500 kV直流输电线路直线塔无人机巡检安全距离仿真与试验研究

罗 刚，胡龙江，张山河，何相升，张 灿

（国网湖北省电力有限公司 超高压公司，湖北 襄樊 441000）

0 引 言

输电线路的覆盖面很大，跨越不同地区恶劣的地形和自然环境，因此对输电线路的运行管理有着高要求。线路设备长期处于野外，为了准确了解线路的工作状态，及时排除线路故障、缺陷或潜在危险，需要投入大量人力物力巡视线路。传统的电力线路巡检方法是人工巡检，在特定的地形和天气情况下巡检困难，不易发现瓶口以上部位的缺陷，巡检效率低下。与之相比，无人机巡检受地形限制较小，成本低，可操作性和灵活性较强，塔头巡检效果好，巡检效率高，可以实现自动或人工操作，实时监控输电线路的影像和视频数据，改进巡视工作的质量与效率。目前，无人机巡检在输电线路上的安全距离还没有定量的数据支持，仍停留在操作人员的主观判断阶段，即在保证无人机不会撞线和失控等情况下接近杆塔或导地线，使用地面站和远程控制器来监控与检查被监测对象，有效降低事故的发生概率，但未充分利用无人机的灵活性和高效率等优势，因此有待开展无人机的相关研究，确定典型机型的安全距离，并给出量化的精确结论。

1 仿真模型

采用ANSYS软件对直流输电线路进行建模。采用5Z2—Z1型直塔，塔身高度为42 m，横向挡位无人机巡检420 m。柱塔的大小和1/2的对称简化模型如图1所示。导线采用4XLGJ—720/50钢芯铝绞线，直径为33.6 mm，分裂间隔为400 mm，分枝数目为4，并按12棱柱形排列。地线由JLB-150铝包钢绞合而成。该绝缘子为500 kV的复合绝缘子，结构高度为6.2 m，呈V形排列，在两端装有均压环。复合绝缘子伞裙的介电常数按3.5计算[1]。简化金属工具的结构，在模型中统一使用矩形件。基于以上结构，采用ANSYS软件构建500 kV输电线路的线塔模型，其中绝缘子、金具、导线以及柱子等按实际尺寸建造。

图1 500 kV输电线路直线塔模型

2 仿真结果及分析

2.1 电场仿真

模拟时，将500 kV的工作电压加到模型中的2根极线上，得出500 kV输电线路线塔的空间电场强度分布如图2所示。在500 kV输电线路上，杆塔的空间电场是对称的。而在高电压的末端，电极周围有较强的电场。杆塔对空间电场的分布有明显影响，塔中附近的电场强度减弱较慢，甚至有加强的趋势。当无人机在输电线路附近巡视时，旋翼、脚架以及机体内部的电子元件会对导线附近的电场分布造成一定影响。该无人机模型由碳纤维制成，长为1.55 m，宽为1.55 m，高为0.57 m，机臂的前端和脚架是金属导线（机臂的前端是电动机，支架是碳管材料），仿真模型如图3所示。导线下面对电场的作用明显，机身、旋翼以及脚架等部位均得到了明显强化，尤其是脚架部位。不同位置的电场强度如表1所示。

图2 500 kV输电线路直线塔空间电场分布

图3 无人机仿真模型

表1 电场强度

从表1可以看出，在每个电极的表面，最大的电场强度可以达到160 kV/m。从导线的中心向外，电场强度呈递减趋势。1.0 m时，导线的衰减速度达到256 kV/m；1.5 m时，导线的衰减速度下降到150 kV/m；3.0 m时，导线的衰减速度下降到99 kV/m，并随着距离的扩大逐渐下降到0。输电线路的杆塔均接地，电势为0。将无人飞行器放置在导线内侧，下面和外侧导线之间的距离相同。

通常，典型棒-板间隙的击穿强度在300～350 kV/m。在无人机巡视过程中，旋翼、脚架以及杆塔之间的间隙与棒-板间的间隙相似，因此其周边的电场强度必须小于临界击穿强度，并预留足够的余量，以防电子元器件产生眩晕或拉弧导致性能下降而发生坠机事件。根据模拟计算的结果，结合实验研究，无人机的理论最小安全距离应在1.5 m以上。

