基于场强阈值的变电站无人机巡检安全距离研究.pdf

第 卷第 期东北电力大学学报.年 月 基金项目:吉林省自然科学基金():./.基于场强阈值的变电站无人机巡检安全距离研究 刘士利邓金锁丁 伟刘庆达(.东北电力大学电气工程学院吉林 吉林.国网吉林供电公司吉林 吉林)摘 要:变电站无人机巡检作业是智能电网发展的重要方向之一相较于输电线路变电站设备众多且集中布置导致其周围空气间隙相对较小、电磁场分布复杂这对无人机安全巡检提出了更高的要求 文中构建了悬浮导体放电测试平台试验研究了无人机导线间隙的起始放电电压采用有限元法计算了间隙放电时无人机表面最大电场并以此值作为电场阈值通过分析 变电站典型设备的电场分布得出了无人机巡检变电站时的电场安全距离以 作为无人机主控部分的磁场阈值确定了无人机巡检时的磁场安全距离研究结果表明对于当前典型的无人机结构当 变电站负载电流小于 时巡检安全距离主要受电场约束可取为 当负载电流较大时巡检安全距离可由磁场决定关键词:安全距离无人机电场强度磁感应强度 变电站中图分类号:文献标识码:引 言为节省人力资源、提高变电站维护效率变电站巡检正逐渐向智能化方向发展 变电站巡检机器人的广泛应用在一定程度上实现了智能化巡检 但也存在着视觉盲区、巡检路径僵化等问题从而限制了其巡检作业的精细化程度 无人机具有灵活性强、效率高和观测距离近等优势可以有效弥补人工和机器人巡检的不足当前无人机已在输电线路巡检中得到广泛应用其巡检过程涉及巡航控制、信号处理、电磁兼容等多个技术领域众多学者已开展了相关研究 为保证无人机安全飞行高旭东等人利用双目测距原理实现了无人机巡检安全距离的测量文献研究了无人机巡检 直流输电线路时的电磁场分布规律及放电特性并结合试验确定了无人机巡线安全距离文献通过数学建模和数值分析分析了无人机巡线时的电磁兼容特性文献通过建立输电线路无人机巡检模型并进行仿真得到了无人机在没有做任何防护措施情况下的安全距离文献通过测量输电线周围的电场及磁场强度确定了无人机与导线间的安全距离从而规划出无人机的巡检路径文献通过对 导线与飞滑式无人机构成的间隙开展感应放电试验确定了无人机与 导线间的安全距离文献为确定无人机间隙放电产生的电磁干扰研究了导线与悬浮导体之间的放电规律文献以平均场强作为约束得出了无人机巡检 猫头塔时的理论安全距离 综合来看当前关于无人机巡检安全距离的研究多聚焦于输电线路而无人机巡检变电站的安全距离尚待研究变电站设备集中布置空间间隙相对较小加之设备之间电磁耦合性强导致变电站设备附近电场分布比输电线路复杂得多 设备周围空间的紧促性及电场分布的复杂性对无人机巡检安全距离提出了更高的要求 针对 变电站无人机巡检作业本文首先通过放电测试和有限元仿真获得了无人机导线间隙的起始放电电压和无人机表面最大电场其次计算了无人机巡检时设备周围的电场分布以无人机表面最大电场作为阈值得出了 变电站无人机巡检时的电场安全距离以 作为无人机主控部分的磁场阈值确定了无人机巡检时的磁场安全距离最后综合考虑电场和磁场影响确定了无人机巡检 变电站时的安全距离 放电试验及电场分布.无人机导线间隙放电试验无人机在巡检电力设备时由于电动机位于无人机整体的边缘位置因此电动机部位容易产生放电并与高压电极之间形成放电发展通道 当无人机引起放电现象时放电间隙会释放强烈的电磁信号从而影响无人机的正常通信甚至造成无人机失控而坠毁 因此保持无人机与高压电极间的安全距离尤为重要 针对这一问题本文开展了无人机导线间隙的放电试验研究试验模型的主要参数如表 所示试验原理接线及设备实际布置分别如图、图 所示 图 中将无人机试验模型和一段 的输电导线悬挂在同一高度构成放电间隙工频试验变压器型号为 /额定输出电压为 表 无人机导线间隙放电试验模型参数.