Investigación e análise sobre tecnoloxías de substitución baseadas en drones para o mantemento de liñas de transmisión de ultra alta tensión

Nunca rexión, despois do mantemento das liñas de transmisión de ultra alta tensión (UHV), identificáronse os seguintes problemas: os drones existentes carecen de rendemento suficiente para satisfacer as actuais demandas de inspección e mantemento en gran escala das liñas UHV. Nas operacións prácticas, os drones mostran unha duración insuficiente, capacidade limitada de adquisición de imaxes e baixa resistencia á interferencia electromagnética (EMI), o que ten un impacto negativo na eficacia da inspección e impide a identificación precisa dos defectos nas liñas UHV.

Debido á considerable lonxitude das liñas de transmisión UHV e á influencia dos entornos naturais locais, os drones equipados con dispositivos de detección non poden sostener voos prolongados, reducindo así a eficiencia da inspección. No caso citado, mesmo os drones híbridos de aceite-eléctricos lograron unha duración de voo inferior a 3 horas, requirindo frecuentes substitucións de baterías durante as inspeccións. Ademais, os sistemas de inspección basados en drones actuais carecen de completude funcional, non admitindo capacidades de inspección multidimensionais e multifuncionais, resultando nunha precisión insuficiente da inspección. Isto pode retardar a detección e o manexo de fallos ou outros defectos na liña, afectando directamente a transmisión normal de enerxía eléctrica.

Para abordar estes desafíos, a nosa empresa desenvolveu unha nova tecnoloxía de inspección de liñas de transmisión UHV que integra un brazo robótico montado nun dron. Esta solución está adaptada á infraestrutura UHV específica da rexión e informada polo rendemento actual das aplicacións de drones no mantemento de liñas. O obxectivo é resolver os problemas mencionados ao mesmo tempo que se cumpren os requisitos clave: baixo consumo de enerxía, duración extendida, baixo custo, alta capacidade de carga útil e forte percepción ambiental.

1.Solución técnica: Brazo robótico montado en dron para o mantemento de liñas UHV
1.1 Conceito de deseño
As consideracións críticas para esta tecnoloxía inclúen o deseño de aislamento, o control de movemento do brazo robótico e os subsistemas de apoio. Garantir un deseño técnico racional é esencial para resolver eficazmente os desafíos actuais do mantemento UHV e superar os cuellos de botella de implementación.

A nosa empresa avaliou comprehensivamente os requisitos de aislamento impostos polo entorno de mantemento UHV ao brazo robótico. Basándonos nisto, calculamos a máxima intensidade do campo eléctrico e as variacións de voltagem experimentadas polo brazo, rotores, estrutura e fuselaxe a diferentes distancias dos conductores activos. Despois, deseñáronse probas de rendemento específicas para informar as posteriores refinacións da solución técnica.

Seleccionámonos escenarios representativos de mantemento UHV para definir procedimentos operativos estándar e protocolos de seguridade. A estrutura de múltiples grados de liberdade do brazo robótico foi optimizada para identificar a configuración de dron-manipulador máis compatible. Dado o entorno operativo único, tamén propuxemos actualizar o hardware orixinal de adquisición de imaxes e o software/hardware de transmisión de datos no estudo de caso para mellorar a calidade de imaxe en tempo real.

1.2 Medidas de mitigación da interferencia electromagnética (EMI)
As liñas UHV no caso implican tramos longos e cruces, creando un ambiente electromagnético complexo e dinámico. Campos electromagnéticos fortes arredor das liñas e sinais intensos de proxectos de comunicación veciños poden interferir gravemente coas comunicacións do sistema dron-manipulador. Ademais, a transmisión de datos a longa distancia durante as operacións do manipulador pode causar crosstalk, comprometendo a seguridade operativa.

Para contrarrestar isto, a nosa empresa propón as seguintes medidas de blindaxe EMI:

• Analizar o posible dano aos circuitos internos do dron debido aos campos electromagnéticos de alta intensidade próximos ás liñas UHV.

• Aplicar tratamentos de blindaxe á superficie da estrutura, aos cabos de sinal e a todas as xuntas de carcasa.

• Spray uniformemente un recubrimento conductor de espesor especificado na superficie externa do dron para mitigar a interferencia electromagnética. Para compoñentes non aptos para recubrimento, úsase unión con fío de cobre para lograr un efecto de blindaxe equivalente.

1.3 Deseño estructural do brazo robótico
Como se mostra na Figura 1, o brazo robótico compónse de:
(1) Pinza; (2) Caixa de protección do servo; (3) Adaptador de detector de valor cero; (4) Adaptador de probador de alta tensión; (5) Varilla aislante; (6) Barra de límite; (7) Capa aislante de resina epoxi; (8) Manguito de rodamento específico de guiñada; (9) Barra de ligazón; (10) Manguito de rodamento específico de rollo.

