输电线路覆盖区域广,穿越区域地形复杂,自然环境恶劣,因此输电线路运维水平要求越来越

高[1]。由于输电线路设备长期暴露在野外,为掌握线路的运行状况,并及时排除线路故障、缺陷或潜在隐患,每年都要投入大量人力、物力进行线路巡检。输电线路传统巡检方式为人工巡检,存在特殊地形和气象条件下巡检困难、不易发现瓶口及以上部位缺陷、巡检效率低等问题[2-3]。相比之下,无人机具有受地形限制小、成本低、操作性和灵活性好、塔头巡检效果好、巡检效率高等特点[4-5],可通过自主飞行或手动控制的方式,对输电线路进行图像或视频信息采集[6],直观监测输电线路设备运行情况,提高巡检作业的质量和效率。

目前输电线路无人机巡检作业安全距离尚无定量化数据支撑[7],仍停留在作业人员主观经验判断的阶段,即作业人员在确保不出事故（如无人机撞线、失控等）的前提下抵近杆塔或导地线,利用地面站和遥控手柄控制任务设备对巡检目标进行巡视和检查[8]。该方式可有效减少意外事故发生,但难以最大限度发挥无人机灵巧、效率高的优势,因而需开展相关研究工作,确定典型机型巡检作业安全距离,得出定量化精确结论。

鉴于以上因素,本文对±500 kV输电线路直线塔无人机巡检作业电磁场进行仿真分析,研究了其大小和分布状况,然后利用无人机模型和真型无人机巡检系统开展了安全距离试验,得到±500 kV输电线路直线塔无人机巡检作业最小安全距离。

利用ANSYS有限元法建立±500 kV输电线路直线塔模型。直线塔选用典型的5Z2-Z1塔,呼高42 m,水平档距420 m。杆塔尺寸图和1/2对称简化模型见图1。

导线采用4×LGJ-720/50钢芯铝绞线,直径为33.6 mm,分裂间距为400 mm,分裂股数为四分裂,采用十二棱柱的方式排列;地线采用JLB-150铝包钢绞线。绝缘子为500 kV复合绝缘子,采用V型串布置,其结构高度为6.2 m,两端装设均压环。复合绝缘子伞裙的介电常数取3.5。对金具结构进行简化处理,建模时统一采用长方体代替。

根据上述结构,在ANSYS中建立了±500 kV输电线路直线塔模型,绝缘子、金具、导线、杆塔等均按实际尺寸搭建。

仿真时,在模型中的两极导线上分别施加+500 kV和-500 kV的运行电压,得到±500 kV输电线路直线塔空间电场强度分布如图2所示[9-12]。

由图2可知,±500 kV输电线路杆塔空间电场呈对称分布,强电场集中于高压端电极附近;杆塔

图1 ±500 kV输电线路直线塔模型 Fig.1 Simulation models of a ±500 kV DC transmission lines

图2 ±500 kV输电线路直线塔空间电场分布仿真 Fig.2 Electric field distribution of a ±500 kV DC transmission lines

对空间电场分布影响显著,靠近塔身处电场强度衰减变缓,个别部位甚至有增强趋势[13]。

无人机接近输电线路巡检作业时,旋翼、脚架以及机身内部电子元器件对线路周围的空间电场分布将产生一定影响,特别是旋翼和脚架,外形为棒状尖端,易发生电荷聚集和场强畸变现象。将无人机模型置于图2所示仿真模型中。无人机模型材质为碳纤维,长1.55 m、宽1.55 m、高0.57 m,机臂前端和脚架为金属导体（机臂前端为电机,脚架材质为碳管）,如图3所示。

以无人机位于导线下方为例,杆塔空间电场分布见图4。由图4可知,当无人机位于导线下方时,对电场影响较为明显,机身、旋翼和脚架处均有较大幅度的增强,尤其是脚架处,电场增强明显。

