Έρευνα και Ανάλυση των Τεχνολογιών Αντικατάστασης με Δρόνους για τη Συντήρηση Γραμμών Υπερψηλής Τάσης

Σε μια συγκεκριμένη περιοχή, μετά την διατήρηση των γραμμών υψηλής έντασης (UHV), αναδείχθηκαν τα εξής ζητήματα: οι υφιστάμενες δρόνες δεν διαθέτουν αρκετή απόδοση για να καλύψουν τις τρέχουσες μεγάλες και εκτεταμένες απαιτήσεις ελέγχου και διατήρησης των γραμμών UHV. Στις πρακτικές λειτουργίες, οι δρόνες εμφανίζουν ανεπαρκή διάρκεια λειτουργίας, περιορισμένη δυνατότητα απόκτησης εικόνας και χαμηλή αντοχή σε ηλεκτρομαγνητική διαταραχή (EMI), που έχει αρνητική επίδραση στην αποτελεσματικότητα του ελέγχου και εμποδίζει την ακριβή αναγνώριση των παραβιάσεων των γραμμών UHV.

Λόγω του σημαντικού μήκους των γραμμών UHV και της επιρροής της τοπικής φυσικής περιβάλλοντος, οι δρόνες εξοπλισμένες με συστήματα ελέγχου δεν μπορούν να διατηρήσουν μακρά πτήση, μειώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα του ελέγχου. Στην αναφερθείσα περίπτωση, ακόμη και οι δρόνες με σύστημα υβριδικής λειτουργίας πετρελαϊκής-ηλεκτρικής ενέργειας επιτύχαναν μια διάρκεια πτήσης λιγότερη από 3 ώρες, απαιτώντας συχνή αντικατάσταση των μπαταριών κατά τη διάρκεια των ελέγχων. Επιπλέον, τα συστήματα ελέγχου βασισμένα σε δρόνες δεν διαθέτουν λειτουργική πληρότητα—δεν υποστηρίζουν πολυδιάστατες, πολυλειτουργικές δυνατότητες ελέγχου—που οδηγεί σε ανεπαρκή ακρίβεια ελέγχου. Αυτό μπορεί να καθυστερήσει την ανίχνευση και την επεξεργασία παραβιάσεων ή άλλων λανθανόντων προβλημάτων, επηρεάζοντας άμεσα την κανονική μεταφορά ρεύματος.

Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, η εταιρεία μας ανέπτυξε μια νέα τεχνολογία ελέγχου γραμμών UHV που ενσωματώνει ένα ρομποτικό χέρι σε δρόνη. Αυτή η λύση είναι προσαρμοσμένη στη συγκεκριμένη υποδομή UHV της περιοχής και είναι επηρεασμένη από την τρέχουσα απόδοση εφαρμογών δρόνων στη διατήρηση γραμμών. Στόχος της είναι να επιλύσει τα προαναφερθέντα ζητήματα, ενώ πληροί τις βασικές απαιτήσεις: χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, μεγαλύτερη διάρκεια λειτουργίας, χαμηλό κόστος, μεγάλη δυνατότητα φορτίου και ισχυρή αντίληψη του περιβάλλοντος.

1.Τεχνική Λύση: Ρομποτικό Χέρι Εγκατεστημένο σε Δρόνη για τη Διατήρηση Γραμμών UHV
1.1 Κατανοητική Έννοια
Κρίσιμες πτυχές αυτής της τεχνολογίας περιλαμβάνουν τον σχεδιασμό με απομόνωση, τον έλεγχο κίνησης του ρομποτικού χεριού και τα υποστηρικτικά υποσυστήματα. Η εγγύηση λογικής τεχνικής σχεδίασης είναι ζωτική για την αποτελεσματική επίλυση των υφιστάμενων προκλήσεων διατήρησης UHV και την ξεπέραση των περιορισμών εφαρμογής.