Considerando os requisitos de aislamento no entorno UHV, a nosa empresa propón instalar parafusos aislantes entre a parte inferior do dron e o tren de aterrizaxe. Unha estrutura de acero conecta o lado inferior da capa aislante ao manguito de rodamento específico de guiñada, que está fixo externamente arredor dun rodamento metálico. O motor servo de guiñada está montado no lado dereito do rodamento, impulsando o mecanismo de guiñada para permitir o movemento arriba e abaixo do brazo robótico.

Considerando a interferencia causada polos campos electromagnéticos de alta intensidade no espazo arredor das liñas de transmisión, a nosa empresa propón instalar as liñas de impulsión do motor servo dentro da varilla aislante e equipar o servo con unha envoltura protectora aislante dedicada. Esto aísola eficazmente o servo das sobretensiones electromagnéticas xeradas polo entorno de alta tensión externo. Ademais, aplica-se unión con fío de cobre ás brechas arredor do servo para lograr unha unión de potencial equipotencial, reducindo así o risco de rotura inducida por ondas electromagnéticas no circuito interno do servo.

2.Experimento de simulación de inspección de liñas de transmisión UHV usando un brazo robótico montado en dron
2.1 Deseño de simulación
Basándonos nos rexistros de mantemento das liñas de transmisión UHV no estudo de caso, obtívose os seguintes parámetros estructurais: a altura total da torre rectilínea é de 3200 mm; o radio da grande chedra é de 2400 mm; o radio da chedra media é de 3200 mm; o radio da chedra pequena é de 2700 mm; e o diámetro do conductor é de 17,48 mm, como se mostra na Figura 2.

No experimento de simulación, o sistema de dron seleccionou materiais de fibra de carbono para as hélices, a estrutura e a fuselaxe para mellorar o seu rendemento xeral.

Tenendo en conta a influencia do campo eléctrico espacial circundante nas operacións de manutención baseadas en drones para liñas de transmisión de ultra alta tensión (UHT), a nosa empresa desenvolveu primeiro un modelo de simulación do sistema de inspección con brazo robótico montado en dron. Utilizando análise por elementos finitos, determinamos o impacto específico do campo eléctrico ao redor das liñas UHT nas operacións de manutención de drones. Ademais, analizamos a máxima forza do campo eléctrico e as variacións de voltaxe experimentadas polo brazo robótico, a fuselaxe, as hélices e a estrutura a diferentes distancias entre o lado esquerdo do brazo robótico e o conductor. Isto permítenos avaliar se existen potenciais riscos de seguridade durante as tarefas de inspección en proximidade.

2.2 Proceso de simulación
2.2.1 Rendemento do sistema de inspección a 0.84 m da liña de transmisión UHT
A nosa empresa realizou experimentos de simulación no sistema de inspección con brazo robótico montado en dron para analizar adicionalmente o seu estado operativo e a distribución do campo eléctrico espacial próximo ao conductor cando está situado a 0.84 m da liña de transmisión UHT.

Os resultados da simulación mostraron que, baixo esta condición de traballo, non se observaron efectos adversos significativos do campo eléctrico no sistema de inspección xeral. No entanto, detectouse un aumento lixeiro na intensidade do campo eléctrico no lado esquerdo do brazo robótico. Xeralmente, se a forza do campo eléctrico local supera a forza de ruptura dieléctrica do aire (30 kV/cm), aumenta o risco de fallo dos compoñentes, comprometendo a estabilidade e a seguridade do sistema.

Ademais, examinando a distribución de potencial (voltaxe) a través dos compoñentes do sistema, atopamos que, á medida que aumenta a distancia entre o sistema de inspección montado en dron e a liña UHT, o potencial eléctrico de todos os compoñentes diminúe en consecuencia. Basándonos nestas variacións de potencial, determinamos os niveis de voltaxe e as forzas máximas do campo eléctrico que cada compoñente experimenta no ambiente de manutención.

Como se mostra na Táboa 1, cando o sistema de inspección está a 0.84 m da liña UHT, o brazo robótico experimenta unha forza de campo eléctrico de 3712 V/m e unha voltaxe de 2069 V. Unha comparación entre as hélices esquerdas e dereitas revelou que a hélice esquerda soporta consistentemente unha forza de campo eléctrico e voltaxe maiores que a hélice dereita. Todos os datos indican que, a esta distancia de operación de 0.84 m, o campo eléctrico permanece ben por debaixo do limiar de ruptura do aire, sen risco de descarga eléctrica, asegurando a operación segura do sistema de inspección con brazo robótico montado en dron.

2.2.2 Rendemento do sistema de inspección a 0.34 m da liña de transmisión UHT
A nosa empresa tamén realizou experimentos de simulación para analizar o estado operativo do sistema de inspección con brazo robótico montado en dron e a distribución do campo eléctrico espacial próximo ao conductor cando está situado a só 0.34 m da liña de transmisión UHT.

