超特高压直流输电线路电磁场对无人机安全距离的影响

许家文，阴酉龙，严 波，万 能，刘 君，李 达

(1.安徽送变电工程有限公司，安徽 合肥 230000；2.国网安徽省电力有限公司，安徽 合肥 230000；3.国网安徽省电力有限公司检修分公司，安徽 合肥 230000)

输电线路对无人机的影响主要表现为电磁干扰。其中，电场的影响主要由线路的运行电压决定，磁场的影响主要由导线中通过的电流决定。而交、直流两种不同原理的输电方式也决定了其对无人机所产生的影响不同。

针对这些问题，近年来部分学者开展了相关研究。文献[1-2]对直流输电线路的电场进行了详细分析，但磁场方面几乎没有涉及。文献[3-4]指出了无人机在交流500 kV输电线路电磁场中的安全飞行距离，但对其他电压等级却很少说明。文献[5-7]对交流输电线路的电磁场进行了阐述，讨论了在不同的子导线分裂根数、相间距离、导线布置形式及线路对地距离下电磁场的分布情况，但并未将无人机引入该模型中。

本文利用ANSYS软件，对安徽境内±500 kV及以上电压等级直流输电线路的电磁场进行建模和仿真，详细分析无人机在该电磁场所受到的影响，得出无人机在巡检过程中需保持的安全距离。

1 模型建立

1.1 杆塔模型

此仿真主要针对±500 kV及以上直流输电线路，其杆塔、绝缘子、导线等参数均与设计图纸保持一致。

1.2 无人机模型

无人机模型参照目前主流的大疆M200系列，具体参数如表1所示。

表1 无人机参数

其中，除机身内部、电机、GPS天线等部位为金属材料外，无人机其他部位均由绝缘材料构成，其整体示意图如图1所示。

图1 无人机整体示意图

2 仿真

由文献[8-9]可知，无人机在进行输电线路巡检时，不受电磁场干扰的临界值约为1×104V/m及240 μT。

该以此参数为基础，研究无人机在超特高压直流输电线路中所受电磁场影响。

2.1 ±500 kV葛南/林枫线仿真

±500 kV葛南/林枫线1362号/1120号部分参数如表2所示。

表2 ±500 kV葛南/林枫线参数

2.1.1 电场仿真

对±500 kV葛南/林枫线1362号/1120号进行电场仿真，其结果如图2所示。

图2 ±500 kV葛南/林枫线1362号/1120号电场仿真局部放大图

由图2可知，在分裂导线内部，由于电场相互抵消，强度几乎为0。在分裂导线外部，杆塔对电场强度分布的影响较为显著。其中，导线外侧衰减幅度较大，导线内侧和上、下侧衰减幅度较小，导线上侧横担外部甚至有增强的趋势。

该电场强度的数值曲线如图3所示。

图3 ±500 kV葛南/林枫线1362号/1120号电场仿真数值曲线图

由图3可知，电场强度最大值出现在分裂导线内侧，分裂导线外侧的极值较内侧稍小，电场强度在分裂导线内部几乎为0。在导线外部，电场强度迅速衰减，其中导线外侧衰减幅度较内侧快。电场强度1×104V/m出现在距离分裂导线外侧约7.35 m处。

无人机在导线外侧所受电场的影响如图4所示。

图4 无人机在导线外侧所受电场的影响

由图4可知，在此电场中无人机机臂外部及螺旋桨外侧所受电场影响较大，而机身及螺旋桨内侧所受电场影响较小，其中靠近导线侧受到的影响较为显著。除此之外，无人机的脚架、GPS天线以及机身的一些尖锐部位也会受到电场的影响。

