پژوهش و تحلیل درباره فناوری‌های جایگزین مبتنی بر درون برای نگهداری خطوط انتقال ولتاژ بسیار بالا

در منطقه‌ای خاص، پس از نگهداری خطوط انتقال برق با ولتاژ بسیار بالا (UHV)، موارد زیر شناسایی شد: درون‌ها موجود کارایی کافی برای تأمین تقاضاهای گسترده و گسترده‌ای از بازرسی و نگهداری خطوط UHV را ندارند. در عمل، درون‌ها دارای پایداری کم، توانایی ضعیف در جمع‌آوری تصاویر و مقاومت ضعیف در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) هستند که به طور منفی بر کارایی بازرسی تأثیر می‌گذارد و تشخیص دقیق عیوب خطوط UHV را ممکن نمی‌سازد.

به دلیل طول قابل توجه خطوط انتقال UHV و تأثیر محیط طبیعی محلی، درون‌های مجهز به دستگاه‌های آزمون نمی‌توانند پرواز طولانی مدت را حفظ کنند، که منجر به کاهش کارایی بازرسی می‌شود. در مورد ذکر شده، حتی درون‌های هیبریدی نفت-برق فقط قادر به پرواز کمتر از ۳ ساعت بوده و در طول بازرسی‌ها نیاز به تعویض مکرر باتری داشته‌اند. علاوه بر این، سیستم‌های بازرسی فعلی مبتنی بر درون‌ها کامل از نظر عملکرد نیستند—آنها توانایی بازرسی چندبعدی و چندکاربردی را پشتیبانی نمی‌کنند—که منجر به کمبود دقت بازرسی می‌شود. این ممکن است تشخیص و رسیدگی به خطاهای خط یا عیوب دیگر را تأخیر دهد و به طور مستقیم بر انتقال عادی برق تأثیر می‌گذارد.

برای حل این چالش‌ها، شرکت ما فناوری جدید بازرسی خطوط انتقال UHV را توسعه داده است که شامل یک بازوی رباتیک نصب شده روی درون است. این راه‌حل برای زیرساخت‌های UHV خاص منطقه و با توجه به عملکرد فعلی درون‌ها در نگهداری خطوط طراحی شده است. هدف آن حل مسائل فوق الذکر و تامین نیازهای کلیدی است: مصرف انرژی کم، پایداری طولانی، هزینه کم، ظرفیت بار زیاد و درک محیط قوی.

۱. راه‌حل فنی: بازوی رباتیک نصب شده روی درون برای نگهداری 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 مؤثر چالش‌های موجود در نگهداری UHV و غلبه بر گلوگاه‌های اجرایی ضروری است.

شرکت ما به طور جامع نیازهای عایق‌بندی محیط نگهداری UHV را برای بازوی رباتیک ارزیابی کرد. بر اساس این ارزیابی، ما حداکثر قدرت میدان الکتریکی و تغییرات ولتاژ تجربه شده توسط بازو، روتورها، چارچوب و بدنه در فواصل مختلف از رسانه‌های زنده را محاسبه کردیم. سپس آزمون‌های عملکردی هدفمندی طراحی کردیم تا پایه‌ای برای تکمیل‌های بعدی راه‌حل فنی فراهم کنیم.

ما سناریوهای نماینده نگهداری UHV را انتخاب کردیم تا رویه‌های عملیاتی استاندارد و پروتکل‌های ایمنی را تعریف کنیم. ساختار چند درجه آزادی بازوی رباتیک بهینه شد تا تناسب بیشترین را با کنفیگوراسیون درون-بازوی رباتیک مشخص کند. با توجه به محیط عملیاتی منحصر به فرد، همچنین پیشنهاد کردیم که سخت‌افزار جمع‌آوری تصویر و نرم‌افزار/سخت‌افزار انتقال داده در مطالعه موردی به روز رسانی شود تا کیفیت تصویر در زمان واقعی بهبود یابد.

۱.۲ اقدامات کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI)
خطوط UHV در مورد مورد نظر شامل پهنای طولانی و عبور است که محیط الکترومغناطیسی پیچیده و پویا ایجاد می‌کند. میدان‌های الکترومغناطیسی قوی در اطراف خطوط و سیگنال‌های شدید از ایستگاه‌های ارتباطی نزدیک می‌توانند به شدت با ارتباطات سیستم درون-بازوی رباتیک تداخل کنند. علاوه بر این، انتقال داده در فاصله طولانی در طول عملیات بازوی رباتیک می‌تواند باعث تداخل صدای متقاطع شود و ایمنی عملیات را کاهش دهد.

برای مقابله با این موضوع، شرکت ما اقدامات محافظتی EMI زیر را پیشنهاد می‌کند:

• تحلیل آسیب‌پذیری مدار داخلی درون در برابر میدان‌های الکترومغناطیسی با شدت بالا نزدیک خطوط UHV.

