Recerca i Anàlisi de Tecnologies de Substitució Basades en Drons per al Manteniment de Línies d'Alta Tensió Ultra Elevada

En una determinada regió, després de la manteniment de les línies d'alta tensió (UHV), es van identificar els següents problemes: els drons existents no tenen un rendiment suficient per satisfer les demandes actuals d'inspecció i manteniment a gran escala de les línies UHV. En les operacions pràctiques, els drons mostren una durada insuficient, una capacitat limitada d'adquisició d'imatges i una pobra resistència a la interferència electromagnètica (EMI), el que afecta negativament l'eficàcia de l'inspecció i impedeix la identificació precisa dels defectes de les línies UHV.

Degut a la considerable longitud de les línies d'alta tensió UHV i la influència de l'entorn natural local, els drons dotats d'aparells de detecció no poden sostenir volades prolongades, reduint l'eficiència de l'inspecció. En el cas citat, fins i tot els drons híbrids d'oli-elèctric van assolir una durada de vol inferior a 3 hores, necessitant freqüents canvis de bateria durant les inspeccions. A més, els sistemes d'inspecció basats en drons actuals no són funcionalment complets—no suporten capacitats d'inspecció multidimensionals i multifuncionals—resultant en una precisió insuficient de l'inspecció. Això pot retardar la detecció i gestió de falles o altres defectes de les línies, afectant directament la transmissió normal d'energia.

Per abordar aquests reptes, la nostra companyia ha desenvolupat una nova tecnologia d'inspecció de línies de transmissió UHV que integra un manipulador robòtic muntat en un dron. Aquesta solució està adaptada a l'infraestructura UHV específica de la regió i informada pel rendiment actual de l'aplicació de drons en el manteniment de línies. El seu objectiu és resoldre els problemes mencionats, mentre satisfa els requisits clau: baix consum d'energia, durada de vol allargada, baix cost, gran capacitat de càrrega útil i forta percepció ambiental.

1.Solució Tècnica: Manipulador Robòtic Muntat en Dron per al Manteniment de Línies UHV
1.1 Concepte de Disseny
Els aspectes crítics d'aquesta tecnologia inclouen el disseny d'isolament, el control de moviment del braç robòtic i els subsistemes de suport. Assegurar un disseny tècnic raonable és essencial per resoldre efectivament els reptes existents en el manteniment UHV i superar els colls d'embolcallament de la implementació.

La nostra companyia va avaluar de manera integral els requisits d'isolament imposats per l'entorn de manteniment UHV al braç robòtic. Basant-nos en això, vam calcular la força elèctrica màxima i les variacions de tensió experimentades pel braç, rotores, marc i fuselatge a diverses distàncies dels conductors en activitat. Es van dissenyar a continuació proves de rendiment dirigides per informar refinaments posteriors de la solució tècnica.

Vam seleccionar escenaris representatius de manteniment UHV per definir procediments operatius estàndard i protocols de seguretat. La estructura de múltiples graus de llibertat del braç robòtic va ser optimitzada per identificar la configuració de dron-manipulador més compatible. Donat l'entorn operatiu únic, també vam proposar l'actualització del maquinari d'adquisició d'imatges original i el programari/hardware de transmissió de dades en l'estudi de cas per millorar la qualitat d'imatge en temps real.

1.2 Mesures de Mitigació de la Interferència Electromagnètica (EMI)
Les línies UHV en el cas involucren travessies llargues i creuen, creant un entorn electromagnètic complex i dinàmic. Els camps electromagnètics forts al voltant de les línies i els senyals intensos de les estacions de base de comunicació propers poden interferir greument amb les comunicacions del sistema dron-manipulador. A més, la transmissió de dades a llarga distància durant les operacions del manipulador pot causar crosstalk, comprometent la seguretat operativa.

Per contrarestar això, la nostra companyia proposa les següents mesures d'escudament EMI:

• Analitzar el possible dany causat pels camps electromagnètics d'alta intensitat propers a les línies UHV als circuits interns del dron.

• Aplicar tractaments d'escudament a la superfície del fuselatge, cables de senyal i totes les juntes de carrosserie.

• Pintar uniformement un revestiment conductor d'un espessor especificat a l'exterior del dron per mitigar la interferència electromagnètica. Per a components inapropiats per a la pintura, s'utilitza la connexió amb fil de cobre per aconseguir una eficàcia d'escudament equivalent.

1.3 Disseny Estructural del Braç Robòtic
Com es mostra en la Figura 1, el braç robòtic consta de:
(1) Gripper; (2) Caixa de protecció del servo; (3) Adaptador de detector de valor zero; (4) Adaptador de prova de alta tensió; (5) Bastó aïllant; (6) Bastó limitador; (7) Capa aïllant d'epoxi; (8) Màngera de rodaments específics de guiadura; (9) Barra de connectió; (10) Màngera de rodaments específics de rotació.