导线无人机模型直流电机/.图 试验原理图.图 试验现场布置图.无人机试验模型已忽略了无人机的机壳因大部分机壳都是不导电材质且电动机裸露在机壳之外(便于电动机热量快速散发)所以去掉机壳后的无人机试验模型与实际相差不大对最终试验结果没有显著影响 试验时逐次调整间隙距离并记录起始放电电压每个间隙做 次放电试验且每两次放电试验间隔 分钟以上使间隙周围的空气充分恢复以保证试验的精确性 试验过程中间隙放电现象如图 所示且能够听到啪嚓声 将各间隙的 次放电电压取平均值得到不同间隙长度下的平均放电电压两者间的关系如图 所示拟合得到的表达式为 .()公式中:为放电电压 为无人机与导线构成的间隙距离图 无人机导线间隙放电现象.图 无人机导线间隙放电电压曲线.无人机表面电场计算为得到安全距离的场强约束本节建立上述放电间隙的有限元仿真模型计算间隙初始放电时无人机表面电场最大值仿真模型施加的激励为试验所得的起始放电电压(公式 中的放电电压)当间隙长度为 时放电电压为 此时无人机表面最大电场为./如图 所示 分别图 试验间隙电场分布.东北电力大学学报第 卷计算其他间隙距离下无人机表面的最大电场并绘制出无人机表面最大电场与间隙长度间的关系曲线如图 所示 从图中可以看出不同间隙发生放电时无人机表面最大电场基本保持不变可以将此曲线作为间隙发生放电的场强判据图 不同间隙放电时无人机表面最大电场.变电站无人机巡检电场安全距离变电站巡检无人机的结构如图 所示其中四个机臂端的无刷直流电动机、云台和相机外壳均为电位悬浮的金属材质是电场比较集中的部位其余外壳部分均为复合塑料材质相对介电常数为.实际无人机边缘部分存在的金属主要是电机外壳而用于固定电机的螺丝存在于电机底部并嵌入在塑料电机基座内故没有明显凸起情况 在仿真中为了简化模型以使计算时间缩短故没有考虑无人机机体内螺丝之类的金属物 忽略机翼部分后无人机仿真模型的几何尺寸为 图 无人机模型.无人机在变电站高压设备周围巡检时其金属部位出现的感应电荷将严重畸变原空间电场分布图 为无人机对管母线相间电场分布的影响从中可以看出:没有无人机时母线间隙中的电场呈 型分布且从母线处至相间隙中部()的电场变化曲线可以看出随着距离的增大空间电场迅速减小 故研究无人机处于某空间位置的电场时距离该处越远的电力设备产生的电场影响不大该空间位置的电场主要由距离最近的高压设备决定所以只需研究距离最近的高压设备的电场 有无人机时无人机所处位置的电场由原来的/增大至./电场畸变程度达 倍以上 因此后续通过电场确定安全距离时必须细致考虑无人机本身的影响图 无人机引起的母线周围电场畸变.在电磁场分析中与三相高压电极同一水平高度的空间电场最为集中为使研究条件更为严苛在下文电磁场计算中将无人机置于此高度进行计算分析 无人机巡检 变电站内设备时站内的门型架、隔离开关、电流互感器、断路器、管母线等实际设备的电场分布如图 所示 可以看出无人机表面的最大场强分别为.、.、.、.、./此时无人机与各设备电极间的距离分别为、调整无人机与各设备间的距离无人机表面最大电场随间隙距离的变化曲线分别如图 所示从图中可以看出随着间隙长度的增大无人机表面电场逐渐减小 与试验得出的放电电场曲线相交则可以判断出在交点的右侧时仿真电场小于放电电场此时无人机位于安全范围内不会引发间隙放电反之则反两曲线交点对应的距离为安全距离阈值(临界安全距离)由此可知无人机巡检门型架、隔离开关、电流互感器、断路器、管母线时临界安全距离分别为、.、第 期 刘士利等:基于场强阈值的变电站无人机巡检安全距离研究 图 无人机巡检设备时表面电场分布.图 无人机巡检电场安全距离.综合考虑上述各设备的临界安全距离为确保巡检作业安全可靠避免放电现象的发生无人机巡检 变电站时临界安全距离可统一选取为 考虑空间环境及其他影响因素可进一步设定.