直流输电线路中无人机巡检安全距离电场仿真分析

吴 军,刘 壮,吴向东,杜 勇,毛晓坡

（1.国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050；2.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074；3.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；4.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

直流输电线路中无人机巡检安全距离电场仿真分析

吴 军1,刘 壮2,吴向东3,杜 勇1,毛晓坡4

（1.国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050；2.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074；3.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；4.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

随着无人机在输电线路巡检工作中的大量应用，针对不同型号无人机在巡检过程中，出现巡检系统操控性明显降低，影响作业安全，特别是在直流线路附近时，此现象更为明显。本文仅从电场角度分析，通过建立直流输电线路模型，进行不同直流电压下直流输电线路中无人机巡检安全距离的电场仿真研究，并得出仿真结论。

直流输电；无人机；巡检；安全距离

0 引言

运行电压对无人机巡检操控的影响，主要表现为电磁干扰。其中，电场主要影响空间电荷和离子的分布，对无人机表现为吸附作用；磁场干扰机载磁力计，扰乱无人机的导航系统[1-3]。工频条件下，交流电的电磁场呈现交变特性，其电场只在导线附近极化形成空间电荷或离子流，更远距离的影响很小，而磁场在一个周期内的变化量为零（与交流电流正相关），故对无人机的影响不是特别显著。直流条件下，导线中通入的是恒定电流，其电场在导线周围极化后产生的是恒定属性的电荷或离子流，因而电场强度相对较大，影响范围更广，同时，恒定电流产生恒定磁场，施加到机载磁力计上，相当于添加了一个恒定干扰源，因此对无人机的巡检操控影响较大[4-6]。本文利用ANSYS软件，对不同电压等级的直流输电线路进行电场仿真分析，且仅针对正极性输电线路进行电场强度分布仿真。

1 仿真模型

仿真主要针对±500 kV及以上直流输电线路，其电场强度大，对无人机巡检操控影响较为明显。对单回输电线路和双回线路均进行了仿真，且根据不同电压等级线路实际运行情况，结合电力工程设计标准，设置了相应的导线型号、分裂方式和对地高度。以±660 kV单回输电线路为例，其仿真模型和局部放大图如图1所示。截取40 m长的一段导线作为研究对象，将其置于三维坐标系内，便于观察电场的空间分布特性。整个观测区间为导线周围30 m范围，基本涵盖了无人机巡检作业正常区域。导线型号为LGJ-630/45，直径33.6 mm，分裂间距450 mm，分裂股数为四分裂，采用十二棱柱的方式排列；导线长度为40 m，离地高度18 m，带+660 kV电压；大地模型为导线下方40 m×40 m×1 cm的区域。观察电场强度分布时，将以导线为中心，做一个半径15 m的圆，以此来获取各点的场强相对大小和绝对数值。

图1 ±660 kV单回输电线路仿真模型及局部放大图Fig.1 Simulation model and partial magnification of± 660 kV single-circuit transmission line

2 不同电压等级电场仿真

一般而言，直流输电线路主要电压等级为±500 kV及以上，其中西北地区含±660 kV，其余地区多为±500 kV和±800 kV。

2.1 ±500 kV单回输电线路电场仿真

首先对±500 kV单回输电线路进行模拟仿真，导线型号为LGJ-300/40，直径23.9 mm，分裂间距400 mm，分裂股数为四分裂，采用十二棱柱的方式排列；导线长度为30 m，离地高度15 m；大地模型为导线下方30 m×30 m×1 cm的区域。导线周围空间场强分布如图2所示，其中图2（a）为导线周围半径15 m的圆形区域电场强度分布图，图2（b）为导线附近场强分布局部放大图。

由图2可知，单回输电线路分裂导线间的区域，电场相互抵消，强度几乎为0，导线表面的电场强度最大，可达400 kV/m以上。以导线为中心向外辐射，电场强度逐渐减小：导线外围30 cm处衰减至200 kV/m，60 cm衰减至100 kV/m，至2 m处衰减为30 kV/m，之后慢慢衰减至0。