分别选取图4中导线内侧、外侧和下方0.5、1.0、1.5、3.0和5.0 m处,其电场强度如表1所示。

图3 无人机仿真模型 Fig.3 The UAV model in simulation

图4 含无人机模型空间电场分布仿真 Fig.4 Electric field distribution with a UAV

表1 ±500 kV输电线路直线塔空间电场分布（含无人机模型） Table 1 Spatial electric field distribution of intermediate tower of ±500 kV transmission line(with a UAV)

由表1可知,每极导线表面处电场强度最大,可达160 kV/m以上。以导线为中心向外,电场强度逐渐减小：导线外侧衰减较快,1.0 m处衰减至256 kV/m,1.5 m处衰减至150 kV/m,至3.0 m处衰减为99 kV/m,之后慢慢衰减至0;导线内侧衰减较慢,1.0 m处衰减至302 kV/m,1.5 m处仍达到278 kV/m,至3.0 m处衰减为149 kV/m;导线下方衰减速度介于外侧和内侧之间。

输电线路杆塔均做有接地处理,其电位为0。取无人机位于导线内侧、下方和外侧距导线距离相同处,如图5所示。

无人机分别位于图5中1、2、3处（内侧、下方、外侧）,距导线距离均为d。根据电容公式(1)可得

图5 不同位置处等效电容 Fig.5 Equivalent capacitor at different locations

式中：ɛ为相对介电常数;S为电容两极间的面积;k为静电力常量。

无人机在以上3处与导线的等效电容均相同。考虑无人机与零电位的等效电容：在位置1处,无人机与杆塔塔身构成等效电容C1,距离为d1;在位置2处,无人机与大地构成等效电容C2,距离为d2;在位置3处,无人机与无限远处构成等效电容C3,距离为d3。由于d1C3。导线与零电位之间的电压,相当于被无人机与导线的等效电容C、无人机与零电位的等效电容C1（C2或C3）串联分压。因而,在点1、2、3处,电压大小依次为

电场强度正比于电压,故三处电场大小依次为

因此,在距导线相同距离处,导线内侧场强最大,下方次之,外侧最小[14-17]。一般情况下,无人机穿塔作业（内侧）时,危险程度较高。

一般而言,典型棒-板间隙的击穿场强为300~350 kV/m[18-19]。无人机巡检作业时,旋翼、脚架同杆塔构成的间隙类似于棒-板间隙,因而其周围空间电场强度应低于该临界击穿场强值,且应留有一定裕度,避免电子元器件起晕或拉弧导致性能降低或丢失,造成坠机事件。结合表1仿真结果,无人机理论最小安全距离应≥1.5 m,实际数值需结合试验研究确定。

磁场仿真模型与电场仿真中所采用的模型相同。我国±500 kV直流输电线路的输送容量一般为1 000~2 000 MW,输送电流为2~4 kA。本仿真线路两极施加电流为3 kA。其磁场分布如图6所示。

由图6可知,±500 kV直流输电线路磁场分布整体上与电场分布类似,均为以导线为中心向外辐射的不规则圆。两者的区别是：电场分布受杆塔影响较大,靠近塔身处畸变明显,尤以横担两侧外串挂点处为主;磁场分布则较均匀、完整,基本不受塔身影响,横担外侧挂点处未出现畸变现象。

将相同尺寸和材质的无人机模型置于图6所示仿真模型中。以无人机位于导线下方为例,得到仿真结果如图7所示。

由图7可知,无人机对导线周围的空间磁场分布几乎无影响。这是由于无人机本身并没有导磁率较大的材料,主要以碳纤维为主,不易被磁化,故强磁场通过无人机时,对其影响微乎其微。

分别选取图7中导线内侧、外侧和下方0.5、1.0、1.5、3.0和5.0 m处,其磁感应强度见表2。

由表2可知,与导线外侧和下方相比,导线内侧磁场强度最大,但差距不明显。无人机采用磁力计导航,一般情况下,磁力计可抵抗3~4倍磁场强度的磁干扰,我国地磁感应强度为50~60 μT[20]。在巡检作业过程中,当距离输电线路3.0 m时,线路电流产生的磁感应强度约为220 μT,无人机磁力计将受到干扰,影响正常作业。根据安培定则,通电直导线产生的磁场分布为环绕导线的同心圆,越靠近导线磁场强度越大。因此,地磁场和电流磁场合成的总磁场方向指向导线,宏观上表现为无人机被导线吸附。