2.2 磁场仿真

磁场模拟的模式和电场模拟的模式一致。我国500 kV直流输电线路的传输能力通常在1 000～2 000 MW，传输电流在2～4 kA，模拟电路的两端均加有3 kA的电流。500 kV直流输电线路的磁场分布总体上与电场分布相似，均为以电线为中心向外放射的不规则圆形。但是，电场分布主要受杆塔的影响，且在塔身附近存在明显的畸变，特别是在横梁两侧的外串线上[2]。磁场分布较为均匀且完整，基本不会受到塔的影响，在横梁外侧悬挂点附近没有发生变形。因为无人机没有高磁导率的材料，所以无人驾驶飞机对导线附近的空间磁场分布没有明显影响。无人机大部分采用碳纤维材料，很难被磁化。在强大的磁场下，无人机性能受到的影响较小。在导线内侧、外侧以及下方0.5 m、1.0 m、1.5 m、3.0 m以及5.0 m的磁场感应强度如表2所示。从表2可以看出，在金属丝内部的磁场强度比金属丝的外部和下部略大。无人机使用磁力计导航，通常可以承受3～4倍的磁场干扰。国内的电磁感应强度在50～60 μT。巡视工作中，在距离传输线3.0 m处，导线电流引起的磁场感应强度约为220 μT，对无人机磁力仪工作造成干扰。按照安培定律，直线上的电流会形成一个围绕着金属丝的同心圆磁场，离金属丝越近，磁场越强。地磁和电流的综合作用指向导线，被电线所吸引。

大黄鱼体色按照国际发光照明委员会CIE（CIE,1976）的规定测定，L*代表亮度值、a*代表红色值、b*代表黄色值。使用CR-400型色彩色差计（柯尼卡-美能达，日本）于夜间20:00至24:00进行测定，避免外源性光照对大黄鱼体色的影响。每个网箱随机取5尾鱼，在背部和腹部皮肤分别选取2个点测定体色值，尽量保证检测部位的一致性。

表2 磁场感应强度

3 实验研究

为确定无人机在500 kV输电线路上的最低安全距离，模拟建立测试平台，测试无人机操纵性能的安全距离和间隙放电的安全距离，测定其最小安全距离。使用EWZ—S8型的真型无人机（以下简称真型机），采用共轴反桨八旋翼，长度为1.55 m，宽为1.55 m，高为0.57 m，材质为碳纤维，悬停稳定性好，抗电磁干扰性能优良。

控制性能的安全距离测试程序：（1）将真型机器置于地上，按照正常的操作需要布线和接上电源，并进行自检；（2）将模拟机以低速垂直起飞，在导线附近的规定地点平稳悬挂，记录无人机的位置、距离L1以及塔的距离；（3）在电线充电后逐步提高电压，直到500 kV，旋转工作装置并拍照，观察是否有中断、丢失、真机是否响应控制信号以及机身是否有放电等；（4）调节真型机器的位置和L1，并重复中间两步，记录实验现象。

间隙放电安全距离测试程序：（1）在金属丝四周设置模具机，使其平直，记录模型架的位置和与金属丝的间距L2；（2）将导线充电，逐步提高到500 kV，观察样机有无放电，记录测试现象；（3）调节模型位置和L2的位置，记录测试现象。

4 实验结果

通过测试真空放电的安全距离发现：在500 kV输电线路杆塔内1.5 m处，旋翼臂前端存在闪络放电现象；在距外侧1.5 m处，足部连续放电，但没有发生闪络现象；在足部1.5 m以下，足部的放电仍在继续，且比在外部更显著。在金属丝的内侧，模具的电场强度最大，易发生连续的放电和闪络。在距电线1.5 m处，电场强度为278 kV/m左右，旋翼臂前端的放电现象明显，并出现了闪络放电现象。在其他位置和距离较近的情况下，因为模型的电场强度远远小于气隙的击穿，所以只出现断断续续的放电，没有形成闪络。通过对比实验和模拟计算，结果表明初始效应和明显影响无人机安全操作的距离为1.5 m，最小安全距离为3.0 m。模拟计算表明，在3 m和1.5 m范围内，无人飞行器的周边空间电场强度为149 kV/m和278 kV/m，其中278 kV/m接近于典型的棒-板气隙，而149 kV/m为278 kV/m时击穿磁场强度的一半。

5 结 论

以500 kV线塔为例，模拟空间电磁场，分析其分布特性。研究发现，无人机在杆塔周边巡视时，电场分布会受到很大影响，但对其磁场的影响较小。通过对无人机操纵安全距离的测试发现，对无人机安全运行影响最大的范围是3.0 m。通过对间隙放电安全距离的测试发现，无人机的安全操作距离（连续击穿）为1.5 m。因此，无人侦察机的最小安全距离是3.0 m。