Η εταιρεία μας έκανε ολοκληρωμένη αξιολόγηση των απαιτήσεων απομόνωσης που επιβάλλει το περιβάλλον διατήρησης UHV στο ρομποτικό χέρι. Με βάση αυτό, υπολογίστηκε η μέγιστη ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου και οι μεταβολές της τάσης που εμπειρεύεται το χέρι, οι ροτόρες, το πλαίσιο και το σώμα σε διάφορες αποστάσεις από τους ζωντανούς ηλεκτροδοτικούς καθοδηγητές. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκαν στοχευμένες δοκιμές απόδοσης για να προσδιορίσουν τις επόμενες βελτιώσεις της τεχνικής λύσης.

Επιλέξαμε εκπροσωπικά σενάρια διατήρησης UHV για να καθορίσουμε τις τυπικές διαδικασίες λειτουργίας και πρωτοκόλλα ασφάλειας. Το πολυβαθμικό δομικό χέρι του ρομποτικού χέριος βελτιώθηκε για να αναγνωρίσει την πιο συμβατή διάταξη δρόνης-χεριού. Λόγω του μοναδικού λειτουργικού περιβάλλοντος, πρότειναμε επίσης την ενημέρωση της αρχικής εξοπλισμού απόκτησης εικόνας και του λογισμικού/εξοπλισμού μεταφοράς δεδομένων στην περίπτωση μελέτης για τη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας σε πραγματικό χρόνο.

1.2 Μέτρα Περιορισμού Ηλεκτρομαγνητικής Διαταραχής (EMI)
Οι γραμμές UHV στην περίπτωση περιλαμβάνουν μεγάλες αποστάσεις και διασταύρωση, δημιουργώντας ένα πολύπλοκο και δυναμικό ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον. Ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία γύρω από τις γραμμές και έντονα σήματα από κοντινές βάσεις επικοινωνίας μπορούν να επιβαρύνουν σοβαρά την επικοινωνία του συστήματος δρόνης-χεριού. Επιπλέον, η μεταφορά δεδομένων μεγάλων αποστάσεων κατά τη διάρκεια των λειτουργιών του χεριού μπορεί να προκαλέσει σύνθλιψη, επηρεάζοντας την ασφάλεια λειτουργίας.

Για να αντιμετωπίσει αυτό, η εταιρεία μας προτείνει τα εξής μέτρα απομόνωσης EMI:

• Ανάλυση των πιθανών βλάβων που μπορεί να προκαλέσει η ισχυρή ηλεκτρομαγνητική πεδία κοντά στις γραμμές UHV στην εσωτερική κατασκευή της δρόνης.

• Εφαρμογή μέτρων απομόνωσης στην επιφάνεια του σώματος, τα σήματα καλωδίων και όλες τις ενώσεις του σώματος.

• Ομοιόμορφη επιβράζεια μιας συμπεριφερόμενης στρώσης συγκεκριμένου πάχους στην εξωτερική επιφάνεια της δρόνης για την μείωση της ηλεκτρομαγνητικής διαταραχής. Για τα συστατικά που δεν είναι κατάλληλα για επιβράζεια, χρησιμοποιείται σύνδεση με χαλκούχο σύρμα για την επίτευξη ισοδύναμης αποτελεσματικότητας απομόνωσης.

1.3 Δομικός Σχεδιασμός του Ρομποτικού Χεριού
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, το ρομποτικό χέρι αποτελείται από:
(1) Πίπτηρα; (2) Φραγμό προστασίας υπηρεσίας; (3) Προσαρμογή ανιχνευτή μηδενικής τιμής; (4) Προσαρμογή ανιχνευτή υψηλής τάσης; (5) Απομονωτικό σκυτάλι; (6) Σκυτάλι περιορισμού; (7) Στρώμα απομόνωσης εποξυδικής σίντερης; (8) Θήκη βαρυμετατρόπου μετατροπής; (9) Σκυτάλι σύνδεσης; (10) Θήκη βαρυμετατρόπου κύλισης.

Λαμβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις απομόνωσης σε περιβάλλοντα UHV, η εταιρεία μας προτείνει την εγκατάσταση απομονωτικών βολτών μεταξύ της κάτω πλευράς της δρόνης και του συστήματος προσγείωσης. Ένα χάλυβα πλαίσιο συνδέει την κάτω πλευρά του στρώματος απομόνωσης με τη θήκη βαρυμετατρόπου μετατροπής, η οποία είναι εξωτερικά στερεωμένη γύρω από ένα μεταλλικό βαρυμετατρόπο. Ο ηλεκτρομηχανικός μηχανισμός μετατροπής είναι εγκατεστημένος στη δεξιά πλευρά του βαρυμετατρόπου, οδηγώντας τον μηχανισμό μετατροπής για την επένδυση και την αναδυναμοποίηση του ρομποτικού χεριού.

Λαμβάνοντας υπόψη τη διαταραχή που προκαλείται από την ισχυρή ηλεκτρομαγνητική πεδία στο χώρο γύρω από τις γραμμές μεταφοράς, η εταιρεία μας προτείνει την εγκατάσταση των γραμμών οδηγού του ηλεκτρομηχανικού μηχανισμού μέσα στο απομονωτικό σκυτάλι και την εξοπλισμό του ηλεκτρομηχανικού μηχανισμού με ειδική απομονωτική προστατευτική θήκη. Αυτό αποτελεί αποτελεσματική απομόνωση του ηλεκτρομηχανικού μηχανισμού από τις ηλεκτρομαγνητικές σφηνώσεις που προκαλούνται από το εξωτερικό περιβάλλον υψηλής τάσης. Επιπλέον, εφαρμόζεται σύνδεση με χαλκούχο σύρμα στις διαστάσεις γύρω από τον ηλεκτρομηχανικό μηχανισμό για την επίτευξη ισοδυναμικής σύνδεσης, μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο καταστροφής της εσωτερικής κατασκευής του ηλεκτρομηχανικού μηχανισμού από ηλεκτρομαγνητικές κύματα.

2.Προσομοιωτικό Πείραμα Ελέγχου Γραμμών UHV Με Χρήση Ρομποτικού Χεριού Εγκατεστημένου σε Δρόνη
2.1 Σχεδιασμός Προσομοίωσης
Βάσει των αρχείων διατήρησης των γραμμών UHV στην περίπτωση, αποκτήθηκαν τα εξής δομικά παράμετρα: το συνολικό ύψος της ευθείας πύργου είναι 3200 mm; ο μεγάλος ακτίνας του σκελετού είναι 2400 mm; ο μεσαίος ακτίνας του σκελετού είναι 3200 mm; ο μικρός ακτίνας του σκελετού είναι 2700 mm; και ο διάμετρος του ηλεκτροδοτικού καθοδηγητή είναι 17.48 mm, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.

Στο πείραμα προσομοιωσης, το σύστημα δρονα επέλεξε χαρακτηριστικά από υλικά καρβόνιου για τα πτερά, το πλαίσιο και το σώμα, προκειμένου να βελτιωθεί η συνολική απόδοσή του.

Λαμβάνοντας υπόψη την επιρροή του περιβαλλόντος χώρου ηλεκτρικού πεδίου στις εργασίες συντήρησης με δρόνο για γραμμές υψηλής υπερτάσης (UHV), η εταιρεία μας ανέπτυξε πρώτη μια προσομοιωτική μοντελοποίηση του συστήματος ελέγχου με ρομποτικό ώρα που είναι εγκατεστημένο σε δρόνο. Χρησιμοποιώντας ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων, καθορίσαμε τη συγκεκριμένη επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τις γραμμές UHV στις εργασίες συντήρησης με δρόνο. Επιπλέον, αναλύσαμε τη μέγιστη ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου και τις μεταβολές στην τάση που εμπειρεύονται το ρομποτικό ώρα, το σώμα, τα πτερά και το σώμα του δρόνου, σε διαφορετικές αποστάσεις μεταξύ της αριστερής πλευράς του ρομποτικού ώρα και του ηλεκτροδού. Αυτό μας επιτρέπει να αξιολογήσουμε αν υπάρχουν δυνητικά επικίνδυνα στοιχεία κατά την εκτέλεση εργασιών ελέγχου σε κοντινή απόσταση.

