基于電磁場計(jì)算的輸電線路無人機(jī)巡檢安全飛行區(qū)域確定方法

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(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002；3.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)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。現(xiàn)有的人工巡線作業(yè)方式勞動強(qiáng)度大、工作條件艱苦，勞動效率低，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展的需求。出于建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的需要，無人機(jī)巡線作為一種比較先進(jìn)、科學(xué)、高效的電力巡線方式，開始逐步實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用［1-5］。

目前，已有關(guān)于介紹實(shí)際飛行環(huán)境中復(fù)雜電磁環(huán)境對無人機(jī)的影響、無人機(jī)遙測鏈路系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的電磁兼容研究、無人機(jī)主要電源電磁干擾的抑制方案、無人機(jī)避障等的相關(guān)文獻(xiàn)［6-12］，以及有關(guān)高壓輸電導(dǎo)線電磁環(huán)境對人體影響的介紹［13］。而高壓輸電導(dǎo)線電磁環(huán)境對電力巡線的無人機(jī)在進(jìn)行巡線作業(yè)時(shí)的安全可靠性的影響、所搭載的電子設(shè)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(bào)道。

以500 kV輸電線路為例建立電磁場模型，計(jì)算在距輸電導(dǎo)線一定距離時(shí)的電磁場強(qiáng)度，并分析電力巡線無人機(jī)正常工作時(shí)可承受的電磁場強(qiáng)度范圍，從而得出無人機(jī)在巡線作業(yè)時(shí)與輸電導(dǎo)線安全距離的范圍。安全距離的確定能夠降低無人機(jī)電力巡線作業(yè)的危險(xiǎn)性，對保證人身、電網(wǎng)和設(shè)備的安全具有重要意義。

1 輸電線路電磁場計(jì)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(shè)定參數(shù)為：輸電導(dǎo)線相間距12 400 mm；輸電導(dǎo)線距地高度30 000 mm；地線間距20 550 mm；地線距輸電導(dǎo)線垂直高度7 800 mm；導(dǎo)線采用4×LGJ-400／35型號，導(dǎo)線半徑13.4 mm、分裂間距450 mm、電導(dǎo)率 3.183×107S／m；地線采用GJ-80 型號，導(dǎo)線半徑 5.7 mm、電導(dǎo)率 5.075×106S／m。

圖1 500 kV交流輸電線路典型直線塔

仿真計(jì)算時(shí)，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(shè)定輸電導(dǎo)線的輸電電流為該型號導(dǎo)線可承受最大電流值，為3 460 A。利用Ansoft Maxwell電磁場計(jì)算軟件仿真計(jì)算，為便于計(jì)算，做簡化處理：大地為無窮大導(dǎo)體面，電位為0；導(dǎo)線為無限長直平行地面的光滑圓柱體，導(dǎo)線表面為等位面；忽略桿塔等臨近物體的影響，忽略導(dǎo)線、避雷線的端部效應(yīng)和弧垂影響［14］。簡化后，計(jì)算架空輸電線路導(dǎo)線周圍電場強(qiáng)度問題可轉(zhuǎn)化為平行多導(dǎo)體系統(tǒng)的二維交變電場計(jì)算問題，即對輸電導(dǎo)線在導(dǎo)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(xiàng)導(dǎo)線和簡化大地模型，圖中導(dǎo)線與計(jì)算空間尺寸參數(shù)非等比例繪制；圖中各項(xiàng)導(dǎo)線中心足夠長線段是為了輔助分析計(jì)算仿真結(jié)果，僅在結(jié)果分析時(shí)存在。

圖2 500 kV交流輸電線路電磁場仿真計(jì)算模型

1.2 仿真計(jì)算

選取仿真區(qū)域?yàn)?40 m×100 m，即距離輸電導(dǎo)線水平方向最大距離為107.6 m，垂直方向高于輸電導(dǎo)線最大距離為70 m。利用Ansoft Maxwell電磁場計(jì)算軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，500 kV交流輸電線路某項(xiàng)導(dǎo)線單子導(dǎo)線周圍空間磁場強(qiáng)度、電場強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 磁場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖4 電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

由圖3、圖4可知，整個計(jì)算空間內(nèi)，磁場強(qiáng)度B的最大值為1.346 2×10-2T，電場強(qiáng)度E的最大值為2.786 1×106V／m，均主要出現(xiàn)在子導(dǎo)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(dǎo)線較遠(yuǎn)的空間。

計(jì)算水平方向與導(dǎo)線一定距離范圍內(nèi)的電磁場強(qiáng)度。在導(dǎo)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(xiàng)導(dǎo)線中心足夠長線段），設(shè)定該線段左、右兩側(cè)端點(diǎn)處坐標(biāo)分別為0 m、220 m，三相導(dǎo)線位于該線段的中間位置，計(jì)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(dǎo)線一定距離范圍內(nèi)的磁場強(qiáng)度

圖6 水平方向上與輸電導(dǎo)線一定距離范圍內(nèi)的電場強(qiáng)度

圖5、圖6中，橫軸為水平方向上坐標(biāo)，三相導(dǎo)線的位置分別處于97.6 m、110 m、122.4 m處；縱軸為電場強(qiáng)度值。可得與導(dǎo)線水平方向距離處電磁場強(qiáng)度的具體數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。

