變電站無(wú)人機(jī)巡檢安全距離仿真與試驗(yàn)

劉慶達(dá)，劉雪冬，郭鐵濱，丁偉，劉旭

（國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林吉林 132001）

目前變電站巡檢普遍采用“人工為主、機(jī)器人為輔”的巡檢模式，機(jī)器人輔助巡視一定程度上緩解了運(yùn)維人員的巡檢壓力，提高了發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷的能力，但受活動(dòng)范圍限制及設(shè)備結(jié)構(gòu)和季節(jié)氣候的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備全覆蓋，尤其是在北方冬季寒冷地區(qū)，站內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)冰雪覆蓋，機(jī)器人巡視路線受阻，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法開(kāi)展有效巡視，極大降低了設(shè)備巡檢質(zhì)量[1]。無(wú)人機(jī)巡檢除具備設(shè)備日常巡檢功能外，將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到冰災(zāi)、雪后、特殊保電時(shí)期、危急人身安全的嚴(yán)重設(shè)備缺陷診斷等特殊環(huán)境中開(kāi)展變電運(yùn)維工作，可以有效彌補(bǔ)機(jī)器人巡檢存在的不足[2]。將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到變電巡檢工作中，組建“無(wú)人機(jī)+機(jī)器人+人工”混合智能巡檢模式，構(gòu)建全方位、無(wú)死角的三維巡檢體系，可實(shí)現(xiàn)變電站巡檢智能化、立體化和可視化[3]。

目前無(wú)人機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中于高壓輸電線路巡檢領(lǐng)域，福州、烏魯木齊、昌吉等地陸續(xù)在變電站內(nèi)開(kāi)展無(wú)人機(jī)巡檢試點(diǎn)工作[4]。大部分研究學(xué)者主要從理論上對(duì)應(yīng)用前景、功能需求、控制技術(shù)等方面展開(kāi)研究，在無(wú)人機(jī)與變電站高壓電氣設(shè)備安全距離方面研究較少。由于變電站內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備種類(lèi)眾多且縱橫交錯(cuò)，不同帶電設(shè)備間存在很強(qiáng)的電磁耦合，超強(qiáng)的電磁環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)安全距離提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[5]。若無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)的距離太近，帶電設(shè)備可能對(duì)無(wú)人機(jī)金屬外殼放電，造成無(wú)人機(jī)損壞墜毀，嚴(yán)重時(shí)造成系統(tǒng)接地故障，危害變電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[6]。因此，開(kāi)展變電站無(wú)人機(jī)自主巡檢安全距離研究具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

為此，本文以220 kV 變電站無(wú)人機(jī)巡檢為應(yīng)用場(chǎng)景，以典型220 kV 變電設(shè)備為研究對(duì)象，搭建無(wú)人機(jī)與220 kV 設(shè)備的三維仿真平臺(tái)，開(kāi)展變電設(shè)備電場(chǎng)環(huán)境和電磁環(huán)境下無(wú)人機(jī)耐受仿真試驗(yàn)，最終確定無(wú)人機(jī)巡檢的臨界安全距離。

1 無(wú)人機(jī)巡檢安全距離仿真試驗(yàn)

無(wú)人機(jī)在變電站內(nèi)巡檢的安全距離取決于高壓電氣設(shè)備電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布對(duì)其影響程度。選取四旋翼無(wú)人機(jī)經(jīng)緯M300RTK，搭建無(wú)人機(jī)與220 kV 設(shè)備的三維仿真平臺(tái)，研究無(wú)人機(jī)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)環(huán)境下的耐受水平。

1.1 電場(chǎng)環(huán)境安全距離仿真試驗(yàn)

