Výzkum a analýza technologií založených na dronech pro náhradu při údržbě vysokého napětí

V určitém regionu byly po údržbě přenosových linek vysokého napětí (UHV) identifikovány následující problémy: stávající drony nemají dostatečnou výkonnost, aby splňovaly aktuální rozsáhlé a rozsáhlé potřeby inspekce a údržby UHV linek. V praxi ukazují drony nedostatečnou dobu letu, omezenou schopnost získávání obrazů a špatnou odolnost proti elektromagnetickému rušení (EMI), což negativně ovlivňuje efektivitu inspekcí a brání přesné identifikaci vad na UHV linkách.

Vzhledem k velké délce přenosových linek UHV a vlivu místních přírodních podmínek nejsou drony vybavené detekčními zařízeními schopny dlouhodobého letu, což snižuje efektivitu inspekcí. V uvedeném případě dosahovaly i hybridní drony s pohonným systémem na palivo a elektriku dobu letu menší než 3 hodiny, což vyžaduje časté výměny baterií během inspekcí. Kromě toho aktuální systémy pro inspekci založené na dronech trpí nedostatkem funkční kompletnosti – nepodporují vícedimenzionální a multifunkční schopnosti inspekce – což vede k nedostatečné přesnosti inspekcí. To může způsobit prodlení v detekci a řešení vad na lince nebo jiných defektů, což má přímý dopad na normální přenos energie.

Aby se těmto výzvám vypořádali, naše společnost vyvinula novou technologii pro inspekci přenosových linek UHV, která integruje robotickou paži montovanou na dron. Toto řešení je přizpůsobeno specifické infrastruktuře UHV v daném regionu a založeno na současné výkonosti aplikací dronech v údržbě linek. Cílem je vyřešit uvedené problémy a splnit klíčové požadavky: nízké spotřebě energie, prodlouženou dobu letu, nízké náklady, vysokou nosnost a silnou vnímavost k prostředí.

1.Technické řešení: Dron s robotickou paží pro údržbu UHV linek
1.1 Návrh konceptu
Klíčové aspekty této technologie zahrnují izolační návrh, kontrolu pohybu robotické paže a podpůrné subsystémy. Zajištění racionálního technického návrhu je klíčové pro efektivní řešení stávajících výzev v údržbě UHV a překonání implementačních překážek.

Naše společnost komplexně vyhodnotila izolační požadavky prostředí údržby UHV na robotickou paž. Na základě toho jsme vypočítali maximální sílu elektrického pole a změny napětí, kterým je robotická paže, rotor, rámoví a trup vystaveni v různých vzdálenostech od živých vodičů. Poté byla navržena cílená výkonnostní testování, která posloužila jako základ pro následné zdokonalení technického řešení.

Vybrali jsme reprezentativní scénáře údržby UHV, abychom stanovili standardní pracovní postupy a bezpečnostní protokoly. Struktura robotické paže s více stupni volnosti byla optimalizována pro identifikaci nejvhodnější konfigurace dron–manipulátor. Vzhledem k unikátnímu provoznímu prostředí jsme také navrhli modernizaci původního hardwaru pro získávání obrazů a softwaru/hardwaru pro přenos dat v případové studii, aby byla zlepšena kvalita obrazu v reálném čase.

1.2 Opatření proti elektromagnetickému rušení (EMI)
Přenosové linky UHV v případové studii zahrnují dlouhé rozpětí a přechody, což vytváří složité a dynamické elektromagnetické prostředí. Silné elektromagnetické pole okolo linek a intenzivní signály ze sousedních komunikačních stanic mohou závažně rušit komunikaci systému dron–manipulátor. Kromě toho může během operací manipulátoru při dlouhodobém přenosu dat dojít ke křížení signálů, což ohrožuje operační bezpečnost.

Pro boj s tímto jevem naše společnost navrhuje následující opatření proti EMI:

• Analýza možného poškození vnitřních obvodů dronu vysokou intenzitou elektromagnetického pole poblíž UHV linek.

• Použití štítících úprav na povrchu trupu, signálových kabelech a všech spojích pouzdří.

• Rovnoměrné natření exteriéru dronu vodivou vrstvou specifikované tloušťky pro snížení elektromagnetického rušení. Pro komponenty, které nejsou vhodné k natření, se používá vazba měděným drátem, aby byla dosažena ekvivalentní štítivost.

1.3 Konstrukční návrh robotické paže
Jako je znázorněno na obrázku 1, robotická paže se skládá z:
(1) chytáku; (2) ochranné skříně serva; (3) adaptéra pro detektor nulové hodnoty; (4) adaptéra pro vysokovoltový tester; (5) izolační tyče; (6) omezovací tyče; (7) izolační vrstvy z epoxidové smoly; (8) ložiska specifického pro sklon; (9) spojovací tyče; (10) ložiska specifického pro val.