根据毕奥-沙伐定律,通有电流为I的载流回路在空间产生的磁感应强度

\(B\text{=}\frac{\mu I}{2\mathrm{ }\!\!\pi\!\!\text{ }\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}}}\) (4)

式中：μ为介质磁导率;I为载流回路中的电流;x和y分别为空间中某点距离导线的水平距离和垂直距离。

根据式(4),导线周围空间某点的磁场强度正比于导线内电流,反比于该点与导线的距离。根据仿真分析,当输送容量为1 500 MW,即电流为3 kA时,无人机巡检最小安全距离为3.0 m。若电流为I（单位为kA）,则最小安全距离d（单位为m）为

d=I(5)

为确定±500 kV输电线路直线塔无人机巡检最小安全距离,在仿真基础上,搭建图8所示试验平

图6 ±500 kV输电线路直线塔空间磁场分布仿真 Fig.6 Magnetic field distribution of a ±500 kV DC transmission lines

图7 含无人机仿真空间磁场分布仿真 Fig.7 Magnetic field distribution with a UAV

表2 ±500 kV输电线路直线塔空间磁场分布（考虑无人机） Table 2 Spatial magnetic field distribution of intermediate tower of ±500 kV transmission line with a UAV

台,开展无人机操控性能安全距离试验和间隙放电安全距离试验,确定最小安全距离。

试验所用真型无人机（以下简称“真型机”）型号为EWZ-S8,共轴反桨八旋翼型式,长1.55 m、宽1.55 m、高0.57 m,材质为碳纤维,悬停稳定性好,抗电磁干扰性能达到《电磁兼容试验和测量技术》（GB/T17626）规定的A级[21]。

试验所用无人机模型（以下简称“模型机”）材质为碳纤维,各部位和结构均按真型机等比例制作,且安装有电机、芯片等电子元器件,模拟真型机状态。模型机通过绝缘支撑杆和绝缘细绳固定在模拟导线周围。

操控性能安全距离试验步骤如下：

①将真型机放置在地面,按正常工作要求进行布置和接线,通电,完成自检。

②控制真型机以较慢速度垂直起飞,至导线周围指定位置处稳定悬停,记录无人机位置及其与导线距离L1、与杆塔塔身距离S。

③将线路带电后,逐渐升高电压直至±500 kV,转动任务设备并拍照,观察测控数据传输是否出现中断或丢失、真型机对操控信号有无响应、机身是否发生放电现象。

④调整真型机位置及其与导线距离L1,重复步骤②~③,记录试验现象。

间隙放电安全距离试验步骤如下：

①将模型机布置于导线周围指定位置,机身平稳,记录模型机位置及其与导线的距离L2。

②将线路带电,逐渐升高电压至±500 kV,观察模型机是否发生放电,并记录试验现象。

③调整模型机位置及其与导线距离L2,记录试验现象。

试验地点为国家电网公司特高压交流试验基地,试验时天气晴天,气压1.03×105 Pa,干温27 ℃,湿温23.4 ℃。试验条件与仿真时考虑的海拔、气温

图8 无人机安全距离试验平台 Fig.8 Test platform for safety distance of UAV

修正因素基本一致。

试验时,因直线塔双回线路的电磁场是以杆塔中心切面为轴对称分布的,因此模拟杆塔和导线采用单回布置,即将1根模拟导线布置在杆塔的相应边相进行试验。图9为紫外成像仪捕捉到的模型机放电现象。

图9(a)为无人机在导线内侧的试验现象,其中模型机距导线中心距离1.5 m,真型机距导线中心距离5.0 m。由图9(a)可知,模型机旋翼臂前端在±500 kV作用下持续闪络放电,真型机脚架处出现零星放电,测控数据传输正常。