• اعمال درمان‌های محافظتی به سطح بدنه، کابل‌های سیگنال و تمام فواصل پوشش‌ها.

• پاشیدن یک پوشش رسانا با ضخامت مشخص به طور یکنواخت روی بیرونی درون برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی. برای مولفه‌هایی که برای پوشش مناسب نیستند، از پیوند سیم مسی برای دستیابی به اثربخشی محافظتی 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) تطبیق دهنده آداپتور آزمون صفر؛ (۴) آداپتور آزمون ولتاژ بالا؛ (۵) میله عایق؛ (۶) میله محدودکننده؛ (۷) لایه عایق رزین اپوکسی؛ (۸) آداپتور محمل مخصوص چرخش؛ (۹) میله پیوندی؛ (۱۰) آداپتور محمل مخصوص چرخش.

با توجه به نیازهای عایق‌بندی در محیط UHV، شرکت ما پیشنهاد می‌کند که پیچ‌های عایق بین پایین درون و چرخ‌های فرود نصب شوند. یک چارچوب فولادی پایین لایه عایق را به آداپتور محمل مخصوص چرخش متصل می‌کند که به طور خارجی دور یک محمل فلزی ثابت شده است. سروموتور چرخش در سمت راست محمل نصب شده و مکانیسم چرخش را می‌راند تا حرکت بالا و پایین بازوی رباتیک را ممکن سازد.

با توجه به تداخل ایجاد شده توسط میدان‌های الکترومغناطیسی با شدت بالا در فضا اطراف خطوط انتقال، شرکت ما پیشنهاد می‌کند که خطوط سیم‌پیچ سروموتور در داخل میله عایق نصب شوند و سروموتور با یک پوشش محافظ عایق مخصوص تجهیز شود. این به طور موثر سروموتور را از سریع‌های الکترومغناطیسی محیط بیرونی با ولتاژ بالا جدا می‌کند. علاوه بر این، از پیوند سیم مسی در فواصل اطراف سروموتور برای دستیابی به پیوند هم‌پتانسیل استفاده می‌شود، که موجب کاهش ریسک خرابی مدار داخلی سروموتور ناشی از امواج الکترومغناطیسی می‌شود.

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

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

با در نظر گرفتن تأثیر میدان الکتریکی فضای اطراف بر عملیات نگهداری مبتنی بر دورن در خطوط انتقال ولتاژ بسیار بالا (UHV)، شرکت ما ابتدا یک مدل شبیه‌سازی از سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده روی دورن توسعه داد. با استفاده از تحلیل المان محدود، تأثیر خاص میدان الکتریکی اطراف خطوط UHV بر عملیات نگهداری دورن را تعیین کردیم. علاوه بر این، ما حداکثر قدرت میدان الکتریکی و تغییرات ولتاژ تجربه شده توسط بازوی رباتیک، بدنه هواپیما، پروانه‌ها و بدنه را در فواصل مختلف بین سمت چپ بازوی رباتیک و هادی تحلیل کردیم. این 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 UHV
شرکت ما آزمایش‌های شبیه‌سازی روی سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده روی دورن انجام داد تا وضعیت عملیاتی آن و توزیع میدان الکتریکی فضای اطراف هادی را زمانی که در فاصله ۰.۸۴ متر از خط انتقال UHV قرار دارد، تحلیل کند.

نتایج شبیه‌سازی نشان داد که در این شرایط کاری، تأثیرات منفی قابل توجهی از میدان الکتریکی بر سیستم بازرسی کلی مشاهده نشد. با این حال، افزایش کمی در قدرت میدان الکتریکی در سمت چپ بازوی رباتیک شناسایی شد. به طور کلی، اگر قدرت محلی میدان الکتریکی از حد تخریب دی الکتریک هوای (۳۰ kV/cm) بیشتر شود، خطر تخریب قطعات افزایش می‌یابد و پایداری و ایمنی سیستم کاهش می‌یابد.

به علاوه، با بررسی توزیع پتانسیل (ولتاژ) در سراسر قطعات سیستم، مشخص شد که با افزایش فاصله بین سیستم بازرسی مونتاژ شده روی دورن و خط UHV، پتانسیل الکتریکی تمام قطعات نیز کاهش می‌یابد. بر اساس این تغییرات پتانسیل، سطوح ولتاژ و حداکثر قدرت 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 قدرت میدان الکتریکی ۳۷۱۲ V/m و ولتاژ ۲۰۶۹ V را تجربه می‌کند. مقایسه بین پروانه‌های چپ و راست نشان داد که پروانه چپ همیشه قدرت میدان الکتریکی و ولتاژ بیشتری نسبت به پروانه راست تجربه می‌کند. تمام داده‌ها نشان می‌دهند که در این فاصله عملیاتی ۰.۸۴ متر، میدان الکتریکی به خوبی زیر آستانه تخریب هوا می‌ماند و هیچ خطر تخلیه الکتریکی وجود ندارد و عملیات ایمن سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده روی دورن تضمین می‌شود.

