基于電場信息的交流架空線路無人機(jī)巡線安全距離仿真研究

重慶大學(xué)弘深學(xué)院 武子恒 蔣 仕 梁書豪

0.引言

近年來隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在電力線路巡檢方面的應(yīng)用也日益廣泛[1-3]。在巡線過程中，為了收集線路運(yùn)行情況和故障信息，無人機(jī)需要靠近導(dǎo)線和桿塔甚至沿著輸電線巡航，其內(nèi)部的電子元件就有可能在作業(yè)環(huán)境電磁場干擾下出現(xiàn)異常從而影響測量數(shù)據(jù)精確度[4]，甚至?xí)?dǎo)致無人機(jī)操作不受控制使其與線路和桿塔的撞擊，對無人機(jī)、輸電線和桿塔等造成破壞，甚至造成電力系統(tǒng)的故障，危及系統(tǒng)運(yùn)行安全，無人機(jī)巡線的避障策略和和其巡線作業(yè)中安全距離界定的研究就顯得尤為重要。而避障和安全距離研究的前提是獲得無人機(jī)與線路的距離，目前的無人機(jī)大多采用激光雷達(dá)測距[5-6]、紅外測距[7]、超聲波測距[8]等方法，但是激光雷達(dá)測距設(shè)備成本高、壽命短，紅外測距容易受到陽光等環(huán)境因素的干擾，超聲波測距結(jié)果易受到復(fù)雜地形和周圍環(huán)境的影響。

輸電線路通電后在其周圍空間產(chǎn)生的交變電場是其固有特性，而且電場強(qiáng)度與場-源距離之間存在著定量的關(guān)系[9]，而這些電場信息在無人機(jī)的安全距離評測中尚未得到充分利用。電場強(qiáng)度的測量無需定點瞄準(zhǔn)、不存在測量盲點也不受光線強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響，，通過電場強(qiáng)度信息可以確定無人機(jī)與導(dǎo)線之間的距離信息。

本文針對交流架空線無人機(jī)巡線時與線路的距離測量和安全距離界定提出了基于電場仿真分析的研究方法，建立了包含輸電線路、桿塔和無人機(jī)的仿真模型，對輸電線、桿塔和無人機(jī)周圍空間以及無人機(jī)表面的電場強(qiáng)度進(jìn)行分析，并研究無人機(jī)位置處電場強(qiáng)度與其距離導(dǎo)線距離的關(guān)系，并對其耐受電場的分析得到無人機(jī)巡線的安全距離標(biāo)準(zhǔn)，旨在對無人機(jī)巡線的工程實踐提供參考依據(jù)，提高無人機(jī)巡線的安全水平。

1.仿真模型

1.1 輸電線和桿塔模型

本文主要針對220kV和500kV的交流架空輸電線路進(jìn)行研究，其電場強(qiáng)度較大，對無人機(jī)巡檢影響較為明顯。根據(jù)GB50545-2010和《國家電網(wǎng)輸變電工程通用設(shè)計（2011版）》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和不同電壓等級線路實際運(yùn)行情況，設(shè)置了相應(yīng)的導(dǎo)線型號、對地高度和桿塔的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 220kV和500kV輸電線和桿塔模型相關(guān)參數(shù)

為簡化仿真模型，將模型中的分裂導(dǎo)線用等效導(dǎo)線代替，其等效半徑計算式為：

式中：Req為分裂導(dǎo)線等效半徑，R為分裂半徑，m為分裂數(shù)，r為分裂子導(dǎo)線半徑。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和簡化，搭建220kV和500kV的輸電線路和桿塔模型，如圖1（a）和（b）所示。

本文截取桿塔周圍沿線X軸方向長度10m，桿塔Y軸方向長度共15m的區(qū)域作為研究對象，涵蓋了無人機(jī)在桿塔附近巡檢作業(yè)正常區(qū)域，將其置于三維坐標(biāo)系內(nèi)，便于觀察電場的空間分布特性。

圖1 桿塔的仿真模型

1.2 無人機(jī)模型

將四旋翼無人機(jī)作為研究對象，為簡化Maxwell的網(wǎng)格剖分，提高計算速度，我們對無人機(jī)模型進(jìn)行簡化，即忽略無人機(jī)上的螺絲、螺帽等細(xì)小零部件，并將無人機(jī)機(jī)身作實心模型處理，，無人機(jī)簡化模型如圖2所示。

無人機(jī)簡化模型，機(jī)身（含旋翼）對角線長85cm，機(jī)身（含旋翼）高度20cm，機(jī)身材料采用碳纖維[10]，設(shè)置相關(guān)電氣參數(shù)，相對介電常數(shù)為7，電導(dǎo)率為100 S/m。

圖2 無人機(jī)的簡化模型

2.電場仿真結(jié)果及分析

如圖3所示，在圖1所示的模型中分別加入四臺無人機(jī)模型，其中兩臺編號為1、3的無人機(jī)在Y方向上距離邊相導(dǎo)線5m，另外兩臺變化為2、4的無人機(jī)Y方向上距離邊相導(dǎo)線10m。對以上模型進(jìn)行仿真分析，導(dǎo)線周圍空間的電場分布分別如圖3和圖4所示。