2.2 Διαδικασία προσομοίωσης
2.2.1 Απόδοση του συστήματος ελέγχου σε απόσταση 0.84 m από τη γραμμή UHV
Η εταιρεία μας διεξήγαγε πειράματα προσομοίωσης στο σύστημα ελέγχου με ρομποτικό ώρα εγκατεστημένο σε δρόνο, προκειμένου να αναλύσει περαιτέρω τη λειτουργία του και την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στον χώρο κοντά στον ηλεκτροδό, όταν βρίσκεται σε απόσταση 0.84 m από τη γραμμή UHV.

Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έδειξαν ότι, υπό αυτές τις συνθήκες εργασίας, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές αρνητικές επιπτώσεις του ηλεκτρικού πεδίου στο σύστημα ελέγχου. Ωστόσο, παρατηρήθηκε μια μικρή αύξηση της ισχύος του ηλεκτρικού πεδίου στην αριστερή πλευρά του ρομποτικού ώρα. Γενικά, αν η τοπική ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου υπερβαίνει την ισχύ κατακαίεσης του αέρα (30 kV/cm), αυξάνεται το ρίσκο κατακαίεσης των συστατικών, θέτοντας σε κίνδυνο τη σταθερότητα και την ασφάλεια του συστήματος.

Επιπλέον, με την εξέταση της κατανομής της δυναμικής (τάση) στα συστατικά του συστήματος, ανακαλύψαμε ότι, ως επιπλέον απόσταση αυξάνεται μεταξύ του συστήματος ελέγχου με δρόνο και της γραμμής UHV, η ηλεκτρική δυναμική όλων των συστατικών μειώνεται αντίστοιχα. Με βάση αυτές τις μεταβολές της δυναμικής, καθορίσαμε τις επίπεδα τάσης και τη μέγιστη ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου που εμπειρεύονται τα συστατικά στο περιβάλλον συντήρησης.

Όπως φαίνεται στο Πίνακα 1, όταν το σύστημα ελέγχου βρίσκεται σε απόσταση 0.84 m από τη γραμμή UHV, το ρομποτικό ώρα εμπειρεύεται μια ισχύ ηλεκτρικού πεδίου 3712 V/m και μια τάση 2069 V. Μια σύγκριση μεταξύ των αριστερών και δεξιών πτερύγων αποδείξει ότι το αριστερό πτερύγιο υφίσταται συνεχώς υψηλότερη ισχύ ηλεκτρικού πεδίου και τάση από το δεξί πτερύγιο. Όλα τα δεδομένα δείχνουν ότι, υπό αυτή την απόσταση λειτουργίας 0.84 m, το ηλεκτρικό πεδίο παραμένει σημαντικά κάτω από το όριο κατακαίεσης του αέρα, δεν υπάρχει κίνδυνος ηλεκτρικής αποδόσης και εξασφαλίζεται η ασφαλής λειτουργία του συστήματος ελέγχου με ρομποτικό ώρα εγκατεστημένο σε δρόνο.

2.2.2 Απόδοση του συστήματος ελέγχου σε απόσταση 0.34 m από τη γραμμή UHV
Η εταιρεία μας διεξήγαγε επίσης πειράματα προσομοίωσης για να αναλύσει τη λειτουργική κατάσταση του συστήματος ελέγχου με ρομποτικό ώρα εγκατεστημένο σε δρόνο και την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στον χώρο κοντά στον ηλεκτροδό, όταν βρίσκεται σε απόσταση μόνο 0.34 m από τη γραμμή UHV.

Πίνακας 1: Μέγιστη ισχύς ηλεκτρικού πεδίου και τιμές τάσης για κάθε συστατικό του συστήματος ελέγχου με ρομποτικό ώρα εγκατεστημένο σε δρόνο

Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έδειξαν ότι, υπό αυτές τις συνθήκες διατήρησης της απόστασης, η χωρική κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τη μεταφορική γραμμή στα αριστερά του ρομποτικού βραχίονα άλλαξε. Λόγω της μοναδικής περιβάλλοντος των υψηλής ενέργειας (UHV) μεταφορικών γραμμών, τα υψηλά ηλεκτρικά πεδία είναι εξαιρετικά ευάλωτα στη δημιουργία φωτισμών και ζεστών.