2.1.2 磁场仿真

±500 kV葛南/林枫线输送容量3000 MW，其电流为6 kA，每根子导线电流为1.5 kA，磁场仿真结果如图5所示。

图5 ±500 kV葛南/林枫线1362号/1120号磁场仿真局部放大图

由图5可知，在分裂导线内部，由于磁场相互抵消，强度几乎为0。在分裂导线外部，杆塔对磁场强度分布的影响较为显著。其中，导线内侧衰减幅度最大，上、下侧衰减幅度次之，外侧衰减幅度最小，导线上侧横担外部甚至有增强的趋势。

该磁场强度的数值曲线图，如图6所示。

图6 ±500 kV葛南/林枫线1362号/1120号磁场仿真数值曲线图

由图6可知，磁场强度最大值出现在分裂导线外侧，分裂导线内侧的极值较外侧稍小，磁场强度在分裂导线内部几乎为0。在导线外部，磁场强度迅速衰减，其中导线内侧衰减幅度较外侧快。

无人机在导线外侧所受磁场的影响如图7所示。

图7 无人机在导线外侧所受磁场的影响

由图7可知，在此磁场中无人机机臂外侧、机身外侧与机臂连接处以及电机部位所受磁场影响较大，其他部位所受磁场影响较小，其中靠近导线侧受到的影响较为显著。

2.2 ±800 kV锦苏线仿真

±800 kV锦苏线3219号部分参数如表3所示。

表3 ±800 kV锦苏线参数

2.2.1 电场仿真

对±800 kV锦苏线3219号进行电场仿真，其结果如图8所示。

图8 ±800 kV锦苏线3219号电场仿真局部放大图

由图8可知，在分裂导线内部，由于电场相互抵消，电场强度几乎为0。在分裂导线外部，杆塔对电场强度分布的影响较为显著。其中，导线外侧衰减幅度较大，导线内侧和上侧衰减幅度较小，导线上侧横担外部甚至有增强的趋势。由于此线路为单回线路，因此导线下侧另一回线路的横担对该导线电场分布的影响并不存在。

该电场强度的数值曲线如图9所示。

图9 ±800 kV锦苏线3219号电场仿真数值曲线图

由图9可知，电场强度最大值出现在分裂导线内侧，分裂导线外侧的极值较内侧稍小，电场强度在分裂导线内部几乎为0。在导线外部，电场强度迅速衰减，其中导线外侧衰减幅度较内侧快。

无人机在导线内侧所受电场的影响如图10所示。

图10 无人机在导线内侧所受电场的影响

由图10可知，在此电场中无人机机臂外部及螺旋桨外侧所受电场影响较大，而机身及螺旋桨内侧所受电场影响较小，其中靠近导线侧受到的影响较为显著。除此之外，无人机的脚架、GPS天线以及机身的一些尖锐部位也会受到电场的影响。

2.2.2 磁场仿真

±800 kV 锦苏线输送容量8 000 MW，其电流为10 kA，每根子导线电流约为1.67 kA，磁场仿真结果如图11所示。

图11 ±800 kV锦苏线3219号磁场仿真局部放大图

由图11可知，在分裂导线内部，由于磁场相互抵消，磁场强度几乎为0。在分裂导线外部，杆塔对磁场强度分布的影响较为显著。其中，导线上侧和内侧衰减幅度较大，下侧和外侧衰减幅度较小，导线上侧横担外部甚至有增强的趋势。由于此线路为单回线路，所以导线下侧另一回线路的横担对该导线磁场分布的影响并不存在。

该磁场强度的数值曲线如图12所示。

图12 ±800 kV锦苏线3219号磁场仿真数值曲线图

由图12可知，磁场强度最大值出现在分裂导线外侧，分裂导线内侧的极值较外侧稍小，磁场强度在分裂导线内部几乎为0。在导线外部，磁场强度迅速衰减，其中导线内侧衰减幅度较外侧快。磁场强度240 μT出现在距离分裂导线外侧约15.2 m处。

