變電站無人機巡檢安全距離仿真與試驗

劉慶達，劉雪冬，郭鐵濱，丁偉，劉旭

（國網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、機器人為輔”的巡檢模式，機器人輔助巡視一定程度上緩解了運維人員的巡檢壓力，提高了發現設備缺陷的能力，但受活動范圍限制及設備結構和季節氣候的影響，無法實現站內設備全覆蓋，尤其是在北方冬季寒冷地區，站內現場冰雪覆蓋，機器人巡視路線受阻，嚴重時無法開展有效巡視，極大降低了設備巡檢質量[1]。無人機巡檢除具備設備日常巡檢功能外，將無人機應用到冰災、雪后、特殊保電時期、危急人身安全的嚴重設備缺陷診斷等特殊環境中開展變電運維工作，可以有效彌補機器人巡檢存在的不足[2]。將無人機應用到變電巡檢工作中，組建“無人機+機器人+人工”混合智能巡檢模式，構建全方位、無死角的三維巡檢體系，可實現變電站巡檢智能化、立體化和可視化[3]。

目前無人機技術在電力系統的應用主要集中于高壓輸電線路巡檢領域，福州、烏魯木齊、昌吉等地陸續在變電站內開展無人機巡檢試點工作[4]。大部分研究學者主要從理論上對應用前景、功能需求、控制技術等方面展開研究，在無人機與變電站高壓電氣設備安全距離方面研究較少。由于變電站內環境復雜、設備種類眾多且縱橫交錯，不同帶電設備間存在很強的電磁耦合，超強的電磁環境對無人機巡檢時安全距離提出了更高的要求和挑戰[5]。若無人機巡檢時的距離太近，帶電設備可能對無人機金屬外殼放電，造成無人機損壞墜毀，嚴重時造成系統接地故障，危害變電設備安全穩定運行[6]。因此，開展變電站無人機自主巡檢安全距離研究具有重要的理論意義和工程價值。

為此，本文以220 kV 變電站無人機巡檢為應用場景，以典型220 kV 變電設備為研究對象，搭建無人機與220 kV 設備的三維仿真平臺，開展變電設備電場環境和電磁環境下無人機耐受仿真試驗，最終確定無人機巡檢的臨界安全距離。

1 無人機巡檢安全距離仿真試驗

無人機在變電站內巡檢的安全距離取決于高壓電氣設備電場和磁場分布對其影響程度。選取四旋翼無人機經緯M300RTK，搭建無人機與220 kV 設備的三維仿真平臺，研究無人機在電場和磁場環境下的耐受水平。

1.1 電場環境安全距離仿真試驗

變電站站內導線縱橫交錯，無人機與導線發生間隙放電的概率較大。選取LGJ-300/40 導線，無人機尺寸為40 cm×40 cm，電機尺寸為2.6 cm×Φ2.8 cm，間隙放電試驗原理如圖1 所示，仿真平臺如圖2 所示。工頻試驗變壓器型號為YDTW-500 kV/500 kVA，最高可輸出500 kV 電壓，無人機距導線間隙按步長5 cm，由7～42 cm 分為8 個間隙，每個間隙下電壓從低到高，直至間隙產生放電現象，每個間隙放電做20 次試驗，試驗結果如表1 所示。

表1 間隙放電仿真試驗結果

圖2 間隙放電仿真平臺

從表1 中的數據可以看出，無人機與導線的間隙距離越大，平均放電場強越小，原因為：由于無人機機翼兩端電機與導線均等效為圓柱體，當間隙距離較小時，二者之間的間隙放電相當于球-球間隙放電；而當間隙距離較大時，則相當于棒-棒間隙。無人機在變電站巡檢時，為保證巡檢的安全性，無人機與帶電導線的距離不可能太近，因此，放電間隙可按照棒-棒間隙模型計算。綜上所述，在僅考慮電場強度對無人機飛行的影響時，電場強度不得超過3.84 kV/cm，飛行的臨界安全距離為37 cm。

1.2 磁場環境安全距離仿真試驗

為簡化計算，選取水平分布的三相導線進行磁場仿真分析，圖3 為單根導線的磁場等值線。由圖3 可知，磁場強度以導線為同心圓向外側磁場強度逐漸減小，無人機機翼兩端磁場分布明顯，這是由于兩側直流電機內部磁質材料的產生，機身其他部分的磁導率為1。

圖3 導線磁場分布

設置導線流過100～300 A 的電流，仿真得到不同間隙距離的磁感應強度，如圖4 所示。當磁感應強度大于200 μT 時，無人機主控裝置數據傳輸會出現丟失或中斷，指南針工作時會受到嚴重干擾，影響正常飛行，因此將磁感應強度臨界值設置為200 μT。在無人機實際應用過程中，由于磁感應強度難以測量，為了更加直觀觀測，采用負荷電流來表征磁場安全距離，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為磁場安全距離的數值，I為流經導線的負荷電流的數值。

圖4 磁感應強度與間隙距離關系曲線

圖5 導線負載電流與安全距離關系曲線

2 無人機巡檢安全距離判據仿真分析

由電場、磁場仿真分析可知，無人機在變電站內巡檢應綜合考慮二者對無人機飛行的影響，選擇磁場安全隔離與電場安全距離的最小值作為無人機飛行的臨界安全距離，如圖6 所示。

圖6 無人機飛行的臨界安全距離

由圖6 可知，當導線負載電流小于315 A 時，無人機飛行臨界安全距離為37 cm；當導線負載電流大于315 A 時，無人機飛行臨界安全距離取決于磁場安全距離。

3 結論

無人機變電站巡檢與高壓導線的安全距離應綜合考慮電場和磁場對無人機飛行的影響，飛行臨界安全距離選取磁場安全距離和電場安全距離的最小值。