圖3 220kV模型俯視圖的電場強(qiáng)度分布

圖4 500kV模型俯視圖的電場強(qiáng)度分布

分析以上結(jié)果得出，220kV線路電場強(qiáng)度的最大值為57kV/m，500kV線路電場強(qiáng)度的最大值為113kV/m，均位于兩個邊相導(dǎo)線與絕緣子的交點處。如圖3和圖4所示，從整體的電場分布上來看，電場強(qiáng)度分布大致關(guān)于X軸對稱。從無人機(jī)所在位置局部的電場分布來看，對比無人機(jī)所處位置及其關(guān)于X軸對稱位置的電場強(qiáng)度，無人機(jī)使其附近電場分布發(fā)生畸變，導(dǎo)致電場強(qiáng)度增大。

為了深入研究無人機(jī)對電場分布的影響，接下來取中心位于桿塔所在橫截面，距離邊相導(dǎo)線5m的編號為1的無人機(jī)表面為研究對象，繪制出其表面的電場強(qiáng)度分布圖，如圖5所示。

圖5 （a）220kV線路無人機(jī)表面電場強(qiáng)度分布

圖5 （b）500kV線路無人機(jī)表面電場強(qiáng)度分布

由圖5可知，無人機(jī)表面的電場強(qiáng)度分布不均勻，220kV線路中無人機(jī)表面最大場強(qiáng)為17.45kV/m，500kV/m線路中無人機(jī)表面最大場強(qiáng)為40.51kV/m，旋翼葉片邊緣和轉(zhuǎn)軸連接處等尖端位置場強(qiáng)分布集中，數(shù)值較大，遠(yuǎn)超過其位置處本身空間電場的數(shù)值。

3.交流架空線路無人機(jī)巡線安全距離的確定

為了進(jìn)一步確定無人機(jī)對其周圍空間電場分布的影響，進(jìn)而確定無人機(jī)巡線的安全距離，在1.1所述仿真模型中，在距離邊相導(dǎo)線2.5m、4.5m、6.5m、8.5m、10.5m和12.5m處分別放置無人機(jī)模型，如圖6所示。

圖6 無人機(jī)距離導(dǎo)線不同距離模型圖

分別在220kV和500kV下對上述模型進(jìn)行仿真分析，得到6架無人機(jī)機(jī)身表面電場強(qiáng)度的最大值數(shù)據(jù)，見表2、3。

表2 距離邊相導(dǎo)線距離不同的無人機(jī)機(jī)身表面電場強(qiáng)度的最大值（220kV）

表3 距離邊相導(dǎo)線距離不同的無人機(jī)機(jī)身表面電場強(qiáng)度的最大值（500kV）

將上述數(shù)據(jù)繪制成表面最大電場強(qiáng)度和中心距邊相導(dǎo)線距離的折線圖，如圖7所示。

圖7 無人機(jī)表面最大電場強(qiáng)度和中心距邊相導(dǎo)線距離的折線圖

通過上述結(jié)果可以看出，無人機(jī)表面的最大電場強(qiáng)度隨著與邊相導(dǎo)線距離的增大而減小，大致呈二次曲線規(guī)律。一般而言，在10kV/m的電場強(qiáng)度下，電子元器件的性能就會受到影響[11]，從數(shù)據(jù)中可以看出，220kV模型中在距離6.5 m左右，無人機(jī)表面場強(qiáng)的最大值就達(dá)到了10kV/m，而對于500kV模型而言，這一距離則是12.5 m左右。

考慮到無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度一般為3 m[12-13]，并考慮操作人員進(jìn)行避障操作時反應(yīng)時間等帶來的誤差，我們設(shè)置2.5m的裕度，因此，利用無人機(jī)對交流220kV和500 kV交流架空輸電線路開展巡檢作業(yè)時，最小安全距離宜分別設(shè)置為12m和18m。

4.結(jié)論

本文建立了有桿塔的交流架空輸電線路模型，和碳纖維材料的四旋翼無人機(jī)模型，充分考慮了桿塔的存在和無人機(jī)機(jī)身材料的影響，分析了220kV和500kV的電壓等級下桿塔附近的電場分布和無人機(jī)表面的電場分布，分別考慮了無人機(jī)和邊相導(dǎo)線的距離和無人機(jī)機(jī)身不同位置對電場強(qiáng)度的影響。

仿真分析發(fā)現(xiàn)無人機(jī)會使其周圍電場強(qiáng)度分布產(chǎn)生畸變，畸變作用使無人機(jī)附近電場強(qiáng)度增大；無人機(jī)與邊相導(dǎo)線的距離越大，其表面電場強(qiáng)度越小，電場強(qiáng)度大致和距離成二次函數(shù)的關(guān)系；無人機(jī)表面的電場分布極不均勻，旋翼葉片和轉(zhuǎn)軸連接處等尖端處場強(qiáng)分布集中，數(shù)值較大，因此在無人機(jī)設(shè)計和選用時，應(yīng)該盡量光滑無尖端和毛刺，電場測量裝置也應(yīng)盡量避開尖端處，以免電場畸變對測量和安全距離的判定造成影響。

結(jié)合上述分析結(jié)果，本文綜合考慮了無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度和操作測量誤差等因素，分別將220kV和500kV線路中巡線無人機(jī)的安全距離確定為12m和18m。