无人机在导线内侧所受磁场的影响如图13所示。

图13 无人机在导线内侧所受磁场的影响

由图13可知，在此磁场中无人机机臂外侧、机身外侧与机臂连接处以及电机部位所受磁场影响较大，其他部位所受磁场影响较小，其中靠近导线侧受到的影响较为显著。

2.3 ±1 100 kV吉泉线仿真

±1 100 kV吉泉线5606号部分参数如表4所示。

表4 ±1100 kV吉泉线参数

2.3.1 电场仿真

对±1 100 kV吉泉线5606号进行电场仿真，其结果如图14所示。

图14 ±1 100 kV吉泉线5606号电场仿真局部放大图

由图14可知，在分裂导线内部，由于电场相互抵消，电场强度几乎为0。在分裂导线外部，杆塔对电场强度分布的影响较为显著。其中导线外侧衰减幅度较大，导线内侧和上侧衰减幅度较小，导线上侧横担外部甚至有增强的趋势。

该电场强度的数值曲线如图15所示。

图15 ±1 100 kV吉泉线5606号电场仿真数值曲线图

由图15可知，电场强度最大值出现在分裂导线内侧，分裂导线外侧的极值较内侧稍小，电场强度在分裂导线内部几乎为0。在导线外部，电场强度迅速衰减，其中导线外侧衰减幅度较内侧快。

无人机在导线下侧所受电场的影响如图16所示。

图16 无人机在导线下侧所受电场的影响

由图16可知，无人机在导线下侧所受电场的影响与在导线外侧和内侧有显著不同。其中，机身尖锐处、脚架下端、GPS天线顶端及电机上、下侧受到的影响较为显著。

2.3.2 磁场仿真

±1 100 kV吉泉线输送容量12 000 MW，则其电流约为11 kA，每根子导线电流约为1.36 kA，磁场仿真结果如图17所示。

图17 ±1 100 kV吉泉线5606号磁场仿真局部放大图

由图17可知，在分裂导线内部，由于磁场相互抵消，磁场强度几乎为0。在分裂导线外部，杆塔对磁场强度分布的影响较为显著。其中，导线上侧和内侧衰减幅度较大，下侧和外侧衰减幅度较小，导线上侧横担外部甚至有增强的趋势。

该磁场强度的数值曲线如图18所示。

图18 ±1 100 kV吉泉线5606号磁场仿真数值曲线图

由图18可知，磁场强度最大值出现在分裂导线外侧，分裂导线内侧的极值较外侧稍小，磁场强度在分裂导线内部几乎为0。在导线外部，磁场强度迅速衰减，其中导线内侧衰减幅度较外侧快。

无人机在导线下侧所受磁场的影响如图19所示。

图19 无人机在导线下侧所受磁场的影响

由图19可知，无人机在导线下侧所受磁场的影响与在导线外侧和内侧有显著不同。其中，机身及电机受到的影响最为显著，机臂外侧也会受到较为强烈的磁场影响[10-12]。

3 结语

对安徽境内3种电压等级的直流输电线路电磁场进行了建模和仿真，分析了电场和磁场的分布情况以及无人机在导线周围3处不同位置所受到的影响，确定了飞行中需保持的安全距离，主要结论如下。

(1)无人机在3种电压等级下电场和磁场的的安全距离如表5所示。

表5 无人机安全距离 m

由表5可知，无人机的安全距离需由电场和磁场综合判断。本文所提供的安全距离是在线路全电压、全电流的基础上进行分析，故数值较大。现场作业时，无人机的实际安全距离还需由线路的运行情况决定。

(2)无人机在导线外侧和内侧所受电磁场的影响较为相似，但在导线下侧所受电磁场的影响却与外侧和内侧截然不同。现场作业在保证电磁场安全距离的同时，还需注意无人机相对于导线所处的位置。

(3)受客观因素制约，本文所探讨的无人机耐受电磁场强度仅是参考现有的研究成果。对于市场上不同型号无人机的实际耐受值，还需通过实验加以确定[13-15]。