图9(b)为无人机在导线外侧试验现象,模型机位于导线外侧斜1.5 m,真型机距离导线中心距离5.0 m。此时两架飞机脚架处均持续放电,但未形成闪络,测控数据传输正常。

图9(c)为无人机在导线下方的试验现象,模型机位于导线下方1.5 m,真型机距离导线中心距离

图9 安全距离试验现象 Fig.9 Test phenomenon for safety distance of UAV

侧时放电显著,未形成闪络;真型机旋翼臂前端零星放电,测控数据传输正常。图10为无人机地面站测控数据。

图10(a)为真型机在距导线中心3 m时,地面站测控数据传输界面。该处由仿真计算得出的电场强度为149 kV/m。此时,云台开始抖动,任务设备无法通过遥控手柄回到中间位置,图像传输出现条纹,对无人机正常巡检作业产生了一定影响。

图10(b)为真型机在距导线中心2.5 m时,地面站测控数据传输界面。由仿真计算得出,该处磁场强度为225 μT。此时,云台剧烈抖动,图像传输丢失,无人机朝向导线侧缓慢漂移,已无法正常开展巡检作业。

根据操控性能安全距离试验,当真型机距离±500 kV输电线路5.0 m时,脚架或旋翼等尖端部位出现零星或持续放电现象;距离3.0 m时,云台开始抖动,任务设备无法通过遥控手柄回中,图像传输出现条纹;距离2.5 m时,云台剧烈抖动,图像传输丢失,无人机朝向导线侧缓慢漂移,无法正常开展巡检作业。根据仿真结果,导线周围3.0 m处磁场强度约为220 μT,2.5 m处约为330 μT,因而此时导线中电流产生的磁场可干扰到无人机上电子元器件的正常工作,无人机发生操控性能异常和数据传输异常等现象。

根据间隙放电安全距离试验,当模型机位于±500 kV输电线路杆塔内侧1.5 m时,旋翼臂前端闪络放电;位于外侧1.5 m时,脚架处持续放电,但未形成闪络;位于下方1.5 m时,脚架处持续放电,且较在导线外侧时更加明显。由理论分析可知,当模型机在导线内侧时,电场强度最大,易产生持续放电和闪络。当在导线内侧1.5 m时,电场强度约为278 kV/m,此时无人机旋翼臂前端放电较其他部位显著,发生闪络放电。而在其他位置和距离处,模型机所处电场强度远未达到空气间隙的击穿场强,因而只产生零星或持续的放电,未形成闪络。

对比试验研究与仿真分析：试验得出开始影响和显著影响无人机安全作业的距离分别为1.5 m和3.0 m,即最小安全距离为3.0 m;结合仿真结果,当无人机位于导线内侧3.0 m和1.5 m处时,周围空间电场强度分别为149 kV/m和278 kV/m,其中278 kV/m接近典型棒-板空气间隙的击穿场强,而

图10 无人机地面站测控数据图像 Fig.10 Data transmission on a ground control station

149 kV/m约为击穿场强的一半,与理论研究一致。操控性能主要受磁场影响,试验结果较仿真结果小（仿真分析的安全距离为3 m,试验时可飞至2.5 m）,主要原因在于试验施加的电流为空载电流,其产生的磁场较仿真时小,故无人机可在更接近导线处安全飞行。

1）对±500 kV输电线路直线塔做空间电磁场仿真,并分析无人机存在与否对电磁场分布特征的影响。结果表明,无人机在杆塔周围空间开展巡检作业时,将对电场分布产生较明显的影响,但对磁场的影响微弱。

2）从操控性能安全距离试验得出,开始影响无人机安全作业的距离为3.0 m。从间隙放电安全距离试验得出,显著影响（持续击穿放电）无人机安全作业的距离为1.5 m。因此,无人机巡检最小安全距离为3.0 m。

3）通过仿真分析与试验研究,仅考虑输送容量为1 500 MW时,±500 kV输电线路直线塔无人机巡检作业的最小安全距离为3.0 m。其余输送容量下的最小安全距离参照式(5)计算。

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