Táboa 1: Forza máxima do campo eléctrico e valores de voltaxe correspondentes a cada compoñente do sistema de inspección con brazo robótico montado en dron

Os resultados da simulación mostraron que, nesta condición de mantemento da distancia de separación, a distribución espacial do campo eléctrico arredor da liña de transmisión ao lado esquerdo do brazo robótico cambiou. Debido ao ambiente único das liñas de transmisión de ultra-alta tensión (UHV), os campos eléctricos de alta tensión son moi propensos a causar problemas de arco eléctrico e descargas superficiais.

Ao mesmo tempo, analizando as variacións de potencial de diversos componentes do sistema, descubriuse que, á medida que aumenta a distancia entre o sistema de inspección montado en dron con brazo robótico e a liña de transmisión UHV, o potencial eléctrico de todos os componentes diminúe correspondentemente.

Segundo os datos da Táboa 2, cando o sistema de inspección está situado a 0,34 m da liña de transmisión UHV, a máxima intensidade do campo eléctrico experimentada por calquera componente do sistema non supera a resistencia dieléctrica de ruptura do aire. Polo tanto, conclúese que non se producirá ningún risco de ruptura durante a operación de mantemento, garantindo a seguridade e fiabilidade do sistema de inspección montado en dron con brazo robótico nas aplicacións prácticas.

Táboa 2: Máxima Intensidade do Campo Eléctrico e Valores de Voltaxe Correspondentes a Cada Componente do Sistema de Inspección Montado en Dron con Brazo Robótico

2.3 Probas de capacidade antirruido do brazo robótico montado en dron para a manutención das liñas de transmisión

Para a proba de blindaxe do dron, o equipo de proba incluía un dron recuberto con pintura conductora e un multimetro. A pintura conductora foi aplicada uniformemente na superficie do dron cun espesor que non superaba os 0,05 mm. Ba condicións ambientais normais, midiuse a resistencia interna entre dous puntos da superficie do dron; un valor inferior a 1 Ω indica conformidade co estándar especificado.

Proba de distorsión de imaxe: Cando se aplica a tecnoloxía do brazo robótico montado en dron para a inspección de liñas, pode producirse unha distorsión de imaxe debido a factores como a precisión inerente á lente da cámara gimballed e a calidade dos procesos de montaxe. Esta distorsión provoca desacordos entre as imaxes capturadas e a escena real, podendo prejudicar a capacidade do persoal de manutención para identificar correctamente fallos ou defectos nas liñas de transmisión de ultra alta tensión (UHV).

Para abordar este problema, o noso equipo técnico desenvolveu un modelo de corrección de distorsión de imaxe baseado nas características de distorsión da lente da cámara gimballed. Este modelo expresaase pola seguinte fórmula:

Na fórmula:
x,y son as coordenadas orixinais dun punto de distorsión tangencial no sistema de imaxe;
x′,y′ son as novas coordenadas do punto despois da corrección de distorsión;
p1,p2 son os parámetros de distorsión tangencial;
r é a distancia radial desde o centro da imaxe.

A distorsión da lente da cámara divideuse principalmente en dous tipos: distorsión tangencial e radial. A distorsión tangencial xorde principalmente porque os elementos da lente e o plano de imaxe da cámara non son perfectamente paralelos. Por outro lado, a distorsión radial ocorre porque os raios de luz dobran máis significativamente en posicións máis afastadas do centro óptico da lente, resultando en unha distorsión distribuída ao longo da dirección radial da lente. A distorsión radial pode expresarse pola seguinte fórmula:

Na fórmula:
x,y son as coordenadas orixinais dun punto de distorsión radial no sistema de imaxe;
x′,y′ son as novas coordenadas do punto despois da corrección de distorsión;
k1,k2,k3 son os parámetros de distorsión radial;
r é a distancia radial desde o centro da imaxe.

Sobre esta base, a nosa empresa propón usar o método de calibración de Zhang para identificar os compoñentes de distorsión radial que afectan máis significativamente á formación da imaxe e reconstruir os parámetros do modelo. Isto permite un mapeo mútuo entre as coordenadas do obxecto nun sistema de coordenadas mundial definido e as coordenadas de píxel no plano da imaxe, completando así a calibración da cámara gimballed. Esta aproximación mitiga eficazmente o impacto das tolerancias de fabricación da lente e dos procesos de montaxe na precisión da imaxe, mellora a claridade da imaxe e asegura que as imaxes de alta definición das liñas de transmisión de ultra alta tensión (UHV) se transmitan de volta ao sistema en tempo real sen retardo. Isto proporciona ao persoal de manutención datos visuais fiábeis para avaliar correctamente se existen fallos ou defectos nas liñas.

En resumo, a tecnoloxía de inspección co brazo robótico montado en dron proposta neste artigo cumple cos requisitos actuais de manutención das liñas de transmisión de ultra alta tensión en termos de baixo consumo de enerxía, longa duración, baixo custo, alta capacidade de carga útil e forte percepción ambiental. Supera os principais cuellos de botella técnicos na substitución dos métodos tradicionais de inspección manual por drones, eleva o nivel xeral das operacións de manutención e refórza a seguridade e a fiabilidade da transmisión e fornecemento de enerxía eléctrica.