تحقیق و تحلیل درباره فناوری‌های جایگزین مبتنی بر هواپیماهای بدون سرنشین برای نگهداری خطوط انتقال برق با ولتاژ بسیار بالا

در منطقه‌ای خاص، پس از تعمیر خطوط انتقال برق با ولتاژ بسیار بالا (UHV)، موارد زیر شناسایی شد: درون‌ها موجود عملکرد کافی برای برآوردن تقاضاهای جاری بررسی و تعمیرات در مقیاس بزرگ و گسترده خطوط UHV را ندارند. در عملیات عملی، درون‌ها دارای استقامت کم، قابلیت ضعیف در گرفتن تصویر و مقاومت ضعیف در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) هستند که تأثیر منفی بر مؤثر بودن بررسی دارد و تشخیص دقیق عیوب خطوط UHV را مختل می‌کند.

به دلیل طول زیاد خطوط انتقال برق با ولتاژ بسیار بالا و تأثیر محیط طبیعی محلی، درون‌های مجهز به دستگاه‌های تشخیصی نمی‌توانند پرواز بلندمدت را حفظ کنند، که کارایی بررسی را کاهش می‌دهد. در مورد ذکر شده، حتی درون‌های هیبریدی روغن-الکتریکی نیز مدت پرواز کمتر از ۳ ساعت داشتند که نیازمند تعویض مکرر باتری در طول بررسی‌ها بود. علاوه بر این، سیستم‌های بررسی فعلی مبتنی بر درون‌ها کامل از نظر عملکرد نیستند—آنها قابلیت‌های چندبعدی و چندکاربردی را پشتیبانی نمی‌کنند—که منجر به دقت بررسی ناکافی می‌شود. این می‌تواند شناسایی و رسیدگی به عیوب خط یا دیگر نقص‌ها را تأخیر دهد و مستقیماً بر انتقال عادی برق تأثیر می‌گذارد.

برای حل این چالش‌ها، شرکت ما فناوری نوینی برای بررسی خطوط انتقال برق با ولتاژ بسیار بالا توسعه داده است که شامل یک بازوی رباتیک نصب شده بر روی درون است. این راه‌حل برای زیرساخت‌های UHV خاص منطقه طراحی شده و از عملکرد فعلی درون‌ها در تعمیر خطوط الهام گرفته است. هدف آن حل مشکلات فوق الذکر در حالی است که نیازهای کلیدی را برآورده می‌کند: مصرف انرژی کم، استقامت طولانی، هزینه کم، ظرفیت بار بالا و درک محیط قوی.

۱. راه‌حل فنی: بازوی رباتیک نصب شده بر روی درون برای تعمیر خطوط UHV
۱.۱ مفهوم طراحی
اعتبارات مهم برای این فناوری شامل طراحی عایق، کنترل حرکت بازوی رباتیک و زیرسیستم‌های پشتیبان است. اطمینان از طراحی فنی مناسب برای حل موثر چالش‌های موجود در تعمیر UHV و غلبه بر گلوگاه‌های اجرایی ضروری است.

شرکت ما به طور جامع نیازهای عایقی محیط تعمیر UHV بر روی بازوی رباتیک را ارزیابی کرد. بر اساس این، ما حداکثر قدرت میدان الکتریکی و تغییرات ولتاژی که بازو، پره‌ها، چارچوب و بدنه در فواصل مختلف از رسانه‌های زنده تجربه می‌کنند را محاسبه کردیم. سپس آزمون‌های عملکردی هدفمند طراحی شدند تا پالایش‌های بعدی راه‌حل فنی را ارائه دهند.

ما سناریوهای نماینده تعمیر UHV را برای تعریف رویه‌های عملیاتی و پروتکل‌های ایمنی انتخاب کردیم. ساختار چنددرجه آزادی بازوی رباتیک بهینه شد تا پیکربندی هماهنگ‌ترین درون-بازو را شناسایی کند. با توجه به محیط عملیاتی منحصر به فرد، ما همچنین پیشنهاد به‌روزرسانی سخت‌افزار گرفتن تصویر اصلی و نرم‌افزار/سخت‌افزار انتقال داده در مطالعه موردی برای بهبود کیفیت تصویر در زمان واقعی را دادیم.

