变电站高压设备无人机巡检安全距离确定方法研究_李游.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 3 月电 工 电 能 新 技 术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.42,No.3Mar.2023收稿日期:2022-03-21基金项目:国网湖南电力科技项目(5216A3210015)作者简介:李 游(1986-),男,湖南籍,高级工程师,硕士,研究方向为输变电无人机智能巡检技术;刘卫东(1967-),男,湖南籍,正高级工程师,硕士,研究方向为变电站智能运检技术。变电站高压设备无人机巡检安全距离确定方法研究李 游1,2,刘卫东1,2,邓 维1,李慧鹏3,黄道春3,曾昭强1,龙伟迪1(1.国网湖南超高压变电公司,湖南 长沙 410004;2.变电智能运检国网湖南省电力有限公司实验室,湖南 长沙 410004;3.武汉大学电气与自动化学院,湖北 武汉 430072)摘要:多旋翼无人机凭借其移动灵活、机身精巧等优点在变电站巡检中具有很大优势和应用前景。为解决变电站无人机巡检的安全距离确定问题,本文选用典型机型经纬 M300 RTK 和御 2 行业进阶版为研究对象,开展了无人机的测控性能安全距离试验和放电观测试验,对无人机在工频电场和磁场环境下测控性能进行耐受测试,通过电场和磁场仿真,得到了无人机的工频电场和磁场耐受上限,对无人机放电过程、电晕放电干扰进行分析,结合试验和仿真数据提出无人机作业安全距离的判据和确定方法,可为变电站无人机巡检距离控制和路径规划提供参考。关键词:无人机;变电站;安全距离;工频电场;工频磁场DOI:10.12067/ATEEE2203034 文章编号:1003-3076(2023)03-0076-09 中图分类号:TM631 引言 变电站设备长期运行后,会出现绝缘老化损坏、温度异常等故障,且变电站设备密集,常规的人工巡检速度慢、劳动强度大,无法实现对设备故障缺陷的高效、高质量巡检1-3。近年来无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)凭借其高机动性、机身精致等特点被广泛应用于各行业,无人机在变电站设备巡检中具有可抵近观察、消除视觉死角、提高巡检速度、可搭载多种检测设备等优点1,4。然而,变电站内设备复杂,存在会对无人机产生严重干扰的电磁辐射,同时无人机进入强电场环境还可能造成间隙放电等问题,因此需要对无人机在电场和磁场环境下的飞行安全性进行研究,避免无人机作业过程中失控或造成放电事故是无人机应用于变电站高压设备巡检的前提4,5。目前无人机在输电线路的运维和检修中已广泛应用,取得了良好效果,在变电站的运维中也逐渐开始应用。文献6以典型棒-板间隙的击穿场强和磁力计的磁干扰耐受值作为临界判据,对小型旋翼无人机在500 kV 输电线路产生的直流电场和磁场中的安全距离进行了仿真和试验研究,得到500 kV直流输电线路直线塔无人机巡检作业最小安全距离为 3 m;文献7以无人机易受电磁干扰器件对电场和磁场的耐受值作为限值,提出了安全距离预测公式,并对 500 kV 输电线路产生的工频电场和磁场进行了实例仿真分析;文献8对架空交流输电线路电晕产生的无线电干扰进行了分析,结果表明只有在导线处于故障状态或存在缺陷时,其电晕产生的电磁干扰频率才有可能与无人机测控信号频率范围存在重叠,正常情况下导线电晕产生的电磁干扰不会对无人机产生较大影响。目前变电站高压设备无人机巡检安全距离的定量研究较少,且缺少试验依据和成熟的安全距离设定方法。本文选取典型机型无人机,搭建试验平台,对无人机的工频电场和工频磁场耐受能力进行试验研究和仿真分析,提出了变电站无人机巡检安全距离的判据和设定方法,研究结果可用于变电站无人机巡检作业安全距离的确定。2 安全距离模拟试验研究 无人机作业的安全距离主要取决于无人机是否李 游,刘卫东,邓 维,等.变电站高压设备无人机巡检安全距离确定方法研究J.电工电能新技术,2023,42(3):76-84.77 会失控,需研究电场和磁场、无人机与高压设备之间放电、无人机局部放电对无人机测控系统的影响,本文通过搭建试验平台开展模拟试验,研究无人机的工频电场和磁场耐受水平。2.1 试验对象 为研究典型机型的工频电场和磁场的耐受水平,结合无人机的结构、材质和尺寸,选用目前性能较为优越的行业级四旋翼无人机经纬 M300 RTK 和御 2 行业进阶版作为主要试验对象,如图 1 所示。图 1 试验无人机Fig.1 UAVs for experiments经纬 M300 RTK 主体框架为碳纤维材质,尺寸(不包含桨叶)为 810 mm670 mm430 mm(长宽高),桨盘直径为 53 cm;御 2 行业进阶版无人机主体框 架 为 塑 料,飞 行 器 尺 寸(不 包 含 桨 叶)为322 mm242 mm84 mm(长宽高),桨盘直径为22 cm,两款无人机均具有较强的抗电磁干扰能力和稳定性。2.2 试验内容 设置电场和磁场环境下测控性能安全距离试验和模拟场景间隙放电及局部放电观测试验。2 2.2 2.1 1 电电场场环环境境测测控控性性能能安安全全距距离离试试验验 (1)搭建模拟试验平台如图 2 所示,将无人机放置在地面,按正常工作要求通电,完成自检。(2)开启录像设备,录制试验全景,观察无人机图 2 强电场耐受试验布置图Fig.2 Platform for strong electric field tolerance experiment的控制响应情况。(3)控制无人机以较慢速度垂直起飞,至设备周围指定位置稳定悬停,记录无人机空间位置。(4)将设备加压后,控制无人机旋转并拍照,观察并记录测控数据传输是否出现中断或丢失、无人机对操控信号是否正常响应、机身是否稳定、是否发生放电现象。(5)按计划接近路径调整无人机位置,直至无人机测控功能异常或明显失控,并重复步骤(3)步骤(5)记录试验现象。