Συγχρόνως, μέσω της ανάλυσης των μεταβολών του δυναμικού των διαφόρων συστατικών του συστήματος, ανακαλύφθηκε ότι, καθώς αυξάνεται η απόσταση μεταξύ του συστήματος ελέγχου με ρομποτικό βραχίονα πάνω σε drone και της UHV μεταφορικής γραμμής, το ηλεκτρικό δυναμικό όλων των συστατικών μειώνεται αντίστοιχα.

Σύμφωνα με τα δεδομένα του Πίνακα 2, όταν το σύστημα ελέγχου βρίσκεται 0,34 μέτρα μακριά από την UHV μεταφορική γραμμή, το μέγιστο ηλεκτρικό πεδίο που υποστηρίζεται από κάθε συστατικό του συστήματος δεν υπερβαίνει την ισχύ παρακμής του αέρα. Επομένως, συμπεραίνεται ότι δεν θα παρουσιαστεί κίνδυνος παρακμής κατά τη διάρκεια της λειτουργίας, εξασφαλίζοντας την ασφάλεια και αξιοπιστία του συστήματος ελέγχου με ρομποτικό βραχίονα πάνω σε drone σε πρακτικές εφαρμογές.

Πίνακας 2: Μέγιστη Ισχύς Ηλεκτρικού Πεδίου και Τιμές Τάσης που Αντιστοιχούν σε Κάθε Συστατικό του Συστήματος Ελέγχου με Ρομποτικό Βραχίονα πάνω σε Drone

2.3 Πειραματικές Δοκιμές Αντιπαρεμβολής του Μηχανοκίνητου Βραχίονα σε Έλεγχο Γραμμών Μετάδοσης

Για τη δοκιμή αποτελεσματικότητας της αποστολής του δρόνου, το εξοπλισμός πειράματος περιελάμβανε έναν δρόνο με επιφάνεια κάλυψης από συνδυαστική μποϊά και έναν πολυμέτρη. Η συνδυαστική μποϊά εφαρμόστηκε ομοιόμορφα στην επιφάνεια του δρόνου με πάχος μη μεγαλύτερο των 0.05 mm. Σε φυσικές συνθήκες, μετρήθηκε η εσωτερική αντίσταση μεταξύ δύο σημείων στην επιφάνεια του δρόνου· ένας τιμή λιγότερη του 1 Ω δείχνει συμμόρφωση με τον καθορισμένο πρότυπο.

Δοκιμή καμπυλότητας εικόνας: Κατά την εφαρμογή της τεχνολογίας του μηχανοκίνητου βραχίονα σε δρόνο για τον έλεγχο γραμμών, η καμπυλότητα εικόνας μπορεί να προκύψει λόγω παραγόντων όπως η ακρίβεια του κάμερα-καταστροφικού και η ποιότητα των διαδικασιών συναρμολόγησης. Αυτή η καμπυλότητα προκαλεί διαφορές μεταξύ των καταγεγραμμένων εικόνων και της πραγματικής σκηνής, που μπορεί να περιορίσει την ικανότητα του προσωπικού συντήρησης να αναγνωρίζει ακριβώς παραβιάσεις ή λάθη στις υπερψηλής ισχύος (UHV) γραμμές μετάδοσης.

Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, το τεχνικό μας ομάδα ανέπτυξε ένα μοντέλο διόρθωσης καμπυλότητας εικόνας με βάση τις ιδιότητες καμπυλότητας του κάμερα-καταστροφικού. Αυτό το μοντέλο εκφράζεται μέσω της παρακάτω τύπου:

Στον τύπο:
x,y είναι οι αρχικές συντεταγμένες ενός σημείου καμπυλότητας στο σύστημα εικονοποίησης;
x′,y′ είναι οι νέες συντεταγμένες του σημείου μετά τη διόρθωση της καμπυλότητας;
p1,p2 είναι οι παράμετροι καμπυλότητας;
r είναι η ακτίνα από το κέντρο της εικόνας.

