基于电场信息的交流架空线路无人机巡线安全距离仿真研究

重庆大学弘深学院 武子恒 蒋 仕 梁书豪

0.引言

近年来随着无人机技术的发展，其在电力线路巡检方面的应用也日益广泛[1-3]。在巡线过程中，为了收集线路运行情况和故障信息，无人机需要靠近导线和杆塔甚至沿着输电线巡航，其内部的电子元件就有可能在作业环境电磁场干扰下出现异常从而影响测量数据精确度[4]，甚至会导致无人机操作不受控制使其与线路和杆塔的撞击，对无人机、输电线和杆塔等造成破坏，甚至造成电力系统的故障，危及系统运行安全，无人机巡线的避障策略和和其巡线作业中安全距离界定的研究就显得尤为重要。而避障和安全距离研究的前提是获得无人机与线路的距离，目前的无人机大多采用激光雷达测距[5-6]、红外测距[7]、超声波测距[8]等方法，但是激光雷达测距设备成本高、寿命短，红外测距容易受到阳光等环境因素的干扰，超声波测距结果易受到复杂地形和周围环境的影响。

输电线路通电后在其周围空间产生的交变电场是其固有特性，而且电场强度与场-源距离之间存在着定量的关系[9]，而这些电场信息在无人机的安全距离评测中尚未得到充分利用。电场强度的测量无需定点瞄准、不存在测量盲点也不受光线强度和环境温度的影响，，通过电场强度信息可以确定无人机与导线之间的距离信息。

本文针对交流架空线无人机巡线时与线路的距离测量和安全距离界定提出了基于电场仿真分析的研究方法，建立了包含输电线路、杆塔和无人机的仿真模型，对输电线、杆塔和无人机周围空间以及无人机表面的电场强度进行分析，并研究无人机位置处电场强度与其距离导线距离的关系，并对其耐受电场的分析得到无人机巡线的安全距离标准，旨在对无人机巡线的工程实践提供参考依据，提高无人机巡线的安全水平。

1.仿真模型

1.1 输电线和杆塔模型

本文主要针对220kV和500kV的交流架空输电线路进行研究，其电场强度较大，对无人机巡检影响较为明显。根据GB50545-2010和《国家电网输变电工程通用设计（2011版）》的相关标准和不同电压等级线路实际运行情况，设置了相应的导线型号、对地高度和杆塔的相关参数，如表1所示。

表1 220kV和500kV输电线和杆塔模型相关参数

为简化仿真模型，将模型中的分裂导线用等效导线代替，其等效半径计算式为：

式中：Req为分裂导线等效半径，R为分裂半径，m为分裂数，r为分裂子导线半径。

根据以上数据和简化，搭建220kV和500kV的输电线路和杆塔模型，如图1（a）和（b）所示。

本文截取杆塔周围沿线X轴方向长度10m，杆塔Y轴方向长度共15m的区域作为研究对象，涵盖了无人机在杆塔附近巡检作业正常区域，将其置于三维坐标系内，便于观察电场的空间分布特性。

图1 杆塔的仿真模型

1.2 无人机模型

将四旋翼无人机作为研究对象，为简化Maxwell的网格剖分，提高计算速度，我们对无人机模型进行简化，即忽略无人机上的螺丝、螺帽等细小零部件，并将无人机机身作实心模型处理，，无人机简化模型如图2所示。

无人机简化模型，机身（含旋翼）对角线长85cm，机身（含旋翼）高度20cm，机身材料采用碳纤维[10]，设置相关电气参数，相对介电常数为7，电导率为100 S/m。

图2 无人机的简化模型

2.电场仿真结果及分析

如图3所示，在图1所示的模型中分别加入四台无人机模型，其中两台编号为1、3的无人机在Y方向上距离边相导线5m，另外两台变化为2、4的无人机Y方向上距离边相导线10m。对以上模型进行仿真分析，导线周围空间的电场分布分别如图3和图4所示。

