换流变压器是直流系统的重要设备，需要对其进行定期巡检。换流变压器体积庞大，受视角影响，人工巡检难以对设备上层部件进行巡视，并且隔离墙上安装的摄像头角度较为固定，设备间易相互遮挡，部分关键部位难以监测。而无人机（UAV）可进行高空巡视、操作性高、灵活性好，能有效地弥补人工巡检的不足，解决高层设备巡视盲区，大幅提高巡检质量和效率。

但是，换流变压器区域复杂的电磁环境可能会使无人机受到干扰而失控，从而造成安全事故。因此，需对无人机巡检作业的飞行路径进行规划，保证无人机安全、高效地完成巡检。

图1 换流变压器广场区域

换流变压器广场区域和变电站等设备环境复杂，无法直接测量其整体的电磁场分布。目前，国内外学者对于换流站、变电站等电磁环境的分析主要是通过建立整体模型进行数值计算，而且利用电磁场仿真计算输电线路附近的电磁场分布进行无人机巡检路径和方案的规划已经较为成熟，研究人员可通过无人机巡检安全距离实验和电磁场仿真研究无人机作业最小安全距离，保障无人机巡检作业的安全可靠。

输电线路设备相对独立，周围空间较为空旷，而变电站和换流站区域设备密集，高压设备间距离有限，目前对于变电站和换流站的无人机巡检开展较少。

换流站中换流变压器区域设备复杂，安全间隔较小，无人机巡检主要考虑减小无人机体积以及更精确的无人机定位和控制。目前，电力巡检应用的无人机以多旋翼无人机为主，多旋翼无人机按机身体积可分为大型多旋翼无人机、中型多旋翼无人机和小型多旋翼无人机。

图2 换流变压器巡检设备和巡检点

鉴于小型多旋翼无人机体积小、飞行稳定、能够悬停等特点，可以将小型多旋翼无人机应用在较狭小的环境中，在其机身上搭载实时动态（RTK）载波相位差分定位系统，能够精准确定位置，精度可达cm级，确定航迹点即可实现无人机自主巡检飞行，使设备密集区域的巡检具有可行性。巡检安全路径的确定成为关键，换流变压器区域电磁环境复杂，需要结合仿真计算结果和无人机的耐受电磁场阈值，规划安全路径。

为规划安全的换流变压器巡检路径，湖北省输电线路工程技术研究中心（三峡大学）、三峡大学电气与新能源学院、国网湖北直流运检公司的普子恒、张隆、余欣芸等研究者，等比例地建立了某换流站换流变压器的仿真模型，对500 kV换流变压器区域的空间电磁场进行了计算，分析了无人机巡检换流变压器的安全飞行区域和无人机与巡检设备的安全距离，规划了无人机巡检点、巡检路径以及云台姿态，并利用自主巡检对换流变压器区域进行了实地飞行测试。

图3 单台换流变压器的巡检路径

图4 换流变压器区域无人机巡检路径

他们发现，换流变压器的强电磁场区域主要分布在高压套管和高压母线附近，绝缘子串附近电磁场强度较低，电场和磁场最大值均出现在高度为19000 mm时。无人机与高压套管和高压母线的最小安全距离分别为700mm和1500 mm。

图5 无人机巡检拍摄的设备图像

根据待巡检设备的巡检内容、设备坐标和安全距离等，研究者对无人机巡检点和巡检路径进行规划，并对飞行路径上的电磁场强度进行求解，路径上的最大电场强度为27 kV/m，最大磁感应强度为60 µT；考虑路径偏移500 mm时，电场强度最大为31.73 kV/m，磁感应强度最大为72.72 µT，均小于无人机可承受的电磁场安全阈值。

他们最后根据规划的巡检路径进行实地测试，发现无人机可以按照巡检路径安全、可靠地完成巡检作业，电磁干扰对其影响很小，拍摄效果良好，很好地验证了路径的可行性和合理性。

本工作成果发表在2023年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“500 kV换流变压器无人机巡检路径规划”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。