۱.۲ اقدامات کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI)
خطوط UHV در مورد مورد نظر شامل امتدادهای طولانی و عبورهای پیچیده‌ای است که محیط الکترومغناطیسی پیچیده و پویا ایجاد می‌کنند. میدان‌های الکترومغناطیسی قوی در اطراف خطوط و سیگنال‌های شدید از ایستگاه‌های پایه ارتباطی نزدیک می‌توانند به شدت با سیستم ارتباطات درون-بازو تداخل کنند. علاوه بر این، انتقال داده در فاصله طولانی در طول عملیات بازو می‌تواند باعث اختلال صدایی شود و ایمنی عملیاتی را کاهش دهد.

برای مقابله با این مسئله، شرکت ما اقدامات پوشش EMI زیر را پیشنهاد می‌کند:

• تحلیل آسیب‌پذیری مدارهای داخلی درون از میدان‌های الکترومغناطیسی با شدت بالا در نزدیکی خطوط UHV.

• اعمال درمان‌های پوششی به سطح بدنه، کابل‌های سیگنال و تمامی شکاف‌های پوششی.

• پاشیدن یک لایه رسانا با ضخامت مشخص به طور یکنواخت روی بخش خارجی درون برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی. برای قطعاتی که برای پوشش مناسب نیستند، از پیوند سیم مسی برای دستیابی به اثر پوششی معادل استفاده می‌شود.

۱.۳ طراحی ساختاری بازوی رباتیک
همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، بازوی رباتیک شامل:
(۱) گیره؛ (۲) جعبه محافظ سروموتور؛ (۳) آداپتور آشکارساز صفر مقدار؛ (۴) آداپتور تست‌کننده ولتاژ بالا؛ (۵) میله عایق؛ (۶) میله محدودکننده؛ (۷) لایه عایق رزین اپوکسی؛ (۸) آدامس مخصوص زاویه تراز؛ (۹) میله پیوندی؛ (۱۰) آدامس مخصوص زاویه چرخش.

با توجه به نیازهای عایقی در محیط UHV، شرکت ما پیشنهاد می‌کند بولت‌های عایق بین قسمت پایین درون و زمین‌گیر نصب شوند. چارچوب فولادی قسمت پایین لایه عایق را به آدامس مخصوص زاویه تراز متصل می‌کند که خارجی‌سازی شده و حول یک محور فلزی ثابت شده است. سروموتور تراز در سمت راست محور نصب شده و مکانیزم تراز را به حرکت در می‌آورد تا بازوی رباتیک بتواند بالا و پایین حرکت کند.

با توجه به تداخل ایجاد شده توسط میدان‌های الکترومغناطیسی با شدت بالا در فضا اطراف خطوط انتقال، شرکت ما پیشنهاد می‌کند خطوط گذر سروموتور در داخل میله عایق نصب شوند و سروموتور با یک پوشش محافظ عایقی اختصاصی تجهیز شود. این به طور موثر سروموتور را از سرنشین‌های الکترومغناطیسی تولید شده توسط محیط ولتاژ بالا خارجی جدا می‌کند. علاوه بر این، از پیوند سیم مسی در شکاف‌های اطراف سروموتور برای دستیابی به پیوند هم‌پتانسیل استفاده می‌شود که خطر تخریب مدار داخلی سروموتور ناشی از امواج الکترومغناطیسی را کاهش می‌دهد.

