Istraživanje i analiza dron baziranih tehnologija za zamjenu u održavanju linija visokog napona

U nekoj regiji, nakon održavanja ultra visokonaponskih (UHV) prijenosnih linija, identificirane su sljedeće probleme: postojeći dronovi nemaju dovoljnu performansu kako bi zadovoljili sadašnje velike i šire potrebe za inspekcijom i održavanjem UHV linija. U praktičnoj uporabi, dronovi pokazuju nedostatak izdržljivosti, ograničenu sposobnost prikupljanja slika i lošu otpornost na elektromagnetsku interferenciju (EMI), što negativno utječe na učinkovitost inspekcije i sprečava točno prepoznavanje defekata UHV linija.

Zbog značajne duljine UHV prijenosnih linija i utjecaja lokalnih prirodnih okruženja, dronovi opremljeni uređajima za detekciju ne mogu održati dugotrajni let, smanjujući učinkovitost inspekcije. U navedenom slučaju, čak i hidridni dronovi s električnim pogonom dostigli su trajanje leta manje od 3 sata, što je zahtijevalo česte zamjene baterija tijekom inspekcija. Također, trenutni sustavi inspekcije temeljeni na dronovima nedostaju funkcionalnu kompletnost – ne podržavaju višedimenzionalne, multifunkcionalne sposobnosti inspekcije – što rezultira nedostatkom točnosti inspekcije. To može odgoditi otkrivanje i rješavanje problema ili drugih defekata linija, direktno utječeći na normalnu prenos energije.

Kako bi se ti izazovi riješili, naša tvrtka razvila je novu tehnologiju inspekcije UHV prijenosnih linija koja integrira robota manipulatora montiranog na dron. Ovo rješenje prilagođeno je specifičnoj UHV infrastrukturi u regiji i bazirano je na trenutnoj performansi primjene dronova u održavanju linija. Cilji su riješiti navedene probleme uz ispunjavanje ključnih zahtjeva: niska potrošnja struje, produžena izdržljivost, niske troškove, velika nosivost i snažno okolišno percepcija.

1.Tehničko rješenje: Dron s robotskim rukom za održavanje UHV linija
1.1 Koncept dizajna
Ključne razmatranje ove tehnologije uključuju dizajn izolacije, kontrolu gibanja robotske ruke i podržavajuće podsustave. Osiguranje racionalnog tehničkog dizajna ključno je za efektivno rješavanje postojećih izazova održavanja UHV i prevladavanje prepreka u implementaciji.

Naša tvrtka komprehensivno procijenila je zahtjeve za izolaciju koje UHV okruženje stavlja na robotsku ruku. Na temelju toga, izračunali smo maksimalnu jakost električnog polja i varijacije napona koje su iskusile ruka, rotori, okvir i fuselage na različitim udaljenostima od živih vodnika. Zatim su dizajnirani ciljani testovi performansi kako bi informirali nadaljnje poboljšanja tehničkog rješenja.

Izabrali smo reprezentativne scenarije održavanja UHV kako bismo definirali standardne postupke rada i protokole sigurnosti. Višestepeni struktura robotske ruke optimizirana je kako bi se identificirala najugodnija konfiguracija dron-robot. S obzirom na jedinstveno radno okruženje, predložili smo unapređenje originalne hardvera za prikupljanje slika i softver/hardver za prijenos podataka u studiji slučaja kako bismo poboljšali kvalitetu slika u stvarnom vremenu.

1.2 Mjere za smanjenje elektromagnetske interferencije (EMI)
UHV linije u navedenom slučaju uključuju dugačke rasponi i presjeke, stvarajući složeno i dinamično elektromagnetsko okruženje. Jakim elektromagnetskim poljima oko linija i intenzivnim signalima od bliskih baznih stanica komunikacije može se ozbiljno smetati komunikaciji sustava dron-robot. Također, prijenos podataka na velike udaljenosti tijekom operacija manipulatora može uzrokovati crosstalk, kompromitirajući sigurnost operacija.

Da bi se to suprotstavilo, naša tvrtka predlaže sljedeće mjere za ekraniranje EMI:

• Analiza potencijalnog oštećenja visokointenzivnih elektromagnetskih polja blizu UHV linija na unutarnju elektroniku drona.

• Primjena ekranirajućih tretmana na površinu fuzelaza, signale kabela i sve šive kućišta.