图2 ±500 kV单回输电线路空间电场强度分布及其放大图Fig.2 ±500 kV single return transmission line space electric field intensity distribution and its enlarged view

需要说明的是，导线水平方向外侧和正下方的电场强度，衰减幅度不同。在仿真中，分别选取导线外侧和下方3 m、5 m、10 m和15 m处进行测量，其电场强度如表1所示。

表1 ±500 kV单回输电线路空间电场分布Tab.1 330 kV single return transmission line space electric field distribution

由表1可知，以导线为中心的10 m范围内，导线下方的电场强度高于导线侧面，但在接近地面处，电场畸变严重，场强快速衰减接近0值，因而侧面场强会高于下方场强。也即正常情况下，无人机在导线下方穿线或穿塔作业时，较其在导线侧面作业更危险，因而建议，在保证工作质量的前提下，尽量在导线侧面开展巡检工作。

2.2 ±500 kV同塔双回输电线路电场仿真

±500 kV同塔双回输电线路仿真模型如图3。导线型号为LGJ-300/40，直径23.9 mm，分裂间距400 mm，分裂股数为四分裂，采用十二棱柱的方式排列；导线长度为30 m，离地高度15 m，两回导线间的距离为7.5 m；大地模型为导线下方30 m×30 m×1 cm的区域。

图3 ±500 kV同塔双回输电线路仿真模型及局部放大图Fig.3 Simulation model and partial magnification of±500 kV double-circuit transmission line on the same tower

导线周围空间场强分布如图4所示，其中图（a）为导线周围半径15 m的圆形区域电场强度分布图，图（b）为导线附近场强分布局部放大图。

图4 ±500 kV同塔双回输电线路空间电场强度分布及其放大图Fig.4 Distribution of spatial electric field intensity and its enlarged view of±500 kV double-circuit transmission line on the same tower

由图4可知，两回导线附近的电场强度呈哑铃状分布，导线正中间处场强相互抵消为0。每回导线表面场强最大，可达60 kV/m以上，分布大致和单回输电线路相似；不同点在于，双回线路导线外围从3 m处开始，场强较单回输电线路的衰减更快，也即在导线的稍远距离处（3 m以外），双回线路的电场强度是更小的。同样选取个别位置点进行测量，得到这些点的电场强度如下表2所示。

表2 ±500 kV同塔双回输电线路空间电场分布Tab.2 ±500 kV double-circuit transmission lines on the same tower space electric field distribution

由表1和表2可知，±500 kV电压等级下，采用双回路的输电线路，导线较近空间内的电场强度比单回路输电线路的稍大，而在较远区域，由于双回线路电场相互抵消或干扰，其场强较单回输电线路的衰减更快，数值更小。

2.3 ±660 kV单回输电线路电场仿真

导线型号为LGJ-630/45，直径33.6 mm，分裂间距450 mm，分裂股数为四分裂，采用十二棱柱的方式排列；导线长度为40 m，离地高度18 m；大地模型为导线下方40 m×40 m×1 cm的区域。±660 kV单回输电线路电场强度仿真结果如图5。

图5 5±660 kV单回输电线路空间电场强度分布及其放大图Fig.5 ±660 kV single return transmission line space electric field intensity distribution and its enlarged view

对导线外侧和下方3 m、5 m、10 m和15 m处分别进行测量，其电场强度如表3所示。

表3 ±660 kV单回输电线路空间电场分布Tab.3 ±660 kV single return transmission line space electric field distribution

由表3可知，相比于±500 kV，±660 kV单回输电线路的电场强度更大，其空间各电场强均接近330 kV的两倍。在导线下方15 m接近地面处（即地表上方3 m处），电场强度仍高达14k V/m，远高于居民区电场强度不超过4 kV/m的要求。因此，无人机在对较高电压等级输电线路开展巡视检查时，应更注重安全性。

2.4 ±660 kV同塔双回输电线路电场仿真

±660 V同塔双回输电线路导线型号为LGJ-630/45，直径33.6 mm，分裂间距450 mm，分裂股数为四分裂，采用十二棱柱的方式排列；导线长度为40 m，离地高度18 m，两回导线间的距离为10 m；大地模型为导线下方40 m×40 m×1 cm的区域。导线周围空间场强分布如图6所示。