S ohledem na izolační požadavky v prostředí UHV navrhuje naše společnost instalaci izolačních šroubů mezi spodní částí dronu a podvozkem. Ocelový rám spojuje spodní stranu izolační vrstvy s ložiskem specifickým pro sklon, které je externě upnuté kolem kovového ložiska. Servomotor pro sklon je montován na pravé straně ložiska, což umožňuje pohyb robotické paže nahoru a dolů.

S ohledem na rušení způsobené vysokou intenzitou elektromagnetického pole v prostoru okolo přenosových linek navrhuje naše společnost instalaci vodičů pro pohon servomotoru uvnitř izolační tyče a vybavení serva speciální izolovanou ochrannou skříní. To efektivně izoluje serva od elektromagnetických vln generovaných externím vysokovoltovým prostředím. Kromě toho se na mezeře kolem serva používá vazba měděným drátem, aby bylo dosaženo rovnocenné vazby, což snižuje riziko poruchy vnitřních obvodů serva způsobené elektromagnetickými vlnami.

2.Simulační experiment inspekce přenosových linek UHV pomocí dronu s robotickou paží
2.1 Návrh simulace
Na základě záznamů o údržbě přenosových linek UHV v případové studii byly získány následující konstrukční parametry: celková výška rovné věže je 3200 mm; poloměr velkého štěrbinového hřebene je 2400 mm; poloměr středního štěrbinového hřebene je 3200 mm; poloměr malého štěrbinového hřebene je 2700 mm; a průměr vodiče je 17,48 mm, jak je znázorněno na obrázku 2.

V simulovaném experimentu byly pro vrtule, rámu a trup drona vybrány uhlíkové vláknité materiály, aby se zlepšila celková výkonnost systému.

S ohledem na vliv okolního prostorového elektrického pole na údržbu ultra-vysokého napětí (UHV) přenosových linek pomocí dronů, naše společnost nejprve vyvinula simulační model inspekčního systému s robotickou paží montovanou na dron. Pomocí metody konečných prvků jsme určili konkrétní dopad elektrického pole kolem UHV linek na údržbové operace s drony. Kromě toho jsme analyzovali maximální sílu elektrického pole a změny napětí, kterým je robotická paže, trup, vrtule a trup vystaveny za různých vzdáleností mezi levou stranou robotické paže a vodičem. To nám umožňuje posoudit, zda existují potenciální bezpečnostní rizika během inspekčních úkonů v blízkosti.

2.2 Simulační proces
2.2.1 Výkon inspekčního systému ve vzdálenosti 0,84 m od UHV přenosové linky
Naše společnost provedla simulace inspekčního systému s robotickou paží montovanou na dron, aby dále analyzovala jeho operační stav a rozložení prostorového elektrického pole poblíž vodiče, když byl umístěn 0,84 m od UHV přenosové linky.

Simulační výsledky ukázaly, že za těchto pracovních podmínek nebyly pozorovány žádné významné nepříznivé efekty elektrického pole na celkový inspekční systém. Bylo však zjištěno mírné zvýšení intenzity elektrického pole na levé straně robotické paže. Obecně platí, že pokud lokální síla elektrického pole přesáhne dielektrickou průrazovou sílu vzduchu (30 kV/cm), zvyšuje se riziko poruchy komponent, což může narušit stabilitu a bezpečnost systému.

Dále jsme zjistili, že s rostoucí vzdáleností mezi inspekčním systémem montovaným na dron a UHV linií klesá elektrický potenciál všech komponent. Na základě těchto změn potenciálu jsme určili napěťové úrovně a maximální síly elektrického pole, kterým jsou jednotlivé komponenty vystaveny v prostředí údržby.

Jak je uvedeno v tabulce 1, když je inspekční systém ve vzdálenosti 0,84 m od UHV linky, robotická paže zaznamenává sílu elektrického pole 3712 V/m a napětí 2069 V. Porovnání levé a pravé vrtule ukázalo, že levá vrtule trvale snáší vyšší sílu elektrického pole a napětí než pravá vrtule. Všechna data naznačují, že za těchto pracovních podmínek 0,84 m zůstává elektrické pole daleko pod prahem průrazu vzduchu, což eliminuje riziko elektrického výboje a zajišťuje bezpečné fungování inspekčního systému s robotickou paží montovanou na dron.

2.2.2 Výkon inspekčního systému ve vzdálenosti 0,34 m od UHV přenosové linky
Naše společnost také provedla simulace, aby analyzovala operační stav inspekčního systému s robotickou paží montovanou na dron a rozložení prostorového elektrického pole poblíž vodiče, když byl umístěn pouze 0,34 m od UHV přenosové linky.