Η καμπυλότητα του κάμερα-καταστροφικού κατατάσσεται κυρίως σε δύο τύπους: καμπυλότητα εφαπτομένης και καμπυλότητα ακτίνας. Η καμπυλότητα εφαπτομένης προκύπτει κυρίως επειδή τα στοιχεία του κάμερα-καταστροφικού και η επιφάνεια εικονοποίησης δεν είναι τέλεια παράλληλα. Η καμπυλότητα ακτίνας, από την άλλη, προκύπτει επειδή τα φωτεινά ακτίνια καμπυλώνονται περισσότερο σε θέσεις που είναι πιο μακριά από το οπτικό κέντρο του κάμερα-καταστροφικού, προκαλώντας καμπυλότητα που είναι κατανεμημένη κατά μήκος της ακτίνας του κάμερα-καταστροφικού. Η καμπυλότητα ακτίνας μπορεί να εκφραστεί μέσω της παρακάτω τύπου:

Στον τύπο:
x,y είναι οι αρχικές συντεταγμένες ενός σημείου καμπυλότητας ακτίνας στο σύστημα εικονοποίησης;
x′,y′ είναι οι νέες συντεταγμένες του σημείου μετά τη διόρθωση της καμπυλότητας;
k1,k2,k3 είναι οι παράμετροι καμπυλότητας ακτίνας;
r είναι η ακτίνα από το κέντρο της εικόνας.

Σε αυτή τη βάση, η εταιρεία μας προτείνει τη χρήση της μεθόδου Zhang για την αναγνώριση των συνιστωσών καμπυλότητας ακτίνας που επηρεάζουν περισσότερο τη σχηματοποίηση της εικόνας, και την ανασυγκρότηση των παραμέτρων του μοντέλου. Αυτό επιτρέπει την αμοιβαία αντιστοιχία μεταξύ των συντεταγμένων του αντικειμένου σε ένα καθορισμένο σύστημα συντεταγμένων κόσμου και των συντεταγμένων pixel στην επιφάνεια εικόνας, οδηγώντας στην επίτευξη της καλιβροποίησης του κάμερα-καταστροφικού. Αυτή η προσέγγιση αποτελεσματικά μειώνει την επίδραση των επιτρεπόμενων εκκρεμών κατασκευής και των διαδικασιών συναρμολόγησης στην ακρίβεια της εικόνας, ενισχύει την διαφάνεια της εικόνας, και εξασφαλίζει ότι υψηλού ψηφιακού ανάλυσης εικόνες των UHV γραμμών μετάδοσης μεταφέρονται στο σύστημα σε πραγματικό χρόνο χωρίς καθυστέρηση. Αυτό παρέχει στο προσωπικό συντήρησης αξιόπιστα οπτικά δεδομένα για την ακριβή αξιολόγηση της ύπαρξης παραβιάσεων ή λαθών στις γραμμές.

Σε σύνοψη, η τεχνολογία ελέγχου με το μηχανοκίνητο βραχίονα σε δρόνο που προτείνεται σε αυτό το έγγραφο εκπληρώνει τις τρέχουσες απαιτήσεις συντήρησης UHV γραμμών μετάδοσης για χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, μεγάλη διάρκεια, χαμηλό κόστος, μεγάλη δυνατότητα φόρτου, και ισχυρή αντίληψη του περιβάλλοντος. Επιπλέον, ξεπερνά τους κλειδίους τεχνικούς περιορισμούς για την αντικατάσταση των παραδοσιακών μεθόδων ελέγχου χειροκίνητων με δρόνους, επιτείνει το γενικό επίπεδο των επιχειρήσεων συντήρησης, και ενισχύει την ασφάλεια και την αξιοπιστία της μετάδοσης και παροχής ρεύματος.