图6 ±660 kV同塔双回输电线路空间电场强度分布及其放大图Fig.6 Distribution of spatial electric field intensity and its enlarged view of±660 kV double-circuit transmission line on the same tower

由图6可知，±660 kV同塔双回输电线路空间电场强度分布整体上与±500 kV相似，区别在于两回线路中间部分的场强畸变程度不同，±660 kV线路更加均匀。在各点的电场强度如表4所示。

表4 ±660 kV同塔双回输电线路空间电场分布Tab.4 ±660 kV double-circuit transmission lines on the same tower space electric field distribution

由表2和表4可知，双回输电线路空间电场强度分布与电压等级的对应关系，类似于单回输电线路，在电压等级增高的条件下，空间各点的电场强度也以相应的幅度大致增强。

2.5 ±800 kV单回输电线路电场仿真

±800 kV单回输电线路仿真模型中导线型号为LGJ-630/45，直径33.6 mm，分裂间距400 mm，分裂股数为八分裂，采用十二棱柱的方式排列；导线长度为50 m，离地高度25 m；大地模型为导线下方50 m×50 m×1 cm的区域。

导线周围空间场强分布如图7所示，对导线外侧和下方3 m、5 m、10 m和15 m处分别进行测量，其电场强度如表5所示。

图7 ±800 kV单回输电线路空间电场强度分布及其放大图Fig.7 ±800 kV single return transmission line space electric field intensity distribution and its enlarged view

表5 ±800 kV单回输电线路空间电场分布Tab.5 ±800 kV single return transmission line space electric field distribution

由表3和表5可知，当单回输电线路电压等级从±6 600 kV升高至±800 kV时，空间内对应各点电场强度的增幅趋于平缓，表明随着电压等级的逐渐升高，导线周边的极化电荷或离子流趋于饱和，电场强度难以较大幅度增加，维持在某一较高水平。

2.6 ±800 kV同塔双回输电线路电场仿真

±800 kV同塔双回输电线路仿真模型中导线型号为LGJ-630/45，直径33.6 mm，分裂间距400 mm，分裂股数为四分裂，采用十二棱柱的方式排列；导线长度为40 m，离地高度15 m，两回导线间的距离为14 m；大地模型为导线下方50 m×50 m×1 cm的区域。导线周围空间场强分布如图8所示。对导线外侧和下方3 m、5 m、10 m和15 m处分别进行测量，其电场强度如表6所示。

图8 ±800 kV同塔双回输电线路空间电场强度分布及其放大图Fig.8 Distribution of spatial electric field intensity and its enlarged view of±800 kV double-circuit transmission line on the same tower

表6 ±800 kV同塔双回输电线路空间电场分布Tab.6 ±800kV double-circuit transmission lines on the same tower space electric field distribution

3 无人机巡检系统对直流电场的影响

无人机巡检系统靠近导线作业时，由于机体装有电机、脚架和电子元器件等导电体，尤其是脚架，属于棒状尖端，在电场中将产生严重畸变，大大增强该处电场强度。以±1 100 kV直流输电线路为例，对无人机在导线下方开展巡检作业进行仿真，无人机模型和仿真结果如图9所示。

图9 无人机对直流电场分布的影响Fig.9 The influence of UAV on direct current distribution

由图9可知，正极导线产生的电场迫使无人机中的电子发生极化效应，负电荷被吸引至导线端，正电荷则聚集在远离导线的无人机脚架上，形成尖端放电现象。因此，脚架处电场畸变严重，强度远较其它临近位置大。实际巡检作业过程中，操作人员应密切关注无人机的尖端部位，因这些部位最易发生放电闪络甚至击穿。

4 电场仿真结论分析

由以上仿真可知，直流输电线路为正极性时，随着电压等级的提升，线路周围空间内的电场强度也随之增强，增强幅度和电压等级提升的幅度大致相当。双回输电线路的电场强度较单回输电线路大，整体来看，同一电压等级前者比后者接近大30%～40%。