Considerant els requisits d'aislament en entorns UHV, la nostra companyia proposa instal·lar bolts aïllants entre la part inferior del dron i el tren de caiguda. Un marc d'acer connecta la part inferior de la capa aïllant amb la màngera de rodaments específics de guiadura, que està fixada externament al voltant d'un rodaments metàl·lic. El motor servo de guiadura està muntat a la dreta del rodaments, impulsant el mecanisme de guiadura per permetre el moviment amunt i avall del braç robòtic.

Considerant la interferència causada pels camps electromagnètics d'alta intensitat en l'espai al voltant de les línies de transmissió, la nostra companyia proposa instal·lar les línies de conducció del motor servo dins del bastó aïllant i dotar el servo d'una capsa protectora aïllada dedicada. Això aïlla eficacement el servo de les ones electromagnètiques generades per l'entorn d'alta tensió extern. A més, s'aplica la connexió amb fil de cobre a les fentes al voltant del servo per aconseguir una equipotencial, reduint així el risc de trencament induït per ones electromagnètiques en els circuits interns del servo.

2.Experiment de Simulació d'Inspecció de Línies de Transmissió UHV Usant un Braç Robòtic Muntat en Dron
2.1 Disseny de la Simulació
Basant-nos en els registres de manteniment de les línies de transmissió UHV en l'estudi de cas, es van obtenir els següents paràmetres estructurals: l'alçada total de la torre en línia recta és de 3200 mm; el radi gran de la gota és de 2400 mm; el radi mitjà de la gota és de 3200 mm; el radi petit de la gota és de 2700 mm; i el diàmetre del conductor és de 17,48 mm, com es mostra en la Figura 2.

En l'experiment de simulació, el sistema de drons va seleccionar materials de fibra de carboni per a les hèlices, la estructura i la fuselatge per millorar el seu rendiment general.

Tenint en compte l'influència del camp elèctric espacial ambiental en les operacions de manteniment basades en drons per a línies d'alta tensió (UHV), la nostra companyia va desenvolupar primer un model de simulació del sistema d'inspecció amb braç robòtic muntat en dron. Utilitzant l'anàlisi d'elements finits, vam determinar l'impacte específic del camp elèctric al voltant de les línies UHV en les operacions de manteniment del dron. A més, vam analitzar la màxima intensitat del camp elèctric i les variacions de tensió experimentades pel braç robòtic, la fuselatge, les hèlices i el fuselatge sota diferents distàncies entre el costat esquerre del braç robòtic i el conductor. Això ens permet avaluar si existeixen possibles riscos de seguretat durant les tasques d'inspecció a proximitat.

2.2 Processos de simulació
2.2.1 Rendiment del sistema d'inspecció a 0,84 m de la línia de transmissió UHV
La nostra companyia va realitzar experiments de simulació en el sistema d'inspecció amb braç robòtic muntat en dron per analitzar més a fons el seu estat operatiu i la distribució del camp elèctric espacial proper al conductor quan estava situat a 0,84 m de la línia de transmissió UHV.

Els resultats de la simulació van mostrar que, en aquesta condició de treball, no es van observar efectes adversos significatius del camp elèctric sobre el sistema d'inspecció en general. No obstant això, es va detectar una lleugera augmentació de la intensitat del camp elèctric al costat esquerre del braç robòtic. Generalment, si la intensitat local del camp elèctric supera la resistència dielèctrica de l'aire (30 kV/cm), augmenta el risc de descomposició dels components, comprometent la estabilitat i seguretat del sistema.

A més, examinant la distribució de potencial (tensió) en els components del sistema, vam trobar que, a mesura que augmenta la distància entre el sistema d'inspecció muntat en dron i la línia UHV, el potencial elèctric de tots els components disminueix en conseqüència. Basant-nos en aquestes variacions de potencial, vam determinar els nivells de tensió i les màximes intensitats del camp elèctric que cada component experimenta en l'entorn de manteniment.

Com es mostra a la Taula 1, quan el sistema d'inspecció està a 0,84 m de la línia UHV, el braç robòtic experimenta una intensitat de camp elèctric de 3712 V/m i una tensió de 2069 V. Un comparació entre les hèlices esquerra i dreta va revelar que la hèlice esquerra soporta consistentment una major intensitat de camp elèctric i tensió que la hèlice dreta. Tots els dades indiquen que, en aquesta distància operativa de 0,84 m, el camp elèctric roman ben per sota del llindar de descomposició de l'aire, sense risc d'esclatament elèctric i assegurant una operació segura del sistema d'inspecció amb braç robòtic muntat en dron.

2.2.2 Rendiment del sistema d'inspecció a 0,34 m de la línia de transmissió UHV
La nostra companyia també va realitzar experiments de simulació per analitzar l'estat operatiu del sistema d'inspecció amb braç robòtic muntat en dron i la distribució del camp elèctric espacial proper al conductor quan estava situat només a 0,34 m de la línia de transmissió UHV.