۲. آزمایش شبیه‌سازی بررسی خطوط انتقال برق با ولتاژ بسیار بالا با استفاده از بازوی رباتیک نصب شده بر روی درون
۲.۱ طراحی شبیه‌سازی
بر اساس سوابق تعمیر خطوط انتقال برق با ولتاژ بسیار بالا در مورد مورد نظر، پارامترهای ساختاری زیر به دست آمد: ارتفاع کل برج خط مستقیم ۳۲۰۰ میلی‌متر است؛ شعاع بزرگ گنبد ۲۴۰۰ میلی‌متر؛ شعاع متوسط گنبد ۳۲۰۰ میلی‌متر؛ شعاع کوچک گنبد ۲۷۰۰ میلی‌متر؛ و قطر رسانه ۱۷.۴۸ میلی‌متر، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است.

در آزمایش شبیه‌سازی، سیستم بین‌المللی پرواز بدون سرنشین برای بالبرها، قاب و بدنه از مواد فیبر کربن استفاده کرد تا عملکرد کلی آن را افزایش دهد.

با توجه به تأثیر میدان الکتریکی فضای اطراف بر عملیات نگهداری مبتنی بر بین‌المللی پرواز بدون سرنشین برای خطوط انتقال فشار بسیار بالا (UHV)، شرکت ما ابتدا یک مدل شبیه‌سازی از سیستم بازرسی با بازوی رباتیک مونتاژ شده بر روی بین‌المللی پرواز بدون سرنشین توسعه داد. با استفاده از تحلیل المان محدود، تأثیر خاص میدان الکتریکی اطراف خطوط UHV بر عملیات نگهداری بین‌المللی پرواز بدون سرنشین را تعیین کردیم. علاوه بر این، ما حداکثر قدرت میدان الکتریکی و تغییرات ولتاژ تجربه شده توسط بازوی رباتیک، بدنه هوایی، بالبرها و بدنه تحت فواصل مختلف بین سمت چپ بازوی رباتیک و هادی را تحلیل کردیم. این امر به ما اجازه می‌دهد تا ارزیابی کنیم که آیا خطرات احتمالی ایمنی در طول وظایف بازرسی نزدیک وجود دارد یا خیر.

۲.۲ فرآیند شبیه‌سازی
۲.۲.۱ عملکرد سیستم بازرسی در فاصله ۰.۸۴ متر از خط انتقال فشار بسیار بالا
شرکت ما آزمایش‌های شبیه‌سازی بر روی سیستم بازوی رباتیک مونتاژ شده بر روی بین‌المللی پرواز بدون سرنشین انجام داد تا وضعیت عملیاتی آن و توزیع میدان الکتریکی فضایی نزدیک به هادی را زمانی که در فاصله ۰.۸۴ متر از خط انتقال فشار بسیار بالا قرار دارد، بیشتر تحلیل کند.

نتایج شبیه‌سازی نشان داد که در این شرایط کاری، تأثیرات میدان الکتریکی معناداری بر سیستم بازرسی کلی مشاهده نشد. با این حال، افزایش کمی در شدت میدان الکتریکی در سمت چپ بازوی رباتیک شناسایی شد. به طور کلی، اگر شدت محلی میدان الکتریکی از مقاومت شکست الکتریکی هوا (۳۰ کیلوولت بر سانتی‌متر) بیشتر شود، خطر شکست قطعات افزایش می‌یابد که ایمنی و ثبات سیستم را تهدید می‌کند.

علاوه بر این، با بررسی توزیع پتانسیل (ولتاژ) در سراسر قطعات سیستم، مشخص شد که با افزایش فاصله بین سیستم بازرسی مونتاژ شده بر روی بین‌المللی پرواز بدون سرنشین و خط UHV، پتانسیل الکتریکی تمام قطعات به ترتیب کاهش می‌یابد. بر اساس این تغییرات پتانسیل، ما سطوح ولتاژ و حداکثر شدت میدان الکتریکی که هر قطعه در محیط نگهداری تجربه می‌کند را تعیین کردیم.