倍的裕度即无人机巡检 变电站的电场安全距离为 变电站无人机巡检磁场安全距离无人机主控部分含有电磁敏感电路易受到外部磁场感应的干扰干扰阈值约为 偏严格考虑本文选 作为磁感应强度约束条件当 变电站单相负载电流为 且无人机处于该联络导线附近时的磁场分布如图 所示联络导线周围的磁场略呈圆形分布距离导线越近则磁场越大无人机直流电动机处出现了磁场集中现象这是由电动机内部的导磁材料所致由于无人机主控部分距离电动机较远因此基本不受此畸变磁场的影响另外无人机其他部分由复合东北电力大学学报第 卷塑料材质构成其相对磁导率为 不会影响主控部分的磁场分布图 有无人机时导线周围的磁场分布.图 无人机主控部分的磁场.不同负载电流下无人机主控部分的磁感应强度与无人机位置的关系如图 所示对应的磁场安全距离如图 所示 可以得出磁场安全距离与电流呈线性关系可近似用公式()表征.()公式中:为安全距离 为导线电流 由电场与磁场仿真的结果可知当负载电流偏图 无人机巡检磁场安全距离.小时磁场安全距离小于电场安全距离 电场安全距离取决于设备工作电压和电极形状而磁场安全距离则主要受负载电流的影响所以无人机巡检 变电站的安全距离应综合考虑电场安全距离及磁场安全距离 从图 可知当负载电流小于 时安全距离由电场决定可取为 当负载电流大于 时安全距离则由磁场决定可由公式()得到图 无人机巡检 变电站安全距离.结 论本文通过悬浮放电试验研究了无人机导线间隙的放电电压采用有限元法计算了间隙放电时无人机表面最大电场强度并以该值作为电场阈值得出了无人机巡检 变电站时的电场安全距离分析了不同负载电流下无人机主控部分的磁场分布以 作为磁场阈值确定了无人机巡检时的磁场安全距离 综合考虑电场和磁场影响当负载电流较小时()无人机巡检安全距离主要受电场约束可取为 当负载电流较大时()巡检安全距离则由磁场决定参考文献 .:.鲁守银张营李建祥等.移动机器人在高压变电站中的应用.高电压技术():.:./().():.():.第 期 刘士利等:基于场强阈值的变电站无人机巡检安全距离研究 林旭鸣.架空输电线路无人机巡检技术研究进展.电力设备管理():.侯建勋梁介众许保瑜等.无人机在 输电线路的发展应用及关键举措.电子技术与软件工程():.隋宇宁平凡牛萍娟等.面向架空输电线路的挂载无人机电力巡检技术研究综述.电网技术():.邵瑰玮刘壮付晶等.架空输电线路无人机巡检技术研究进展.高电压技术():.彭向阳陈驰饶章权等.基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断.高电压技术():.彭向阳刘正军麦晓明等.无人机电力线路安全巡检系统及关键技术.遥感信息():.高旭东张军朝张建等.无人机电力线路巡检安全距离测量新方法.现代电子技术():.高旭东.无人机线路巡检安全距离的分析与测量.太原:太原理工大学.刘壮杜勇陈怡等.直流输电线路直线塔无人机巡检安全距离仿真与试验.高电压技术():.().:.().:.杨鑫胡聪石俏等.输电线路无人机巡检的安全距离的计算.现代工业经济和信息化():.董灵鹏.电力巡检无人机电磁场测距研究及路径规划.杭州:浙江大学.董选昌吴志坤陈泽铭等.无人机与架空导线感应放电距离分析.电工电能新技术():.吴志坤.飞滑式巡线机器人带电作业方式实验研究.广州:华南理工大学.吴志坤朱宁西刘刚等.悬浮导体与高压导线间的放电规律实验分析.广东电力():.():.收稿日期:第一作者:刘士利()男博士副教授主要研究方向:高电压与绝缘技术、电磁场分析.通讯作者:邓金锁()男在读硕士研究生主要研究方向:高电压与绝缘技术.(.):().:东北电力大学学报第 卷