。研究發(fā)現(xiàn),無人機(jī)在桿塔周邊巡視時(shí),電場分布會(huì)受到很大影響,但對其磁場的影響較小。通過對無人機(jī)操縱安全距離的測試發(fā)現(xiàn),對無人機(jī)安全運(yùn)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(fā)現(xiàn),無人機(jī)的安全操作距離(連續(xù)擊穿)為1.5 m。因此,無人偵察機(jī)的最小安全距離是3.0 m。