线夹带电X光检测用无人机电磁防护技术及应用

张国鲲，刘家鹏，石立民，李晓斌，王 坤

（内蒙古电力（集团）有限责任公司锡林郭勒电业局，锡林浩特026000）

X 射线检测技术最早应用在医学成像中，近年来随着技术发展，在电气设备的损伤检测中得到了越来越广泛的应用，如变电站GIS 设备内部缺陷检测、复合绝缘子内部缺陷检测、架空输电线路压接金具检测等[1-3]，取得不错的检测效果。通过X 射线排查线路导线、线夹和金具等内部缺陷和隐患，对输电线路的安全稳定运行提供保障。但传统的X 射线检测需要停电作业，现场工作人员在塔下安装好射线机和成像板，再爬上铁塔，最终通过滑轮将DR（digital radiography）成像设备吊装至待测物体旁进行检测。不仅需要停电，且整个过程费时费力，登高作业也存在较大的安全风险。采用能承受较大重量的无人机搭载X 射线成像装置进行线路带电探伤检测，既减轻人员工作负担，又提高了经济效益，具有重要的实际价值与意义。

传统输电线路上进行X 射线探伤检测，需要停电后将成像设备安放在指定位置，和供电可靠性要求形成冲突。无人机巡线给输电线路铁塔巡检带来了巨大便利[4-5]。将X 射线检测与无人机配合，应用于线路带电探伤检测，还在初步研究阶段[6]。基于多旋翼无人机，实现输电耐张线夹X 射线带电检测，在部分重要线路进行X 射线带电检测，推广应用前景广阔。

线夹带电X 光检测系统采用无人机携带射线机和成像板，因为直接接触高压导线，其关键在于系统的抗电磁干扰能力。无人机电磁屏蔽效能很大程度上取决于装置的物理结构，即导电的连续性，无人机的接缝和开口都是电磁波的泄漏源[7]。

本文对无人机及DR 系统电磁屏蔽、 天线复合材料电磁屏蔽措施进行了分析。并进行了模拟带电试验，为线夹带电X 光检测应用打下了坚实基础。

1 输电线路电磁干扰

1.1 输电线路电磁场

单回路水平排列的500 kV 交流线路模型[8]，4分裂导线，相间距10 m，相导线对地高度不同时地面上1.5 m 处的电场强度横向分布如图1 所示。磁感应强度和电场强度分布趋势大致相同，磁感应强度在距中心线5 m 附近出现最大值约16 μT[9]。电场超过国家环保总局的《500 kV 超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》（HJ/T24-1998）和卫生部门的《作业场所工频电场卫生标准》（GB16203-1996），人体安全接触的工频电场为4 kV/m 的标准，工频磁场满足小于100 μT 的要求。

图1 500 kV 导线对地高度不同时电场强度的横向分布Fig.1 Lateral distribution of electric field intensity of 500 kV conductors with different heights to the ground

对居民来说，通过增加相导线分裂根数、改进分裂导线结构及减小导线表面电场来实现减小高压线路的无线电干扰[10]。但是线夹带电X 光检测中无人机需直接接触导线，在上述措施下电场强度仍然很大。对于±500 kV 直流线路，其导线周围较近距离处最大场强大于300 kV/m，当无人机靠近带电导线时，其局部放电模型类似于棒-板间隙放电模型，典型棒-板间隙的击穿场强经验值约为300 kV/m[11]。当无人机进入带电导线周围时，受高压强电场作用，无人机上的部件会出现感应电荷，特别是无人机表面及尖端处会感应出较高的电场强度分布，从而引起周围电场分布的畸变。当局部场强超过空气击穿强度时，会发生极端放电，威胁到无人机操控及数据传输性能，甚至威胁到无人机飞行及输电线路的安全运行。

1.2 输电线路电磁波对无人机的干扰

架空输电线路产生的电磁波干扰主要是导线表面和线路部件表面的电晕放电及绝缘子高电位部分放电和接触不良产生的火花放电。电晕及其它放电产生的效应之一就是电磁波干扰。电磁波干扰的实质，是在电晕过程中出现一些有害的、频率相当宽的电磁波，对无线通信设施产生干扰。

由于无人机的图传、数传以及操控都采用无线电方式[12]，当无人机过于靠近高压带电导线时，其通信和操控性能会受到很大干扰，导致数据传输中止或操控失灵[13]，严重时会导致无人机碰线坠机。一般无人机采用的图传和数传频率为900 MHz 左右，操控频率为2.4 GHz。

无人机通常使用GPS 进行导航，当GPS 接收机附近有相同频率的电磁波时，会产生同频干扰，导致GPS 导航精度下降甚至失效，进而导致线夹X 光检测用无人机不能起飞[14]。

1.3 实测情况

电磁场对无人机的干扰实测情况如图2 所示，施加110 kV 电压，导线对无人机局部放电，且飞控系统屏幕显示主控数据异常，航向角控制异常。磁罗盘的错误航向角会导致错误的姿态矩阵，接着导致电机转速分配出错，实际姿态与预期姿态不一致，进一步导致飞行路线偏离正确的路线，最终可能导致炸机。

