بحث وتحليل تقنيات الاستبدال القائمة على الطائرات بدون طيار لصيانة خطوط نقل الكهرباء ذات الجهد الفائق

في منطقة معينة، بعد صيانة خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق (UHV)، تم تحديد القضايا التالية: الطائرات بدون طيار الموجودة لا تمتلك أداءً كافياً لتلبية الطلب الحالي على فحص وصيانة خطوط UHV بحجمها الكبير. في العمليات العملية، تعاني الطائرات بدون طيار من قدرة تحمل غير كافية، وقابلية استحواذ صور محدودة، ومقاومة ضعيفة للتشويش الكهرومغناطيسي (EMI)، مما يؤثر سلباً على فعالية الفحص ويمنع التعرف الدقيق على عيوب خطوط UHV.

بسبب طول خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق والتأثير البيئي المحلي، لا يمكن للطائرات بدون طيار المجهزة بأجهزة الكشف أن تستمر في الطيران لفترات طويلة، مما يقلل من كفاءة الفحص. في الحالة المذكورة، حققت الطائرات بدون طيار الهجينة التي تعمل بالكهرباء والنفط مدة طيران أقل من 3 ساعات، مما يتطلب استبدال البطاريات بشكل متكرر أثناء عمليات الفحص. بالإضافة إلى ذلك، تفتقر أنظمة الفحص القائمة على الطائرات بدون طيار إلى الوظائف الكاملة - فهي لا تدعم قدرات الفحص المتعددة الأبعاد والأدوات المتعددة الوظائف - مما يؤدي إلى دقة فحص غير كافية. هذا قد يؤدي إلى تأخير اكتشاف ومعالجة أعطال الخطوط أو العيوب الأخرى، مما يؤثر مباشرة على نقل الطاقة بشكل طبيعي.

للتغلب على هذه التحديات، طورت شركتنا تقنية جديدة لفحص خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق تتضمن ذراعاً روبوتياً مثبتاً على طائرة بدون طيار. يتم تصميم هذه الحل لتتناسب مع البنية التحتية الخاصة لـ UHV في المنطقة وبناءً على أداء التطبيقات الحالية للطائرات بدون طيار في صيانة الخطوط. يهدف إلى حل القضايا المذكورة أعلاه مع تلبية المتطلبات الرئيسية: استهلاك طاقة منخفض، قابلية تحمل طويلة، تكلفة منخفضة، قدرة حمل عالية، وإدراك بيئي قوي.

1.الحل التقني: ذراع روبوتي مثبت على طائرة بدون طيار لصيانة خطوط UHV
1.1 مفهوم التصميم
تشمل الاعتبارات الحرجة لهذه التقنية تصميم العزل، وتحكم حركة الذراع الروبوتية، وأنظمة الدعم الفرعية. من الضروري ضمان تصميم تقني مناسب لحل التحديات الحالية في صيانة UHV وتخطي العقبات في التنفيذ.

قامت شركتنا بتقييم شامل لمتطلبات العزل التي تفرضها بيئة صيانة UHV على الذراع الروبوتية. بناءً على ذلك، قمنا بحساب القوة الكهربائية القصوى والتغيرات في الجهد التي تواجه الذراع، والأجنحة، والإطار، والجسم عند مسافات مختلفة من الموصلات الحية. ثم تم تصميم اختبارات أداء مستهدفة لتقديم معلومات لتحسينات لاحقة للحل التقني.

اختارنا سيناريوهات صيانة UHV تمثيلية لتحديد الإجراءات التشغيلية القياسية وبروتوكولات السلامة. تم تحسين هيكل الذراع الروبوتية ذو الدرجات المتعددة من الحرية لتحديد التكوين الأكثر توافقاً بين الطائرة بدون طيار والذراع الروبوتية. نظرًا للبيئة التشغيلية الفريدة، اقترحنا أيضًا ترقية الأجهزة الأصلية لاستحواذ الصور والبرمجيات/الأجهزة لنقل البيانات في حالة الدراسة لتعزيز جودة الصور في الوقت الحقيقي.

1.2 إجراءات التخفيف من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)
تتضمن خطوط UHV في الحالة فواصل طويلة وممرات، مما يخلق بيئة كهرومغناطيسية معقدة وديناميكية. المجالات الكهرومغناطيسية القوية حول الخطوط والإشارات القوية من محطات الاتصال المجاورة يمكن أن تشوه بشدة اتصالات نظام الطائرة بدون طيار-الذراع الروبوتية. بالإضافة إلى ذلك، قد تسبب عملية نقل البيانات على مسافات طويلة خلال عمليات الذراع الروبوتية تداخلًا، مما يعرض السلامة التشغيلية للخطر.