Taula 1: Màximes intensitats de camp elèctric i valors de tensió corresponents a cada component del sistema d'inspecció amb braç robòtic muntat en dron

Els resultats de la simulació van mostrar que, en aquestes condicions de manteniment de la distància de separació, la distribució del camp elèctric espacial al voltant de la línia d'alta tensió a l'esquerra del braç robòtic va canviar. A causa de l'entorn únic de les línies d'alta tensió (UHV), els camps elèctrics de alta tensió són molt propensos a causar problemes d'arc voltaic i flashover superficial.

Alhora, analitzant les variacions de potencial de diversos components del sistema, es va trobar que, a mesura que augmenta la distància entre el sistema d'inspecció amb braç robòtic muntat en dron i la línia d'alta tensió UHV, el potencial elèctric de tots els components disminueix corresponentment.

Segons les dades de la Taula 2, quan el sistema d'inspecció està situat a 0,34 m de la línia d'alta tensió UHV, la força màxima del camp elèctric experimentada per qualsevol component del sistema no supera la fortalesa de ruptura dielèctrica de l'aire. Per tant, es conclou que no hi haurà risc de ruptura durant l'operació de manteniment, assegurant la seguretat i fiabilitat del sistema d'inspecció amb braç robòtic muntat en dron en aplicacions pràctiques.

Taula 2: Força Màxima del Camp Elèctric i Valors de Voltatge Correspondents a Cada Component del Sistema d'Inspecció amb Braç Robòtic Muntat en Dron

2.3 Proves de capacitat anti-interferència del braç robòtic muntat en dron per a la manteniment de línies d'alta tensió

Per a la prova de blindatge del dron, l'equipament de prova incloïa un dron revestit amb pintura conductora i un multimetre. La pintura conductora va ser asprada uniformement sobre la superfície del dron amb un gruix que no superava els 0,05 mm. En condicions ambientals normals, es va mesurar la resistència interna entre dos punts de la superfície del dron; un valor inferior a 1 Ω indica conformitat amb l'estàndard especificat.

Prova de distorsió d'imatge: Quan s'aplica la tecnologia del braç robòtic muntat en dron per a la inspecció de línies, pot produir-se una distorsió d'imatge deguda a factors com la precisió inherent de l'objectiu de la càmera gimballed i la qualitat dels processos d'ensamblatge. Aquesta distorsió provoca discrepàncies entre les imatges capturades i la escena real, potencialment deteriorant la capacitat del personal de manteniment per identificar correctament faltes o defectes en línies d'ultra alta tensió (UHV).

Per abordar aquest problema, el nostre equip tècnic va desenvolupar un model de correcció de distorsió d'imatge basat en les característiques de distorsió de l'objectiu de la càmera gimballed. Aquest model es expressa per la fórmula següent:

En la fórmula:
x,y són les coordenades originals d'un punt de distorsió tangencial al sistema d'imaging;
x′,y′ són les noves coordenades del punt després de la correcció de distorsió;
p1,p2 són els paràmetres de distorsió tangencial;
r és la distància radial des del centre de la imatge.

La distorsió de l'objectiu de la càmera es classifica principalment en dos tipus: distorsió tangencial i radial. La distorsió tangencial apareix principalment perquè els elements de l'objectiu i el pla d'imatge de la càmera no són perfectament paral·lels. D'altra banda, la distorsió radial ocorre perquè els raigs de llum es corben més significativament en posicions més allunyades del centre òptic de l'objectiu, resultant en una distorsió distribuïda en la direcció radial de l'objectiu. La distorsió radial es pot expressar per la fórmula següent:

En la fórmula:
x,y són les coordenades originals d'un punt distorsionat radialment al sistema d'imaging;
x′,y′ són les noves coordenades del punt després de la correcció de distorsió;
k1,k2,k3 són els paràmetres de distorsió radial;
r és la distància radial des del centre de la imatge.

Sobre aquesta base, la nostra companyia proposa utilitzar el mètode de calibratge de Zhang per identificar els components de distorsió radial que més afecten la formació de la imatge, i reconstruir els paràmetres del model. Això permet un mapeig mútu entre les coordenades de l'objecte en un sistema de coordenades del món definit i les coordenades de píxel en el pla d'imatge, completant així la calibratge de la càmera gimballed. Aquest enfocament mitiga efectivament l'impacte de les toleràncies de fabricació de l'objectiu i els processos d'ensamblatge sobre la precisió de la imatge, augmenta la claror de la imatge, i assegura que les imatges d'alta definició de línies d'ultra alta tensió (UHV) s'enviïn al sistema en temps real sense retards. Això proporciona al personal de manteniment dades visuals fiables per avaluar amb precisió si hi ha faltes o defectes en les línies.

En resum, la tecnologia d'inspecció del braç robòtic muntat en dron proposada en aquest document compleix els requisits actuals de manteniment de línies d'ultra alta tensió en termes de baix consum energètic, durada llarga, cost reduït, gran capacitat de càrrega útil i forta percepció ambiental. Supera els col·lectors tècnics clau en la substitució dels mètodes tradicionals d'inspecció manual amb drones, eleva el nivell general de les operacions de manteniment i reforça la seguretat i fiabilitat de la transmissió i subministrament d'energia.