图3 220kV模型俯视图的电场强度分布

图4 500kV模型俯视图的电场强度分布

分析以上结果得出，220kV线路电场强度的最大值为57kV/m，500kV线路电场强度的最大值为113kV/m，均位于两个边相导线与绝缘子的交点处。如图3和图4所示，从整体的电场分布上来看，电场强度分布大致关于X轴对称。从无人机所在位置局部的电场分布来看，对比无人机所处位置及其关于X轴对称位置的电场强度，无人机使其附近电场分布发生畸变，导致电场强度增大。

为了深入研究无人机对电场分布的影响，接下来取中心位于杆塔所在横截面，距离边相导线5m的编号为1的无人机表面为研究对象，绘制出其表面的电场强度分布图，如图5所示。

图5 （a）220kV线路无人机表面电场强度分布

图5 （b）500kV线路无人机表面电场强度分布

由图5可知，无人机表面的电场强度分布不均匀，220kV线路中无人机表面最大场强为17.45kV/m，500kV/m线路中无人机表面最大场强为40.51kV/m，旋翼叶片边缘和转轴连接处等尖端位置场强分布集中，数值较大，远超过其位置处本身空间电场的数值。

3.交流架空线路无人机巡线安全距离的确定

为了进一步确定无人机对其周围空间电场分布的影响，进而确定无人机巡线的安全距离，在1.1所述仿真模型中，在距离边相导线2.5m、4.5m、6.5m、8.5m、10.5m和12.5m处分别放置无人机模型，如图6所示。

图6 无人机距离导线不同距离模型图

分别在220kV和500kV下对上述模型进行仿真分析，得到6架无人机机身表面电场强度的最大值数据，见表2、3。

表2 距离边相导线距离不同的无人机机身表面电场强度的最大值（220kV）

表3 距离边相导线距离不同的无人机机身表面电场强度的最大值（500kV）

将上述数据绘制成表面最大电场强度和中心距边相导线距离的折线图，如图7所示。

图7 无人机表面最大电场强度和中心距边相导线距离的折线图

通过上述结果可以看出，无人机表面的最大电场强度随着与边相导线距离的增大而减小，大致呈二次曲线规律。一般而言，在10kV/m的电场强度下，电子元器件的性能就会受到影响[11]，从数据中可以看出，220kV模型中在距离6.5 m左右，无人机表面场强的最大值就达到了10kV/m，而对于500kV模型而言，这一距离则是12.5 m左右。

考虑到无人机巡检系统的导航定位精度一般为3 m[12-13]，并考虑操作人员进行避障操作时反应时间等带来的误差，我们设置2.5m的裕度，因此，利用无人机对交流220kV和500 kV交流架空输电线路开展巡检作业时，最小安全距离宜分别设置为12m和18m。

4.结论

本文建立了有杆塔的交流架空输电线路模型，和碳纤维材料的四旋翼无人机模型，充分考虑了杆塔的存在和无人机机身材料的影响，分析了220kV和500kV的电压等级下杆塔附近的电场分布和无人机表面的电场分布，分别考虑了无人机和边相导线的距离和无人机机身不同位置对电场强度的影响。

仿真分析发现无人机会使其周围电场强度分布产生畸变，畸变作用使无人机附近电场强度增大；无人机与边相导线的距离越大，其表面电场强度越小，电场强度大致和距离成二次函数的关系；无人机表面的电场分布极不均匀，旋翼叶片和转轴连接处等尖端处场强分布集中，数值较大，因此在无人机设计和选用时，应该尽量光滑无尖端和毛刺，电场测量装置也应尽量避开尖端处，以免电场畸变对测量和安全距离的判定造成影响。

结合上述分析结果，本文综合考虑了无人机巡检系统的导航定位精度和操作测量误差等因素，分别将220kV和500kV线路中巡线无人机的安全距离确定为12m和18m。