• Uniformno nanosenje vodljivog poklopa od određene debljine na vanjsku površinu drona kako bi se umanjila elektromagnetska interferencija. Za komponente koje nisu prikladne za poklop, koristi se vezivanje bakrenih žica kako bi se postigla ekvivalentna učinkovitost ekraniranja.

1.3 Dizajn strukture robotske ruke
Kao što je prikazano na slici 1, robotska ruka sastoji se od:
(1) Štap; (2) Kućište za zaštitu servomotora; (3) Adapter za detektor nulte vrijednosti; (4) Adapter za visokonaponski tester; (5) Izolacijski štap; (6) Ograničavajući štap; (7) Sloj izolacijske epoksidne smole; (8) Rukav za posebnu nagibnu os; (9) Veza; (10) Rukav za posebnu valjnu os.

S obzirom na zahtjeve za izolaciju u UHV okruženju, naša tvrtka predlaže instalaciju izolacijskih vijaka između spodnje strane drona i podnožja. Čelični okvir povezuje donju stranu izolacijskog sloja s rukavom za posebnu nagibnu os, koji je fiksiran vanjski oko metalnog ležaja. Servomotor za nagib montiran je na desnu stranu ležaja, pogonja mehanizam za nagib omogućujući gore-dolazeće gibanje robotske ruke.

S obzirom na smetnje uzrokovanje visokointenzivnim elektromagnetskim poljima u prostoru oko prijenosnih linija, naša tvrtka predlaže instalaciju vodova za pogon servomotora unutar izolacijskog štapa i opremanje servomotora posebnim izoliranim zaštitnim kućištem. To učinkovito izolira servomotor od elektromagnetskih talasa generiranih vanjskim visokonaponskim okruženjem. Također, na štapične prostore oko servomotora primjenjuje se vezivanje bakrenih žica kako bi se postigla ekvipotencijalna veza, time smanjujući rizik od rušenja unutarnje elektronike servomotora izazvanog elektromagnetskim talasima.

2.Simulacijski eksperiment inspekcije UHV prijenosnih linija pomoću drona s robotskom rukom
2.1 Dizajn simulacije
Na temelju zapisa o održavanju UHV prijenosnih linija u navedenom slučaju, dobiveni su sljedeći strukturni parametri: ukupna visina pravocrtnog stuba je 3200 mm; polumjer velikog štedera je 2400 mm; polumjer srednjeg štedera je 3200 mm; polumjer malog štedera je 2700 mm; a promjer vodnika je 17,48 mm, kao što je prikazano na slici 2.

U sustavu bezpilotnog letjelice (drona) za simulacijski eksperiment odabrane su karakteristike materijala od ugljenovih vlakana za vrtule, okvir i fuzelaz kako bi se poboljšala ukupna performansa.

Uzimajući u obzir utjecaj okoline prostornog električnog polja na održavanje ultra visokih napona (UHV) prenosnih linija temeljem drona, naša tvrtka je prvo razvila simulacijski model sustava inspekcije s robotnim rukom montiranom na dron. Koristeći analizu konačnih elemenata, utvrdili smo specifičan utjecaj električnog polja oko UHV linija na operacije održavanja drona. Također smo analizirali maksimalnu snagu električnog polja i varijacije napona iskazane robotnom rukom, zrakoplovskim okvirom, vrtulama i fuzelazom pod različitim udaljenostima između lijeve strane robotne ruke i vodnika. To nam omogućuje procjenu postojanja potencijalnih sigurnosnih opasnosti tijekom zadataka inspekcije u blizini.

2.2 Simulacijski proces
2.2.1 Performanse sustava inspekcije na 0,84 m od UHV prenosne linije
Naša tvrtka je provedla simulacijske eksperimente na sustavu inspekcije s robotnom rukom montiranom na dron kako bi se dodatno analiziralo njegovo stanje rada i distribucija prostornog električnog polja blizu vodnika na udaljenosti od 0,84 m od UHV prenosne linije.

Rezultati simulacije pokazali su da, u ovom radnom stanju, nisu uočeni značajni negativni efekti električnog polja na cijeli sustav inspekcije. Međutim, primijećena je laka povećana intenzitet električnog polja na lijevoj strani robotne ruke. Općenito, ako lokalni intenzitet električnog polja premaši dielektričnu slomljivost zraka (30 kV/cm), raste rizik od sloma komponenti, čime se kompromitira stabilnost i sigurnost sustava.

Također, promatrajući distribuciju potencijala (napona) na komponentama sustava, utvrdili smo da, kako se udaljenost između sustava inspekcije montiranog na dron i UHV linije povećava, smanjuje se električni potencijal svih komponenti. Na osnovu tih varijacija potencijala, određujemo nivo napona i maksimalne vrijednosti intenziteta električnog polja koje svaka komponenta iskazuje u okruženju održavanja.