لمواجهة ذلك، تقدم شركتنا الإجراءات التالية للتخفيف من التداخل الكهرومغناطيسي:

• تحليل الأضرار المحتملة للمجالات الكهرومغناطيسية عالية الشدة بالقرب من خطوط UHV على الدوائر الداخلية للطائرة بدون طيار.

• تطبيق معالجات العزل على سطح الهيكل وأسلاك الإشارات وكل فتحات الغلاف.

• رش طلاء موصل بسمك محدد على الخارج للطائرة بدون طيار لتخفيف التداخل الكهرومغناطيسي. بالنسبة للأجزاء غير المناسبة للطلاء، يتم استخدام ربط أسلاك النحاس لتحقيق نفس فعالية العزل.

1.3 تصميم هيكل الذراع الروبوتية
كما هو موضح في الشكل 1، تتكون الذراع الروبوتية من:
(1) الممسك؛ (2) صندوق حماية الخادم؛ (3) مكيف مُعد للكاشف الصفر؛ (4) مكيف مُعد للمختبر الكهربائي العالي الجهد؛ (5) القضيب العازل؛ (6) قضيب التقييد؛ (7) طبقة عازلة من الراتنج الايبوكسي؛ (8) كم مشدد خاص بالميل؛ (9) قضيب ربط؛ (10) كم مشدد خاص باللف.

مع الأخذ في الاعتبار متطلبات العزل في بيئة UHV، تقترح شركتنا تركيب براغي عازلة بين الجزء السفلي للطائرة بدون طيار والمعدات الهبوط. يربط الإطار الفولاذي الجانب السفلي من الطبقة العازلة بكَم المشدد الخاص بالميل، والذي يتم تثبيته خارجياً حول محمل معدني. يتم تركيب محرك الخادم الميلاني على الجانب الأيمن من المحمل، مما يحرك آلية الميل والسماح للذراع الروبوتية بالتحرك لأعلى ولأسفل.

مع الأخذ في الاعتبار التداخل الناجم عن المجالات الكهرومغناطيسية عالية الشدة في المساحة المحيطة بالخطوط، تقترح شركتنا تركيب خطوط تشغيل محرك الخادم داخل القضيب العازل وتزويد الخادم بغلاف حماية عازل مخصص. هذا يعزل الخادم بشكل فعال عن التفجيرات الكهرومغناطيسية الناتجة عن البيئة الخارجية ذات الجهد العالي. بالإضافة إلى ذلك، يتم تطبيق ربط أسلاك النحاس حول الفجوات حول الخادم لتحقيق التوصيل على مستوى واحد، مما يقلل من خطر الانهيار الناجم عن الموجات الكهرومغناطيسية في الدوائر الداخلية للخادم.

2.تجربة محاكاة لفحص خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق باستخدام ذراع روبوتي مثبت على طائرة بدون طيار
2.1 تصميم المحاكاة
بناءً على سجلات الصيانة لخطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق في الحالة، تم الحصول على المعالم الهيكلية التالية: ارتفاع البرج المستقيم الكلي هو 3200 مم؛ نصف قطر المظلة الكبيرة هو 2400 مم؛ نصف قطر المظلة المتوسطة هو 3200 مم؛ نصف قطر المظلة الصغيرة هو 2700 مم؛ وقطر الموصل هو 17.48 مم، كما هو موضح في الشكل 2.

في التجربة المحاكاة، تم اختيار المواد الألياف الكربونية لنظام الطائرة بدون طيار للشراع والهيكل والجسم الرئيسي لتعزيز أداءه العام.

مع الأخذ في الاعتبار تأثير المجال الكهربائي المكاني المحيط على عمليات الصيانة القائمة على الطائرات بدون طيار لخطوط نقل التيار الكهربائي فائق الجهد (UHV)، قام شركتنا بتطوير نموذج محاكاة لأول مرة لنظام الفحص بالذراع الروبوتية المثبتة على الطائرة بدون طيار. باستخدام تحليل العناصر المحدودة، حددنا التأثير المحدد للمجال الكهربائي حول خطوط UHV على عمليات صيانة الطائرات بدون طيار. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتحليل القوة القصوى للمجال الكهربائي والتغيرات في الجهد التي تعرض لها الذراع الروبوتية والهيكل والروتور والجسم الرئيسي تحت مسافات مختلفة بين الجانب الأيسر من الذراع الروبوتية والموصل. وهذا يسمح لنا بتقييم ما إذا كانت هناك مخاطر سلامة محتملة أثناء مهام الفحص القريبة.