همانطور که در جدول ۱ نشان داده شده است، زمانی که سیستم بازرسی در فاصله ۰.۸۴ متر از خط UHV قرار دارد، بازوی رباتیک شدت میدان الکتریکی ۳۷۱۲ ولت بر متر و ولتاژ ۲۰۶۹ ولت را تجربه می‌کند. مقایسه بین بالبرهای چپ و راست نشان داد که بالبر چپ به طور مداوم شدت میدان الکتریکی و ولتاژ بیشتری نسبت به بالبر راست تحمل می‌کند. تمام داده‌ها نشان می‌دهند که در این فاصله عملیاتی ۰.۸۴ متر، میدان الکتریکی به طور قابل توجهی زیر آستانه شکست هوا قرار دارد و خطر برق‌گرفتگی وجود ندارد و عملیات ایمن سیستم بازوی رباتیک مونتاژ شده بر روی بین‌المللی پرواز بدون سرنشین تضمین می‌شود.

۲.۲.۲ عملکرد سیستم بازرسی در فاصله ۰.۳۴ متر از خط انتقال فشار بسیار بالا
شرکت ما همچنین آزمایش‌های شبیه‌سازی انجام داد تا وضعیت عملیاتی سیستم بازوی رباتیک مونتاژ شده بر روی بین‌المللی پرواز بدون سرنشین و توزیع میدان الکتریکی فضایی نزدیک به هادی را زمانی که در فاصله فقط ۰.۳۴ متر از خط انتقال فشار بسیار بالا قرار دارد، تحلیل کند.

جدول ۱: حداکثر شدت میدان الکتریکی و مقادیر ولتاژ متناظر با هر قطعه سیستم بازوی رباتیک مونتاژ شده بر روی بین‌المللی پرواز بدون سرنشین

نتایج شبیه‌سازی نشان داد که، تحت شرایط حفظ این فاصله جداسازی، توزیع میدان الکتریکی فضایی در اطراف خط انتقال سمت چپ بازوی رباتیک تغییر کرد. به دلیل محیط منحصر به فرد خطوط انتقال ولتاژ بسیار بالا (UHV)، میدان‌های الکتریکی با ولتاژ بالا بسیار آسان است که موجب ایجاد قوس الکتریکی و مشکلات خروج سطحی شوند.

همزمان، با تحلیل تغییرات پتانسیل اجزای مختلف سیستم، مشخص شد که با افزایش فاصله بین سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده بر روی هواپیمای بدون سرنشین و خط انتقال UHV، پتانسیل الکتریکی همه اجزا به طور متناسب کاهش می‌یابد.

بر اساس داده‌های موجود در جدول 2، زمانی که سیستم بازرسی در فاصله 0.34 متری از خط انتقال UHV قرار گرفته است، حداکثر قدرت میدان الکتریکی که هر کدام از اجزای سیستم تجربه می‌کنند از قدرت شکست الکتریکی هوا عبور نمی‌کند. بنابراین، نتیجه‌گیری می‌شود که هیچ خطر شکست در طول عملیات نگهداری وجود ندارد و امنیت و قابلیت اطمینان سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده بر روی هواپیمای بدون سرنشین در کاربردهای عملی تضمین می‌شود.

جدول 2: حداکثر قدرت میدان الکتریکی و مقادیر ولتاژ متناظر با هر کدام از اجزای سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده بر روی هواپیمای بدون سرنشین

2.3 آزمون‌های قابلیت ضد تداخل بازوی رباتیک نصب شده بر روی بی‌پیلотов در نگهداری خطوط انتقال

برای آزمون عملکرد مسدود کنندگی بی‌پیلوت، تجهیزات آزمون شامل یک بی‌پیلوت پوشیده شده با رنگ هادی و یک وولتمتر بود. رنگ هادی به طور یکنواخت روی سطح بی‌پیلوت پاشیده شد و ضخامت آن بیش از 0.05 میلی‌متر نبود. در شرایط محیطی عادی، مقاومت داخلی بین دو نقطه روی سطح بی‌پیلوت اندازه‌گیری شد؛ مقداری کمتر از 1 اهم نشان‌دهنده رعایت استاندارد مشخص شده است.

