220 kV管母線周圍無人機巡檢電場安全距離研究

鄧金鎖,劉慶達,李心達

(1.東北電力大學,吉林 吉林 132012;2. 國網吉林供電公司,吉林 吉林 132011;3. 長春工程學院, 長春 130012)

0 引言

隨著智能電網的快速發展,變電站巡檢機器人被大量投入使用,變電站的安全巡檢工作越來越智能化[1-3]。變電站母線支柱絕緣子多發生一些較為嚴重的事故[4-7],所以給支柱絕緣子的巡檢維護工作提出了更高的要求。常用的人工巡檢或者機器人巡檢由于視角較低,很難準確檢測到絕緣子缺陷。無人機具有視角靈活的獨特優勢,可以有效彌補人工和機器人巡檢的不足。在無人機巡檢應用過程中,眾多學者已針對無人機飛行安全距離做了相應的研究。

為保證無人機的安全飛行,文獻[8-9]利用雙目測距原理,實現了無人機巡檢安全距離的測量;文獻[10]研究了無人機巡檢±500 kV直流輸電線路時的電磁場分布規律及放電特性,并結合試驗確定了無人機巡線安全距離;文獻[11-12]利用無人機激光點云確定了輸電線路與周圍物體之間的距離;文獻[13]以平均電場強度(以下簡稱場強)作為約束,得出了無人機巡檢500 kV貓頭塔時的理論安全距離。綜合來看,當前對于無人機巡檢的安全距離研究主要集中于架空輸電線路巡檢作業方面,而對無人機巡檢變電站設備的安全距離問題關注較少。同時,無人機與220 kV管母線間的安全距離問題當前尚未解決。

變電站設備集中布置,空間間隙相對較小,加之設備之間電磁耦合性強,導致變電站設備附近電場分布比輸電線路復雜得多。設備周圍空間的緊促性及電場分布的復雜性對無人機巡檢安全距離提出了更高的要求。本文針對220 kV變電站,分析了無人機在巡檢母線和支柱絕緣子時對空間電場的畸變程度,研究了無人機表面最大場強分布特征;通過放電測試平臺,研究了無人機-母線間隙的起始放電電壓,并以起始放電最大場強和起始放電平均場強作為約束,提出了無人機巡檢220 kV管母線時的安全距離,研究結果為變電站無人機巡檢作業提供數據支撐。

1 無人機表面電場分析

1.1 仿真模型

220 kV變電站母線及絕緣子結構見圖1,其參數見表1。仿真時母線施加相量形式的電壓激勵,且偏嚴格考慮,設定母線電壓比線路電壓高10%,見公式(1)。絕緣子為兩段式支柱絕緣子,瓷絕緣和中間金屬部分的相對介電常數分別為4.2和1×1015。

表1 220 kV母線模型參數 單位:mm

圖1 220 kV母線及絕緣子結構

(1)

變電站巡檢無人機模型見圖2。其中,4個機臂端的無刷直流電動機、云臺和相機外殼均為電位懸浮的金屬材質,是電場比較集中的部位;其余外殼部分均為復合塑料材質,相對介電常數為2。忽略機翼部分后,無人機仿真模型的幾何尺寸為290 mm×290 mm×196 mm。

圖2 無人機模型

1.2 無人機位于絕緣子周圍時電場分布

變電站無人機在絕緣子周圍巡檢時其電動機和云臺等金屬部位會出現感應電荷和電場,并畸變原空間電場分布。圖3(a)為沒有無人機時絕緣子周圍的空間電場分布,當絕緣子附近存在無人機時,電場分布見圖3(b),此時無人機與B相母線水平間距為70 cm,可以看出無人機對應位置處的電場由0.94 kV/cm增大至5.10 kV/cm,這是由無人機金屬部位上的感應電荷所致;B相-C相母線間隙的電場分布見圖3(c),可以進一步看出無人機對電場的畸變程度,畸變后的電場約為原值的5倍。

圖3 無人機引起的電場畸變

無人機在巡視支柱絕緣子時需要不斷改變位置,本文選擇B相支柱絕緣子右側空間88個位置進行電場計算,見圖4。為準確描述無人機表面電場與位置之間的關系,以B相母線所在位置為原點,以B相指向C相母線方向為水平方向,以沿B相支柱絕緣子向下為豎直方向建立直角坐標系,以(30,0)作為無人機初始位置,水平和垂直方向上的步長分別為40 cm和30 cm。無人機處于不同位置時,其表面最大場強變化趨勢見圖5。

圖4 絕緣子周圍巡檢區域

圖5 無人機表面最大電場分布

由圖5可以看出,在水平方向上,無人機越靠近B相或者C相母線,其表面場強最大值越大,在B相和C相母線之間整體呈“U”型分布;在豎直方向上,場強最大值隨垂直距離增加而逐漸減小,即無人機與母線處于同一高度時場強最大;在本文討論的空間范圍內,當無人機處于(30,0)位置時,其表面最大場強取得最大值14.49 kV/cm,此時無人機在水平和垂直兩個方向上均距離B相母線最近。另外,當無人機靠近支柱絕緣子下方金屬橫桿時,其表面最大場強有略微增大的趨勢;當無人機位于C相絕緣子右側時,其表面場強最大值隨距離的增大而迅速衰減。