2.2 عملية المحاكاة
2.2.1 أداء نظام الفحص عند 0.84 متر من خط نقل التيار الكهربائي فائق الجهد
قامت شركتنا بإجراء تجارب محاكاة لنظام الفحص بالذراع الروبوتية المثبتة على الطائرة بدون طيار لتحليل حالة التشغيل وتوزيع المجال الكهربائي المكاني بالقرب من الموصل عندما يكون النظام موضعًا على بعد 0.84 متر من خط نقل التيار الكهربائي فائق الجهد.

أظهرت نتائج المحاكاة أنه تحت هذه الظروف العمل، لم يتم ملاحظة تأثيرات سلبية كبيرة للمجال الكهربائي على النظام الفحصي ككل. ومع ذلك، تم اكتشاف زيادة طفيفة في شدة المجال الكهربائي على الجانب الأيسر من الذراع الروبوتية. بشكل عام، إذا تجاوزت شدة المجال الكهربائي المحلية قوة انهيار العازل للهواء (30 كيلوفولت/سم)، فإن خطر انكسار المكونات يزيد مما يعرض استقرار النظام وأمانه للخطر.

بالإضافة إلى ذلك، من خلال فحص توزيع الجهد المحتمل عبر مكونات النظام، وجدنا أن كلما زادت المسافة بين نظام الفحص المثبت على الطائرة بدون طيار وخط UHV، ينخفض الجهد الكهربائي لكل المكونات بشكل متناسب. بناءً على هذه التغيرات في الجهد المحتمل، حددنا مستويات الجهد والقوى القصوى للمجال الكهربائي التي يتعرض لها كل مكون في بيئة الصيانة.

كما هو موضح في الجدول 1، عندما يكون نظام الفحص على بعد 0.84 متر من خط UHV، تتعرض الذراع الروبوتية لقوة مجال كهربائي تبلغ 3712 فولت/متر وجهد يبلغ 2069 فولت. وقد أظهرت المقارنة بين الروتور الأيسر والأيمن أن الروتور الأيسر يتحمل دائمًا قوة مجال كهربائي أعلى وجهد أعلى من الروتور الأيمن. تشير جميع البيانات إلى أنه عند هذا البعد التشغيلي البالغ 0.84 متر، يظل المجال الكهربائي أقل بكثير من عتبة انهيار الهواء، مما لا يشكل أي خطر من التفريغ الكهربائي ويضمن تشغيل آمن لنظام الفحص بالذراع الروبوتية المثبتة على الطائرة بدون طيار.

2.2.2 أداء نظام الفحص عند 0.34 متر من خط نقل التيار الكهربائي فائق الجهد
قامت شركتنا أيضًا بإجراء تجارب محاكاة لتحليل حالة التشغيل وتوزيع المجال الكهربائي المكاني بالقرب من الموصل عندما يكون النظام موضعًا على بعد 0.34 متر فقط من خط نقل التيار الكهربائي فائق الجهد.

الجدول 1: أقصى قوة مجال كهربائي وقيم الجهد المقابلة لكل مكون من مكونات نظام الفحص بالذراع الروبوتية المثبتة على الطائرة بدون طيار

أظهرت نتائج المحاكاة أنه تحت شرط صيانة مسافة الفصل هذه، تغير توزيع المجال الكهربائي المكاني حول خط النقل الموجود على الجانب الأيسر للذراع الروبوتية. ونظرًا للبيئة الفريدة لخطوط النقل فائقة الجهد (UHV)، فإن المجالات الكهربائية العالية عرضة جدًا للتسبب في مشاكل القوس الكهربائي والتفريغ السطحي.

وفي الوقت نفسه، من خلال تحليل التغيرات المحتملة لمختلف المكونات في النظام، تم اكتشاف أنه مع زيادة المسافة بين نظام التفتيش بالذراع الروبوتية المحمولة على الطائرة المُسيرة وخط النقل فائق الجهد (UHV)، ينخفض الجهد الكهربائي لكل المكونات بشكل متناسب.

وفقًا للبيانات الواردة في الجدول 2، عندما يكون نظام التفتيش على بُعد 0.34 متر من خط النقل فائق الجهد (UHV)، فإن أقصى شدة مجال كهربائي يتعرض لها أي مكون في النظام لا تتجاوز قوة الانهيار العازل للهواء. لذلك، يتم الاستنتاج أنه لن يحدث خطر انهيار أثناء عملية الصيانة، مما يضمن سلامة وموثوقية نظام التفتيش بالذراع الروبوتية المثبت على الطائرة المُسيرة في التطبيقات العملية.