图2 电磁场对无人机的干扰实测情况Fig.2 Measured situation of electromagnetic field interference to UAV

为了确定GPS、数传及图传、飞控系统的电磁干扰情况，分别在不同距离（1.3 m～0.4 m），逐渐加压到100 kV，如图3 及表1 所示，发现GPS、数传及图传、飞控系统均能承受静电场。说明高压静电场对GPS、数传及图传、飞控系统的电磁干扰影响不大。无人机受到的电磁干扰不能起飞的主要原因在于火花放电。为了避免高压导线对无人机的电磁干扰，需尽量避免放电。

图3 静电场对GPS、数传及图传、飞控系统的电磁干扰测试Fig.3 Electromagnetic interference test of GPS image transmission and flight control system by electrostatic field

表1 静电场对GPS、数传及图传、飞控系统的电磁干扰情况Tab.1 Electromagnetic interference of GPS image transmission and flight control system by electrostatic field

2 无人机及DR 系统电磁屏蔽

2.1 电磁屏蔽材料

常用的电磁屏蔽材料有以下3 种：

（1）金属材料，如铁、铝、锌、铜、钢等。采用金属材料作屏蔽网，网孔越密，屏蔽效果越好，采用整体的金属壳屏蔽的效果最好。

（2）导电高分子材料，可分为复合型导电高分子材料和本征型导电高分子材料。

（3）软体电磁屏蔽材料，主要有铜镍布、导电海绵、导电网纱、纯铜布及纯镍布等。

2.2 无人机电磁屏蔽

无人机上天线的装载、电源供电回路、接地等，都给复合材料无人机整机的电磁兼容设计提出了更高的要求[15-16]，如图4 所示。

无人机电子系统电磁干扰的产生必须具有3个要素，即干扰源、干扰传播途径和敏感设备。干扰源来自火花放电，敏感设备有GPS、数传及图传、飞控系统。无人机系统中主要干扰传播途径为辐射耦合，因为无人机没有密封的机箱外壳，且机箱上的许多通风散热孔、导线引出孔、铆接缝都会渗入或泄出电磁波。无人机外壳主体材料为单向碳纤维预浸料，壁厚约2 mm。复合材料具有特殊的电磁性能，导电及屏蔽性能不如金属材料[17-18]。

电磁屏蔽方法切断干扰传播途径，对空间干扰可以起到较好的效果。用铜箔包裹或者镍喷涂，或者把电路板装入铝盒，焊接到接地端，这些措施可以增加抗射频干扰能力。

GPS 模块（L1 波段中心频率为1.57 GHz）与数据链路通信模块共存于一个系统中，两者的工作频率相近，由于GPS 信号比较弱，常淹没在噪声中。为了提高无人机电磁屏蔽性能，GPS 天线做了如下改进：

（1）安装一个金属地板。安装金属地板将改善信号接收和GPS 性能，使用10 cm×10 cm 的铜皮。

（2）避免射频干扰。GPS 信号易受射频干扰，如无线调制/解调器、无线视频发射机等。

（3）GPS 电缆打大弯捆扎成圆。不要来回折叠捆扎，会影响GPS 信号。

2.3 DR 系统电磁屏蔽

DR 系统（数字射线成像系统）包括射线机，成像板或IP 板。和无人机相比，射线机和成像板有金属外壳密闭，抗电磁干扰能力较好，采用锡箔或者金属网进行电磁防护即可。

对无人机及DR 系统采用上述电磁屏蔽改进措施后，再次进行220 kV 带电模拟试验，如图5 所示。顺利挂线，拍摄了清晰的X 光检测照片。

图4 无人机系统框图Fig.4 System block diagram of UAV

图5 武汉高压研究所检测系统带电模拟实验Fig.5 Live simulation experiment of inspection system in Wuhan high voltage research institute

3 结语

输电线路电场强度大，输电线路对无人机的电磁干扰主要有2 个方面，一是当局部场强超过空气击穿强度时，会发生极端放电，威胁到无人机操控及数据传输性能，甚至引起坠机；二是电磁干扰还会引起磁罗盘错误和航向角错误，不能起飞。GPS、数传及图传、飞控系统均能承受100 kV 静电场，说明高压静电场对GPS、数传及图传、飞控系统的电磁干扰影响不大。无人机受到的电磁干扰不能起飞的主要原因在于火花放电。为了避免高压导线对无人机的电磁干扰，需尽量避免放电。无人机系统中主要干扰传播途径为辐射耦合，无人机及DR 系统电磁屏蔽措施有锡箔、金属网包裹，电路抗电磁干扰设计，天线复合材料电磁屏蔽等。模拟带电试验表明，线夹带电X 光检测用无人机电磁防护措施是有效的，为线夹带电X 光检测应用打下了坚实基础。