基于电磁场信息的输电线路无人机巡检安全距离仿真分析

万 能， 宋执权， 汪 晓， 焦玉平

(1.国网安徽省电力有限公司检修分公司， 安徽 合肥 230601；2.中国科学院等离子体物理研究所， 安徽 合肥 230031；3.中国科学技术大学， 安徽 合肥 230026)

0 引言

电网规模的持续快速发展对输电线路运维工作提出了越来越高的要求。传统的人工地面和登塔巡视劳动强度大、工作效率低，已不能适应现代化电网的建设与发展需求。近年来，随着“大云物移智”等新型技术的飞速发展，“智能巡检”这一理念也逐步渗透到传统的线路运维工作中。无人机电力巡检以其作业方式灵活、巡检视角丰富、巡检效率高、巡检成本低等优势正逐渐成为电力巡检的一种主要智能巡检方式。

目前，已有学者对无人机在各种复杂电磁场环境下的安全飞行做了一定的研究。但针对电力行业不同塔形、不同地形、不同电压等级对无人机正常巡检干扰研究相对较少[1-3]。本文以安徽电网某一常见超高压输电塔形为模型，计算无人机在与带电导体不同距离下的电磁场值，根据无人机内部元器件安全稳定工作所能承受的最大电场和磁场数值，计算出电力巡检常用的Ⅲ类四旋翼无人机的巡检安全距离。

1 计算方法简述

1.1 三维电场计算原理

在三维电场求解器中，以标量点位Φ作为待求量，并配以正确的边界条件作为定解条件。三维电场所满足的方程为：▽(εrε▽φ)=-ρv,其中，φ(x,y,z)为三维的标量电位，εr(x,y,z)为三个方向矢量上的相对介电常数，ε0为真空的介电常数，ρv(x,y,z)为电荷密度。

在Maxwell 3D电场模块中求解的是三维标量电位Φ，一旦标量电位值求解得到，可以由麦克斯韦微分方程组直接得到电场强度E和电位移矢量D[4]。

2 模型参数设置

经计算630钢芯铝绞线等值半径为166.33 mm。

图1 仿真塔型图

电场主要影响空间电荷和离子分布，对无人机表现为吸附作用，磁场主要干扰无人机的指南针导航系统，影响无人机的精准定位。在工频条件下，交流电的电磁场呈现周期性交变，其电场只在带电体附近极化形成空间电荷，更远距离的影响很小。磁场在一个周期内的变化量为0，对无人机的影响不明显[6,7]。

为了得到500 kV该塔形输电线路产生的磁场影响，根据运行经验，500 kV交流输电线路输送容量1000 MVA，传输电流1200 A。为简化计算模型，设导线为光滑圆柱体，大地电位为零；忽略杆塔、金具、地线对带电导线的影响，忽略弧垂影响。截取40 m导线为研究对象，region外扩为50%，设置导线中心40 m×40 m范围带状为求解区域，沿导线中心线和求解截面绘制长40 m线段，计算该线段上的电场和磁场值。具体模型如图2。

图2 仿真模型图

图3 磁场仿真图

3 磁场仿真

仿真区域为垂直于三相导线的40 m×40 m区域，基本涵盖无人机巡检作业区域。利用Maxwell 3D仿真模块进行仿真计算，仿真结果如图3所示。

沿仿真区域边界和导线相交点做一条线段，仿真计算该线段不同距离下的磁场强度值，如图4所示。

由以上磁场仿真结果可知：

(1)磁场强度最大值为7.63×10-4，均位于通电导线周边，最小值为5.36×10-6，离带电导线5 m处磁场值衰减为0。

(2)三相导线周边磁场相交部位存在互相抵消作用，相同距离下无人机在导线相与相中间飞行比导线上方和下方飞行更安全。

在不搭载特殊负载的小型旋翼无人机内部电子元器件正常工作时要求磁场强度小于5×10-5T[8]。由图3磁场曲线可知，在不考虑无人机引起场强畸变的情况下，需保证与带电体3 m以上安全距离进行巡检飞行。

图4 水平范围内与输电导线10 m范围内的磁场强度

4 电场仿真

电场仿真模型的建立与磁场相似，工频500 kV高压输电线路电压频率为50 Hz，波长为6000 km，本文所建模型远小于该波长，故仿真时可按静电场进行分析[9]。仿真结果如图5所示。

同样，沿仿真区域边界和导线相交点做一条线段，仿真计算该线段不同距离下的电场强度值，仿真数据如图6所示。

图5 电场仿真图

图6 水平范围内与输电导线10 m范围内的电场强度

由以上仿真结果可知，电场E的最大值为8.74×104V/m，最小值为1.42×10-11V/m，在三相导线中间位置为4.0×103V/m。无人机正常巡检要求电场强度小于10 kV/m[10]，由图5电场仿真曲线可知，在不考虑无人机引入后的电场畸变条件下，离带电导线2.5 m处，电场值衰减至10 kV/m。

5 无人机仿真

仿真模型以某Ⅲ类多旋翼无人机为例，根据现有常见机型，机身结构为1.5 m×1.5 m×0.6 m，机身材料设为碳纤维，电导率设为100 S/m，相对介电常数为7。以三相导线中点为截面，搭建40 m×40 m求解截面，设置网格剖分和分析步骤，仿真结果如图7所示。

由图7可知，无人机机身周围电场强度较弱，在无人机旋翼和起落架等有凸出部分，电场强度相对较大。在距离下相导线4 m距离时，无人机周边电场强度最大可达到5.0×104V/m。

图7 无人机距带电体4 m距离电场仿真图

图8 无人机与带电体不同距离下电场仿真图

同时在距离下相带电导线4 m、8 m、12 m、16 m处分别放置一架无人机模型，模型如图8所示。

以上相导线以上10 m处为起点，穿过中、下相导线和无人机模型，至边界60 m处绘制单线模型，经仿真分析不同距离下的电场值如图9。

图9 无人机在不同位置电场值曲线图

由以上仿真曲线图可知，在44 m处，无人机表面最大场强小于1×104V/m，即无人机在距离带电体13.5 m处飞行将不受电磁场干扰。

为排除多架无人机同时放置引起的相互干扰及进一步细化分析无人机巡检安全距离，分别在距离下相导线3 m、4 m、5 m……12 m处放置无人机模型单独进行仿真分析，得到的仿真数值见表1。

表1 无人机表面在与带电体不同距离下的最大电场值

由以上单独仿真分析可知，无人机在与带电体11 m的距离下，其表面最大电场值小于1×104V/m，即可满足安全分析要求。

6 结语

(1) 本文运用Maxwell有限元仿真软件对无人机电力巡检安全距离进行分析，仿真结果符合现场巡检经验。

(2) 多架无人机同时对同档线路杆塔和导线进行巡检会互相产生电磁干扰，安全起见，实际作业过程中应采取措施，分开单独作业。

(3) 在模型的搭建过程中忽略了杆塔、金具、弧垂、地面等外部因素，可在后期的进一步研究中考虑这些因素，使得仿真结果更加精确。

(4) 现阶段已有无人机厂家开发出电力巡检专用抗电磁干扰无人机，该技术的推广应用将帮助输电运检人员获取更高清、更高精度的线路图片影像资料，极大地提高线路运维工作效率。