الجدول 2: أقصى شدة للمجال الكهربائي وقيم الجهد المقابلة لكل مكون من مكونات نظام التفتيش بالذراع الروبوتية المثبت على الطائرة المُسيرة

2.3 اختبارات قدرة مقاومة التداخل للذراع الروبوتية المثبتة على الطائرة بدون طيار في صيانة خطوط النقل الكهربائي

لإجراء اختبار أداء حجب الطائرة بدون طيار، تضمن معدات الاختبار طائرة بدون طيار مغطاة بطلاء موصل ومتعدد الاستخدامات. تم رش الطلاء الموصل بشكل موحد على سطح الطائرة بدون طيار بسمك لا يتجاوز 0.05 مم. تحت الظروف البيئية العادية، تم قياس المقاومة الداخلية بين نقطتين على سطح الطائرة بدون طيار؛ قيمة أقل من 1 أوم تشير إلى التوافق مع المعيار المحدد.

اختبار تشويه الصورة: عند استخدام تقنية الذراع الروبوتية المثبتة على الطائرة بدون طيار للفحص الخطي، قد يحدث تشويه في الصورة بسبب عوامل مثل الدقة الفطرية لعدسة الكاميرا الجيمبال وكفاءة عمليات التجميع. يؤدي هذا التشويه إلى اختلافات بين الصور الملتقطة والمشهد الفعلي، مما قد يضعف قدرة فريق الصيانة على تحديد الأعطال أو العيوب في خطوط نقل الكهرباء ذات الجهد العالي جدًا بدقة.

لحل هذه المشكلة، طور فريقنا الفني نموذج تصحيح تشويه الصورة استنادًا إلى خصائص تشويه عدسة الكاميرا الجيمبال. يتم التعبير عن هذا النموذج بالصيغة التالية:

في الصيغة:
x، y هما الإحداثيات الأصلية لنقطة التشويه المماسي في نظام التصوير؛
x′، y′ هما الإحداثيات الجديدة للنقطة بعد تصحيح التشويه؛
p1، p2 هما معلمات التشويه المماسي؛
r هي المسافة الشعاعية من مركز الصورة.

يمكن تصنيف تشويه عدسة الكاميرا بشكل أساسي إلى نوعين: التشويه المماسي والتشويه الشعاعي. ينشأ التشويه المماسي بشكل أساسي لأن عناصر العدسة ومستوى صورة الكاميرا ليست متوازية تمامًا. بينما يحدث التشويه الشعاعي لأن أشعة الضوء تنحنى بشكل أكبر في المواقع البعيدة عن المركز البصري للعدسة، مما يؤدي إلى تشويه موزع على امتداد الاتجاه الشعاعي للعدسة. يمكن التعبير عن التشويه الشعاعي بالصيغة التالية:

في الصيغة:
x، y هما الإحداثيات الأصلية لنقطة التشويه الشعاعي في نظام التصوير؛
x′، y′ هما الإحداثيات الجديدة للنقطة بعد تصحيح التشويه؛
k1، k2، k3 هم معلمات التشويه الشعاعي؛
r هي المسافة الشعاعية من مركز الصورة.

بناءً على ذلك، تقترح شركتنا استخدام طريقة تقويم زانغ لتحديد المكونات الرئيسية للتقويس الشعاعي التي تؤثر بشكل كبير على تكوين الصورة وإعادة بناء معلمات النموذج. يتيح هذا التقويم التقابل المتبادل بين إحداثيات الجسم في نظام إحداثيات العالم المحدد وإحداثيات البكسل في مستوى الصورة، مما يكمل عملية تقويم كاميرا الجيمبال. هذا النهج يقلل بشكل فعال من تأثير تسامح تصنيع العدسة وعمليات التجميع على دقة الصورة، ويحسن وضوح الصورة، ويضمن أن يتم نقل صور عالية الدقة لخطوط نقل الكهرباء ذات الجهد العالي جدًا إلى النظام في الوقت الفعلي دون تأخير. هذا يوفر بيانات بصرية موثوقة لفريق الصيانة لتقييم بدقة وجود أعطال أو عيوب في الخطوط.

بشكل موجز، تقنية فحص الذراع الروبوتية المثبتة على الطائرة بدون طيار المقترحة في هذا البحث تلبي متطلبات صيانة خطوط نقل الكهرباء ذات الجهد العالي الحالية من حيث استهلاك الطاقة المنخفض والمدى الطويل والتكلفة المنخفضة والسعة الحمولة العالية والحاسة البيئية القوية. كما أنها تتجاوز العقبات التقنية الرئيسية في استبدال طرق الفحص اليدوية التقليدية بالطائرات بدون طيار، وتزيد من مستوى عمليات الصيانة بشكل عام، وتعزز الأمان والموثوقية في نقل وتزويد الكهرباء.