آزمون اعوجاج تصویر: هنگام استفاده از فناوری بازوی رباتیک نصب شده بر روی بی‌پیلوت برای بازرسی خطوط، اعوجاج تصویر ممکن است به دلیل عواملی مانند دقت ذاتی لنز دوربین جیمبال و کیفیت فرآیندهای مونتاژ رخ دهد. چنین اعوجاجی باعث اختلاف بین تصاویر ثبت شده و صحنه واقعی می‌شود که می‌تواند توانایی کارکنان نگهداری در تشخیص دقیق خرابی‌ها یا نقص‌ها در خطوط انتقال ولتاژ بسیار بالا را کاهش دهد.

برای حل این مشکل، تیم فنی ما یک مدل اصلاح اعوجاج تصویر بر اساس ویژگی‌های اعوجاج لنز دوربین جیمبال توسعه داد. این مدل با فرمول زیر بیان می‌شود:

در فرمول:
x,y مختصات اصلی یک نقطه اعوجاج مماسی در سیستم تصویربرداری هستند؛
x′,y′ مختصات جدید نقطه پس از اصلاح اعوجاج هستند؛
p1,p2 پارامترهای اعوجاج مماسی هستند؛
r فاصله شعاعی از مرکز تصویر است.

اعوجاج لنز دوربین به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود: اعوجاج مماسی و اعوجاج شعاعی. اعوجاج مماسی عمده‌اً به دلیل عدم موازی بودن عناصر لنز و صفحه تصویر دوربین ایجاد می‌شود. اعوجاج شعاعی از سوی دیگر به دلیل خمش بیشتر نور در موقعیت‌های دورتر از مرکز نوری لنز رخ می‌دهد که منجر به اعوجاج توزیع شده در جهت شعاعی لنز می‌شود. اعوجاج شعاعی با فرمول زیر بیان می‌شود:

در فرمول:
x,y مختصات اصلی یک نقطه اعوجاج شعاعی در سیستم تصویربرداری هستند؛
x′,y′ مختصات جدید نقطه پس از اصلاح اعوجاج هستند؛
k1,k2,k3 پارامترهای اعوجاج شعاعی هستند؛
r فاصله شعاعی از مرکز تصویر است.

به این پایه، شرکت ما پیشنهاد می‌کند از روش کالیبراسیون ژانگ برای شناسایی مؤلفه‌های اعوجاج شعاعی که بیشترین تأثیر را بر تشکیل تصویر دارند و بازسازی پارامترهای مدل استفاده شود. این امر امکان نقشه‌برداری متقابل بین مختصات اجسام در یک سیستم مختصات جهانی تعریف شده و مختصات پیکسل‌ها در صفحه تصویر را فراهم می‌کند، بنابراین کالیبراسیون دوربین جیمبال را کامل می‌کند. این رویکرد به طور موثری تأثیرات تحمل‌های تولید لنز و فرآیندهای مونتاژ بر دقت تصویر را کاهش می‌دهد، وضوح تصویر را افزایش می‌دهد و اطمینان می‌دهد که تصاویر با وضوح بالا از خطوط انتقال ولتاژ بسیار بالا به سیستم بدون تأخیر منتقل می‌شوند. این امر به کارکنان نگهداری داده‌های بصری قابل اعتمادی برای ارزیابی دقیق وجود یا عدم وجود خرابی‌ها یا نقص‌ها در خطوط ارائه می‌دهد.

به طور خلاصه، فناوری بازوی رباتیک نصب شده بر روی بی‌پیلوت که در این مقاله پیشنهاد شده است، نیازهای فعلی نگهداری خطوط انتقال ولتاژ بسیار بالا برای مصرف انرژی کم، طول عمر طولانی، هزینه کم، ظرفیت بار بالا و درک محیطی قوی را برآورده می‌کند. این فناوری نقاط ضعف فنی کلیدی را در جایگزینی روش‌های بازرسی دستی سنتی با بی‌پیلотов غلبه می‌کند، سطح کلی عملیات نگهداری را ارتقا می‌دهد و امنیت و قابلیت اطمینان انتقال و تأمین برق را تقویت می‌کند.