變電站站內(nèi)導(dǎo)線縱橫交錯(cuò)，無(wú)人機(jī)與導(dǎo)線發(fā)生間隙放電的概率較大。選取LGJ-300/40 導(dǎo)線，無(wú)人機(jī)尺寸為40 cm×40 cm，電機(jī)尺寸為2.6 cm×Φ2.8 cm，間隙放電試驗(yàn)原理如圖1 所示，仿真平臺(tái)如圖2 所示。工頻試驗(yàn)變壓器型號(hào)為YDTW-500 kV/500 kVA，最高可輸出500 kV 電壓，無(wú)人機(jī)距導(dǎo)線間隙按步長(zhǎng)5 cm，由7～42 cm 分為8 個(gè)間隙，每個(gè)間隙下電壓從低到高，直至間隙產(chǎn)生放電現(xiàn)象，每個(gè)間隙放電做20 次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 間隙放電仿真試驗(yàn)結(jié)果

圖2 間隙放電仿真平臺(tái)

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)人機(jī)與導(dǎo)線的間隙距離越大，平均放電場(chǎng)強(qiáng)越小，原因?yàn)椋河捎跓o(wú)人機(jī)機(jī)翼兩端電機(jī)與導(dǎo)線均等效為圓柱體，當(dāng)間隙距離較小時(shí)，二者之間的間隙放電相當(dāng)于球-球間隙放電；而當(dāng)間隙距離較大時(shí)，則相當(dāng)于棒-棒間隙。無(wú)人機(jī)在變電站巡檢時(shí)，為保證巡檢的安全性，無(wú)人機(jī)與帶電導(dǎo)線的距離不可能太近，因此，放電間隙可按照棒-棒間隙模型計(jì)算。綜上所述，在僅考慮電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的影響時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度不得超過(guò)3.84 kV/cm，飛行的臨界安全距離為37 cm。

1.2 磁場(chǎng)環(huán)境安全距離仿真試驗(yàn)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取水平分布的三相導(dǎo)線進(jìn)行磁場(chǎng)仿真分析，圖3 為單根導(dǎo)線的磁場(chǎng)等值線。由圖3 可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度以導(dǎo)線為同心圓向外側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，無(wú)人機(jī)機(jī)翼兩端磁場(chǎng)分布明顯，這是由于兩側(cè)直流電機(jī)內(nèi)部磁質(zhì)材料的產(chǎn)生，機(jī)身其他部分的磁導(dǎo)率為1。

圖3 導(dǎo)線磁場(chǎng)分布

設(shè)置導(dǎo)線流過(guò)100～300 A 的電流，仿真得到不同間隙距離的磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖4 所示。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于200 μT 時(shí)，無(wú)人機(jī)主控裝置數(shù)據(jù)傳輸會(huì)出現(xiàn)丟失或中斷，指南針工作時(shí)會(huì)受到嚴(yán)重干擾，影響正常飛行，因此將磁感應(yīng)強(qiáng)度臨界值設(shè)置為200 μT。在無(wú)人機(jī)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度難以測(cè)量，為了更加直觀觀測(cè)，采用負(fù)荷電流來(lái)表征磁場(chǎng)安全距離，如圖5 所示。圖5 中的曲線可近似采用公式表示，即L=0.14I－19.1，其中L為磁場(chǎng)安全距離的數(shù)值，I為流經(jīng)導(dǎo)線的負(fù)荷電流的數(shù)值。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度與間隙距離關(guān)系曲線

圖5 導(dǎo)線負(fù)載電流與安全距離關(guān)系曲線

2 無(wú)人機(jī)巡檢安全距離判據(jù)仿真分析

由電場(chǎng)、磁場(chǎng)仿真分析可知，無(wú)人機(jī)在變電站內(nèi)巡檢應(yīng)綜合考慮二者對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的影響，選擇磁場(chǎng)安全隔離與電場(chǎng)安全距離的最小值作為無(wú)人機(jī)飛行的臨界安全距離，如圖6 所示。

圖6 無(wú)人機(jī)飛行的臨界安全距離

由圖6 可知，當(dāng)導(dǎo)線負(fù)載電流小于315 A 時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行臨界安全距離為37 cm；當(dāng)導(dǎo)線負(fù)載電流大于315 A 時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行臨界安全距離取決于磁場(chǎng)安全距離。

3 結(jié)論

無(wú)人機(jī)變電站巡檢與高壓導(dǎo)線的安全距離應(yīng)綜合考慮電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的影響，飛行臨界安全距離選取磁場(chǎng)安全距離和電場(chǎng)安全距離的最小值。