无论哪种输送方式，在接近地面时，电场强度均会产生畸变，快速降至极小值，但在地面上方3 m处时，仍有较大强度（如±660 kV输电线路，在导线下方距地面3 m高处电场强度为14 kV/m）。而在距离一定时，输电线路下方电场强度略高于导线水平方向外侧，这是因为下方地面可以看作0电位极板，与导线的间隙距离较水平方向无限远处的等效极板更近，场强效应更加集中。一般而言，电子元器件在场强为10 kV/m的环境中就会影响其性能，因而，即使是±500 kV的输电线路，其周围5 m处足以对无人机操控性能产生影响。

考虑到无人机极化效应和尖端放电现象，这个距离应适当放宽，裕度取为2 m。结合中国电科院进行的大量试验检测，无人机巡检系统的导航定位精度一般为3 m。因此，利用无人机对±500 kV及以上直流线路开展作业，最小安全距离宜设置为10 m。

（References）

[1]郑贵林,张丽.自旋翼飞机电力巡线技术研究与应用[J].中国电力,2014,47(7):26-31.ZHENG Guilin,ZHANG Li.Research and applica⁃tion of auto-gyro power line inspection technology[J].China Electric Power,2014,47(7):26-31.

[2]ZHANG Mingfeng,LIU Hongtao.Vision-based esti⁃mation of ground moving target by multiple un⁃manned aerial vehicles[C].American Control Confer⁃ence(ACC).Montreal,QC,Canada:IEEE,2012: 1737-1742.

[3]王振华,黄宵宁,梁焜,等.基于四旋翼无人机的输电线路巡检系统研究[J].中国电力,2012,45(10):59-62.WANG Zhenhua,HUANG Xiaoning,LIANG Kun,et al.Study on the transmission line inspection system based on quadrotor UAVs[J].China Electric Power, 2012,45(10):59-62.

[4]DENG Xiaoyi,ZENG Qinhua.Research on laser-as⁃sisted odometry of indoor UAV with monocular vision [C].Cyber Technology in Automation,Control and Intelligent Systems(CYBER).Nanjing,China:IEEE, 2013:165-169.

[5]汤明文,戴礼豪,林朝辉,等.无人机在电力线路巡视中的应用[J].中国电力,2013,46(3):35-38.TANG Mingwen,DAI Lihao,LIN Chaohui,et al.Application of unmanned aerial vehicle in inspecting transmission lines[J].China Electric Power,2013,46 (3):35-38.

[6]Wahab M N A,Sivadev N,Sundaraj K.Target distance estimation using monocular vision system for mobile robot[C].IEEE Conference on Open Systems(ICOS).Langkawi,Malaysia:IEEE,2011:11-15.

Simulation Analysis of Safe Distance of Unmanned Aerial Vehicle in DC Transmission Line

WU Jun1,LIU Zhuang2,WU Xiangdong3,DU Yong1,MAO Xiaopo4
（1.State Grid Hubei Corporation Maintenance Company，Wuhan Hubei430050，China；2.China Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei430074,China；3.State Grid Hubei Electric Power Corporation，Wuhan Hubei430077,China；4.Electric Power Research Institute State Grid Hubei Electric Power Corporation，Wuhan Hubei430077,China）

With the large application of unmanned aerial vehicles in the transmission line inspec⁃tion work,for different models of unmanned aerial vehicles in the inspection process,the handling of the inspection system is significantly reduced,which affects the safety of operations,especially in the vicinity of the DC line,this phenomenon is more obvious.Based on the analysis of electric field,the electric field simulations of the unmanned aerial vehicle inspection distance under differ⁃ent DC voltages and DC transmission line are studied by establishing the DC transmission line in this paper,and the simulation results are obtained.

DC transmission line;unmanned aerial vehicle;inspection work;safe distance

TM755

B

1006-3986(2017)04-0014-06

2017-03-04

吴军（1977）,男,湖北武汉人,工学学士，工程师。

10.19308/j.hep.2017.04.004