变压器采用串级工频无局部放电试验变压器,高压极最高电压可达 600 kV,满足试验需求。2 2.2 2.2 2 磁磁场场环环境境测测控控性性能能安安全全距距离离试试验验 (1)搭建模拟试验平台如图 3 所示,将无人机放置在地面,按正常工作要求通电,完成自检。图 3 强磁场耐受试验布置图Fig.3 Platform for strong magnetic fieldtolerance experiment(2)校对无人机指南针,将无人机经由绝缘支撑放至通流管母周围,记录无人机空间位置。(3)将管母通流后,观察并记录测控数据传输是否出现中断或丢失,观察无人机指南针干扰量是否在允许范围内,是否出现飞行警告。(4)通过磁场传感器测量无人机附近磁感应强度,记录在试验记录表中。78 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期(5)按计划接近路径调整无人机位置,直至无人机指南针干扰量临界正常,并重复步骤(2)步骤(5)记录试验现象和结果。试验电流回路由电缆和管母组成,通过大电流发生器感应升流,钳形电流表测量回路电流,经过测试,试验回路最大电流可达 500 A(有效值)。2 2.2 2.3 3 模模拟拟场场景景间间隙隙放放电电及及局局部部放放电电观观测测试试验验 (1)搭建模拟试验平台如图 4 所示,将模型机通过绝缘结构布置于高压电极周围指定位置,机身形态与飞行姿态相同,记录模型机空间位置。(2)开启录像设备和紫外观测仪,相机录制试验全景,紫外观测仪观测模型机是否发生放电。(3)将设备通电加压,调整机身位置和姿态,观察模型机是否发生局部放电,间隙是否发生放电,记录试验现象。(4)按计划接近路径调整模型机位置,重复步骤(2)步骤(4),直至发生明显放电,记录试验现象。图 4 带电间隙放电试验平台Fig.4 Platform for electrical clearance discharge experiment采用防电晕铝箔管作为高压电极,经由导线连接均压环供电,下方金属平台接地,间隙距离为1.5 m。为避免放电导致无人机受损,采用已退役的“悟”Inspire 1 作为模型机进行试验。2.3 试验结果2 2.3 3.1 1 电电场场环环境境测测控控性性能能安安全全距距离离试试验验 按照测控性能安全距离试验(电场)试验方案操控经纬 M300 RTK 无人机逐渐接近均压环,如图 5 所示。试验结果见表 1,表 1 中 U 为均压环加载电压,l 为无人机与均压环的水平距离,h 为无人机的对地高度。均压环电压为 300 kV 时,无人机以水平或者垂直路径接近均压环,距离在 55 cm 之外均未引起操控和图传异常;均压环电压为 500 kV 时,无人机水平接近均压环,在距离均压环 44 cm 时,无人机旋图 5 经纬 M300 RTK 接近均压环试验现象Fig.5 Experimental phenomenon of Matrice 300 RTKapproaching grading ring翼与均压环之间发生放电,无人机控制出现异常。表 1 经纬 M300 RTK 接近均压环试验结果Tab.1 Experimental results of Matrice 300 RTKapproaching grading ringU/kVl/cmh/m接近方式操控图传300855.6水平正常正常300555.6水平正常正常3005538竖直正常正常500855.846水平正常正常500445.846水平异常正常如图 6 所示,将均压环电压升至 300 kV,控制御 2 行业进阶版逐渐接近均压环,距离最近达到18 cm;升压至 500 kV,距离为 18 cm 时无人机操控和图传仍均处于正常状态,此时已接近手动控制无人机接近均压环的距离极限。图 6 御 2 行业进阶版接近均压环试验现象Fig.6 Experimental phenomenon of Mavic 2Enterprise Advanced approaching grading ring2 2.3 3.2 2 磁磁场场环环境境测测控控性性能能安安全全距距离离试试验验 按照测控性能安全距离试验(磁场)试验方案将管母电流升高至 500 A,不断调整无人机与管母之间的距离,如图 7 所示,观察无人机控制端无人机指南针所受干扰的情况,并使用磁场探头测量无人机接近管母侧的磁感应强度。经纬 M300 RTK 接近通流管母的试验结果见表 2,其中指南针干扰量为无人机系统的 2 个干扰量自测值,B 为无人机靠近管母侧的磁感应强度参李 游,刘卫东,邓 维,等.变电站高压设备无人机巡检安全距离确定方法研究J.电工电能新技术,2023,42(3):76-84.79 图 7 无人机接近通流管母Fig.7 UAVs approaching tubular busbar考测量值。在电流为500 A(有效值)、距离为20 cm时,磁场对无人机干扰量的影响接近临界水平,测量磁感应强度为 371(RMS 值)。表 2 经纬 M300 RTK 接近管母试验结果Tab.2 Experimental results of Matrice 300 RTKapproaching tubular busbar距离/cm指南针干扰量B/无人机11.5185、87510异常26144、44298正常20173、45370正常1564、81456异常20226、60371异常22143、67348正常御 2 行业进阶版接近通流管母的试验结果见表 3,在电流为 500 A(有效值)、距离为 13 cm 时,磁场对无人机干扰量的影响接近临界水平,测量感应强度为 480(RMS 值)。表 3 御 2 行业进阶版接近管母试验结果Tab.3 Experimental results of Mavic 2 Enterprise Advancedapproaching tubular busbar距离/cm指南针干扰量B/无人机23180308正常14210460正常13330480异常-正常12300515异常1129