1.3 無人機位于母線下方時電場分布

無人機巡檢作業時可能位于母線正下方,為確定此時其表面最大電場分布規律,以無人機處于C相母線正下方為例進行分析(見圖6),空間位置的選取及描述與前述類似。

圖6 母線下方巡檢區域

無人機表面最大場強與其空間位置的關系見圖7。由圖7可以看出,在豎直方向上,隨距離增加場強最大值迅速減小,當豎直距離大于100 cm時,場強最大值衰減趨勢明顯減緩;在水平方向上,場強最大值變化不明顯,只是在接近兩段絕緣子中間部位的金屬導體時,場強有所增加,這是由導體的靜電感應電荷引起。當無人機位于初始位置(30,5)時,其表面的最大場強為24.0 kV/cm,此時無人機與母線和支柱絕緣子的位置最近。從整體來看,無人機的水平坐標大于70 cm時,其表面最大場強與豎直距離的關系相同,即不再受絕緣子的影響。

圖7 無人機在母線下方時表面電場分布

2 放電試驗及巡檢安全距離

2.1 直流電動機-母線間隙放電試驗

上述仿真中無人機表面最大場強均出現在機臂端的無刷直流電機上,因此,電機部位容易產生放電并與母線之間形成放電發展通道。本節開展電動機-母線間隙的放電試驗研究,接線見圖8。母線與電動機置于絕緣平臺上構成放電間隙;母線端部纏繞絕緣膠帶,防止局部場強畸變引發電暈;絕緣平臺整體放在支柱型絕緣子上,離地高度約為1.7 m;工頻試驗變壓器型號為YDTW-500 kV/500 kVA,額定輸出電壓為500 kV。試驗時將間隙分別設置為5 cm、10 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、50 cm、55 cm,每個間隙做10次放電試驗,且每2次放電試驗間隔5 min以上,使絕緣平臺上的空氣充分恢復,盡量保證試驗的精確性。

圖8 試驗接線

將各間隙的10次放電電壓取平均值,得到各間隙的平均放電電壓,并計算對應的平均場強,結果見表2。當間隙距離較小時,其平均場強較大;隨著間隙距離的增大,其平均場強會逐漸減小。這主要是因為無刷直流電動機與母線均為圓柱體,當間隙較小時,電場分布比較均勻,間隙可等效為球-球間隙;而間隙較大時,電場不均勻程度加劇,只能視為棒-棒間隙,此時間隙的平均放電場強較小。無人機現場巡檢作業時,不可能距離母線太近,所以無人機與母線間的間隙可視為棒-棒間隙處理。

表2 電動機-母線間隙的放電電壓和平均場強

間隙放電不僅和間隙距離有關,也和電極形狀即電極附近電場分布有關,對電動機-母線間隙放電瞬間電場進行分析,得到電動機表面最大場強,當間隙距離為50 cm時,放電電壓為196 kV,此時電動機表面最大電場為8.69 kV/cm;其他間隙距離下電動機表面最大電場見表3?？梢钥闯?隨著間隙距離的增大,電動機表面最大電場逐漸增加。

表3 試驗各間隙放電時電動機表面最大場強

本節采用表2中的平均場強和表3中的表面最大場強作為約束確定220 kV變電站無人機巡檢安全距離。前述已經通過仿真得出了無人機位于絕緣子周圍及母線下方時的表面最大場強(見圖5、圖7)。

2.2 無人機巡檢安全距離

當無人機位于絕緣子周圍且與母線同高時,對應的間隙平均場強見圖9(a),可以看出,場強曲線呈左右對稱分布;本次選取無人機-B相母線間隙(左側)進行分析,此時間隙平均場強的仿真值和試驗值見圖9(b),可以看出,以平均場強作為約束,無人機與母線之間的最小安全距離為10 cm;同理,以無人機表面最大場強作為約束,得到的最小安全距離為25 cm,見圖9(c)。

圖9 無人機與母線同高時的安全距離

當無人機處于母線下方巡檢時,通過2種場強約束得出的最小安全距離分別約為16 cm和40 cm,見圖10。由以上分析可知,通過最大場強約束得到的安全距離比平均場強約束的距離大,這是因為用后者確定安全距離時未能充分考慮無人機表面結構對場強分布和放電過程的影響。

圖10 無人機處于母線下方時的安全距離

綜上所述,為確保220 kV變電站無人機安全巡檢作業,避免放電現象的發生,當無人機與母線同高度巡檢時,應使無人機與母線之間的距離保持在25 cm以上;當無人機處于母線下方巡檢時,應使無人機上端部與母線之間的距離保持在40 cm以上。

3 結論

本文通過有限元數值計算和間隙放電試驗研究了220 kV變電站無人機巡檢作業時的安全距離,以起始放電時無人機表面最大場強及無人機-母線間隙平均場強作為約束,確定了無人機巡檢臨界安全距離,即無人機與母線同高度巡檢時,兩者之間的臨界安全距離為25 cm;無人機位于母線下方巡檢時,兩者之間的臨界安全距離為40 cm。