Tabulka 1: Maximální síly elektrického pole a hodnoty napětí odpovídající každé komponentě inspekčního systému s robotickou paží montovanou na dron

Simulační výsledky ukázaly, že za těchto podmínek udržování vzdálenosti se změnila prostorová distribuce elektrického pole okolo vedení na levé straně robotické paže. Vzhledem k unikátnímu prostředí ultra-vysokého napětí (UHV) jsou vysoké elektrické pole velmi náchylné k vzniku jiskrování a povrchových přechodů.

Současně bylo zjištěno analýzou potenciálních změn různých komponent systému, že s rostoucí vzdáleností mezi inspekčním systémem s robotickou paží montovaným na dron a UHV vedením odpovídajícím způsobem klesá elektrický potenciál všech komponent.

Podle dat v tabulce 2, když je inspekční systém umístěn ve vzdálenosti 0,34 m od UHV vedení, ne přesahuje maximální síla elektrického pole pro jakoukoli komponentu v systému dielektrickou průraznou sílu vzduchu. Proto lze usoudit, že během údržbových prací nedojde k riziku průrazu, což zajišťuje bezpečnost a spolehlivost inspekčního systému s robotickou paží montovaným na dron v praktických aplikacích.

Tabulka 2: Maximální hodnoty síly elektrického pole a napětí odpovídající každé komponentě inspekčního systému s robotickou paží montovaným na dron

2.3 Testy odolnosti proti rušení pro robotickou paži montovanou na dronu při údržbě vysokého napětí

Pro test štítivosti dronu bylo použito vybavení zahrnující dron potažený vodivou barvou a multimetr. Vodivá barva byla rovnoměrně nanášena na povrch dronu s tloušťkou nevyšší než 0,05 mm. Za normálních podmínek byl změřen vnitřní odpor mezi dvěma body na povrchu dronu; hodnota nižší než 1 Ω naznačuje soulad se specifikovaným standardem.

Test zkreslení obrazu: Při použití technologie robotické paže montované na dronu pro inspekci veden může dojít k zkreslení obrazu kvůli faktorům jako je inerzní přesnost kamery gimbalu a kvalita montážních procesů. Toto zkreslení způsobuje rozdíly mezi zachycenými obrazy a skutečnou scénou, což může narušit schopnost údržbářů přesně identifikovat vadu nebo poruchu na vysokonapěťových veden.

Aby byla tato otázka vyřešena, naše technické tým vyvinul model korekce zkreslení obrazu založený na charakteristice zkreslení kamery gimbalu. Tento model je vyjádřen následujícím vzorcem:

V vzorci:
x,y jsou původní souřadnice bodu tangenciálního zkreslení v systému snímání;
x′,y′ jsou nové souřadnice bodu po korekci zkreslení;
p1,p2 jsou parametry tangenciálního zkreslení;
r je radiální vzdálenost od středu obrazu.

Zkreslení čočky fotoaparátu lze hlavně rozdělit do dvou typů: tangenciální a radiální zkreslení. Tangenciální zkreslení vzniká především proto, že prvky čočky a rovina obrazu fotoaparátu nejsou perfektně rovnoběžné. Radiální zkreslení naopak vzniká tím, že světelné paprsky se ohýbají více na pozicích dál od optického středu čočky, což vede k zkreslení rozprostřenému v radiálním směru čočky. Radiální zkreslení lze vyjádřit následujícím vzorcem:

V vzorci:
x,y jsou původní souřadnice bodu radiálního zkreslení v systému snímání;
x′,y′ jsou nové souřadnice bodu po korekci zkreslení;
k1,k2,k3 jsou parametry radiálního zkreslení;
r je radiální vzdálenost od středu obrazu.

Na základě tohoto navrhuje naše společnost použití kalibrační metody Zhang pro identifikaci radiálních komponent zkreslení, které nejvíce ovlivňují tvorbu obrazu, a rekonstrukci parametrů modelu. To umožňuje vzájemné mapování mezi souřadnicemi objektu v definovaném světovém souřadnicovém systému a pixelovými souřadnicemi v rovině obrazu, což umožňuje dokončit kalibraci kamery gimbalu. Tento přístup efektivně minimalizuje dopad tolerancí výroby čoček a montážních procesů na přesnost obrazu, zvyšuje jas obrazu a zajišťuje, aby vysokokvalitní obrazy vysokonapěťových (UHV) veden byly přenášeny zpět do systému v reálném čase bez prodlevy. To poskytuje údržbářům spolehlivá vizuální data pro přesné posouzení existence vad nebo poruch na veden.

Zkrátka, technologie inspekce pomocí robotické paže montované na dronu navržená v tomto článku splňuje aktuální požadavky na údržbu vysokonapěťových veden v oblasti nízké spotřeby energie, dlouhé výdrže, nízkých nákladů, vysoké nosnosti a silného vnímání prostředí. Překonává klíčové technologické laťky při nahrazování tradičních manuálních metod inspekce drony, zvyšuje celkovou úroveň operačních údržb a posiluje bezpečnost a spolehlivost přenosu a dodávky elektřiny.