2 電力巡線無人機(jī)可承受電磁場強(qiáng)度

以某中型電力巡線無人機(jī)為例，其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。可能收到電磁場強(qiáng)度影響的部分主要包括三軸數(shù)字磁場計(jì)、轉(zhuǎn)速計(jì)、GPS定位系統(tǒng)、三軸陀螺儀、伺服舵機(jī)等。

圖7 某中型電力巡線無人機(jī)基本結(jié)構(gòu)

1）三軸數(shù)字磁場計(jì)。三軸數(shù)字磁場計(jì)是采用磁阻傳感器原理測量磁場的強(qiáng)度和方向，在無人機(jī)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(jì)。轉(zhuǎn)速計(jì)在無人機(jī)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(diǎn)的感應(yīng)強(qiáng)度一般為10~99 mT，選取飛機(jī)安全飛行區(qū)域內(nèi)的磁場強(qiáng)度應(yīng)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(yuǎn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)。伺服舵機(jī)是飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是飛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，飛機(jī)的各種運(yùn)動都要靠伺服舵機(jī)帶動舵面偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。伺服舵機(jī)中易受電磁場干擾的部分為無刷電機(jī)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(yīng)。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(dāng)電場消失時(shí)，電流變液立即變稀并迅速恢復(fù)原有的液體狀態(tài)，這種變化成為電流變效應(yīng)。其廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)、汽車工業(yè)、控制工程、機(jī)器人及液壓工程等行業(yè)，應(yīng)用于避震器、減震阻尼器、制動器、離合器、機(jī)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(yīng)快、噪音小、耗能低，且容易控制，電流變液在工程應(yīng)用上是極具價(jià)值的新材料。無人機(jī)的元器件目前尚未引進(jìn)此種材料，但電流變效應(yīng)說明，電場強(qiáng)度達(dá)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(jī)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(qiáng)度小于1 kV／mm（即 1×106V／m）的區(qū)域，不會發(fā)生電流變效應(yīng)。

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

3 無人機(jī)巡檢安全飛行距離預(yù)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(jī)本身、巡線準(zhǔn)備各個步驟及外界環(huán)境影響造成的各項(xiàng)誤差，將各部分誤差均取最大值，主要包括：無人機(jī)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(fēng)力造成偏離航線偏差距離，記為x2；線路打點(diǎn)望遠(yuǎn)鏡式測距儀的測距誤差，記為x3；線路打點(diǎn)GPS定位儀數(shù)據(jù)誤差造成規(guī)劃線路與實(shí)際預(yù)設(shè)位置距離偏差，記為x4；無線通信系統(tǒng)最長延時(shí)，記為t。

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)無人機(jī)搭載電子設(shè)備正常工作時(shí)要求的磁場強(qiáng)度，假定仿真計(jì)算結(jié)果有100%的偏差（考慮仿真線路與實(shí)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(dǎo)線外側(cè)達(dá)到此磁場強(qiáng)度處，距離對應(yīng)邊相導(dǎo)線的水平距離，分別記為l1、l2。

根據(jù)無人機(jī)搭載電子設(shè)備正常工作時(shí)要求的電場強(qiáng)度，假定仿真計(jì)算結(jié)果有100%的偏差，查找兩邊相導(dǎo)線外側(cè)達(dá)到此電場強(qiáng)度處，距離對應(yīng)邊相導(dǎo)線的水平距離，分別記為 l3、l4。其中，l1、l2、l3、l4均采用進(jìn)一取整法計(jì)數(shù)。

3.3 其他數(shù)據(jù)

測量飛行平臺的某些尺寸：單片機(jī)翼長度，記為a1；機(jī)頭與主軸間距離，記為a2；機(jī)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(jī)系統(tǒng)整體處于安全飛行區(qū)域內(nèi)。

3.4 安全距離預(yù)測公式

設(shè)無人機(jī)巡檢的飛行速度為v。所得數(shù)據(jù)均采用進(jìn)一取整法計(jì)數(shù)，推斷電力巡線無人機(jī)巡檢時(shí)的基本安全距離為

4 實(shí)例分析

以所述某中型電力巡線無人機(jī)巡檢500 kV交流輸電線路為例，經(jīng)大量巡檢試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)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(jī)進(jìn)行測量，可知a1=106 cm，a2=68 cm，a3=144 cm。

對仿真數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)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(yù)測公式，可推斷該中型電力巡線無人機(jī)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(jī)巡檢500 kV無嚴(yán)重放電現(xiàn)象的輸電導(dǎo)線時(shí)，在嚴(yán)格按照操作流程使用精密儀器對實(shí)地線路考察后，且無人直升機(jī)各分系統(tǒng)正常工作時(shí)，規(guī)劃線路與導(dǎo)線間的最小安全距離。

5 結(jié)語

以某中型電力巡線無人機(jī)巡檢500 kV輸電線路為例，計(jì)算分析得出無人機(jī)在巡線作業(yè)時(shí)與輸電導(dǎo)線安全距離的范圍。該安全距離的確定能夠提高無人機(jī)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(shè)備的安全具有重要意義。

同樣，使用該方法可推斷無人機(jī)巡檢其他電壓等級交直流輸電線路的基本安全距離。實(shí)際應(yīng)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(jī)搭載其他機(jī)型或電子器件時(shí)，需要重新確定無人機(jī)可承受的電磁場強(qiáng)度范圍。

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