۲.۲.۲ عملکرد سیستم بازرسی در فاصله ۰.۳۴ متر از خط انتقال UHV
شرکت ما همچنین آزمایش‌های شبیه‌سازی انجام داد تا وضعیت عملیاتی سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده روی دورن و توزیع میدان الکتریکی فضای اطراف هادی را زمانی که فقط در فاصله ۰.۳۴ متر از خط انتقال UHV قرار دارد، تحلیل کند.

جدول ۱: حداکثر قدرت میدان الکتریکی و مقادیر ولتاژ متناظر با هر قطعه سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده روی دورن

نتایج شبیه‌سازی نشان داد که، در این شرایط حفظ فاصله، توزیع میدان الکتریکی فضایی حول خط انتقال سمت چپ بازوی رباتیک تغییر کرد. به دلیل محیط منحصر به فرد خطوط انتقال فشار خیلی بالا (UHV)، میدان‌های الکتریکی با فشار بالا بسیار آسان برای ایجاد قوس الکتریکی و مشکلات جرقه‌زنی سطحی هستند.

در همان زمان، با تحلیل تغییرات پتانسیل اجزای مختلف سیستم، مشخص شد که با افزایش فاصله بین سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده روی پرنده بدون سرنشین و خط انتقال فشار خیلی بالا، پتانسیل الکتریکی تمام اجزا نیز به طور متناسب کاهش می‌یابد.

بر اساس داده‌های موجود در جدول 2، هنگامی که سیستم بازرسی در فاصله 0.34 متری از خط انتقال فشار خیلی بالا قرار دارد، حداکثر قوت میدان الکتریکی تجربه شده توسط هر کدام از اجزای سیستم فراتر از قدرت شکست دی الکتریک هوا نمی‌رود. بنابراین، نتیجه‌گیری می‌شود که هیچ خطر شکست در طول عملیات نگهداری وجود نخواهد داشت، که امنیت و قابلیت اطمینان سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده روی پرنده بدون سرنشین را در کاربردهای عملی تضمین می‌کند.

جدول 2: حداکثر قوت میدان الکتریکی و مقادیر ولتاژ متناظر با هر یک از اجزای سیستم بازرسی بازوی رباتیک مونتاژ شده روی پرنده بدون سرنشین

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

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

آزمون تحریف تصویر: هنگام استفاده از فناوری بازوی رباتیک نصب شده بر روی بی‌پیلотов برای بازرسی خط، تحریف تصویر ممکن است به دلیل عواملی مانند دقت ذاتی لنز دوربین جیمبال و کیفیت فرآیندهای مونتاژ رخ دهد. این تحریف منجر به اختلاف بین تصاویر ضبط شده و صحنه واقعی می‌شود که می‌تواند توانایی کارکنان نگهداری برای شناسایی دقیق خرابی‌ها یا نقص‌ها در خطوط انتقال فشار بسیار بالا را مختل کند.

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

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

تحریف لنز دوربین به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود: تحریف مماسی و تحریف شعاعی. تحریف مماسی عمدتاً به دلیل عدم موازی بودن کامل المان‌های لنز و صفحه تصویر دوربین ایجاد می‌شود. از طرف دیگر، تحریف شعاعی به دلیل خم شدن بیشتر نور در موقعیت‌های دورتر از مرکز نوری لنز رخ می‌دهد که منجر به توزیع تحریف در جهت شعاعی لنز می‌شود. تحریف شعاعی می‌تواند با فرمول زیر بیان شود:

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

بر این اساس، شرکت ما پیشنهاد می‌کند از روش کالیبراسیون چانگ برای شناسایی مؤلفه‌های تحریف شعاعی که بیشترین تأثیر را بر تشکیل تصویر دارند و بازسازی پارامترهای مدل استفاده شود. این امر امکان نگاشت متقابل بین مختصات اشیاء در یک سیستم مختصات جهانی تعریف شده و مختصات پیکسل در صفحه تصویر را فراهم می‌کند و بدین ترتیب کالیبراسیون دوربین جیمبال را کامل می‌کند. این رویکرد به طور موثر تأثیر تoleransهای 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 فشار بسیار بالا بدون تأخیر به سیستم منتقل می‌شوند. این امر به کارکنان نگهداری داده‌های تصویری قابل اعتماد برای ارزیابی دقیق وجود یا عدم وجود خرابی‌ها یا نقص‌ها در خطوط ارائه می‌دهد.

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