Kao što je prikazano u tablici 1, kada je sustav inspekcije 0,84 m udaljen od UHV linije, robotna ruka iskazuje intenzitet električnog polja od 3712 V/m i napon od 2069 V. Uporedba između lijevih i desnih vrtula pokazala je da lijeva vrtul konstantno pretrpi veći intenzitet električnog polja i napon od desne vrtule. Svi podaci upućuju na to da, pod ovom radnom udaljenošću od 0,84 m, električno polje ostaje daleko ispod pragova sloma zraka, ne stvarajući rizik od električnog iscrpljenja i osiguravajući sigurno funkcioniranje sustava inspekcije s robotnom rukom montiranom na dron.

2.2.2 Performanse sustava inspekcije na 0,34 m od UHV prenosne linije
Naša tvrtka je također provedla simulacijske eksperimente kako bi analizirala stanje rada sustava inspekcije s robotnom rukom montiranom na dron i distribuciju prostornog električnog polja blizu vodnika na udaljenosti od samo 0,34 m od UHV prenosne linije.

Tablica 1: Maksimalne vrijednosti intenziteta električnog polja i napona odgovarajuće svakoj komponenti sustava inspekcije s robotnom rukom montiranom na dron

Rezultati simulacije pokazali su da, pod ovim uvjetom održavanja razmaka, prostorno raspodjela električnog polja oko prijenosne linije s lijeve strane robota promijenila se. Zbog jedinstvene okoline ultra-visokih napona (UHV) prijenosnih linija, visokonaponski električni polja su vrlo skloni uzrokovati probleme sa zarcima i površinskim iskrenom.

U isto vrijeme, analizirajući varijacije potencijala različitih komponenti u sustavu, utvrdilo se da kako raste udaljenost između inspekcijskog sustava montiranog na dronu i UHV prijenosne linije, električni potencijal svih komponenti odgovarajuće opada.

Prema podacima u tablici 2, kada je inspekcijski sustav smješten na udaljenosti od 0,34 m od UHV prijenosne linije, maksimalna jakost električnog polja kojoj bilo koja komponenta u sustavu može biti izložena ne prelazi dielektričnu razrušnu snagu zraka. Stoga se zaključuje da tijekom održavanja neće doći do rizika od razrušenja, što osigurava sigurnost i pouzdanost inspekcijskog sustava montiranog na dronu u praktičnoj primjeni.

Tablica 2: Maksimalna Jakost Električnog Polja i Vrijednosti Napona za Svaku Komponentu Inspekcijskog Sustava Montiranog na Dronu

2.3 Testovi otpornosti na interferenciju robota montiranog na dron za održavanje prijenosnih linija

Za testiranje ekranirajućih osobina drona, oprema za testiranje uključivala je dron prekriven provodljivom bojom i multimetar. Provodljiva boja ravnomjerno je nanijela na površinu drona debljine ne veće od 0,05 mm. Pri normalnim okolišnim uvjetima mjerena je unutarnja otpornost između dvije točke na površini drona; vrijednost manja od 1 Ω upućuje na ispunjenje specificiranih standarda.

Test distorzije slike: Kada se primjenjuje tehnologija robota montiranog na dron za inspekciju linija, distorzija slike može nastati zbog faktora poput inherentne preciznosti leće kamere gimbala i kvalitete procesa montaže. Takva distorzija uzrokuje razlike između snimljenih slika i stvarne scene, što može ometaći sposobnost održavateljskog osoblja da točno prepoznaje greške ili defekte na UHV prijenosnim linijama.

Da bismo riješili ovaj problem, naš tehnički tim razvio je model korekcije distorzije slike temeljen na karakteristikama distorzije leće kamere gimbala. Taj model izražen je sljedećom formulom:

U formuli:
x,y su originalne koordinate tangencijalno distorzijske točke u sustavu snimanja;
x′,y′ su nove koordinate točke nakon korekcije distorzije;
p1,p2 su parametri tangencijalne distorzije;
r je radijalna udaljenost od središta slike.

Distorzija leće kamere uglavnom se dijeli u dva tipa: tangencijalnu i radijalnu distorziju. Tangencijalna distorzija uglavnom nastaje zato što elementi leće i sličnica kamere nisu savršeno paralelni. S druge strane, radijalna distorzija nastaje jer se zraci svjetlosti više savijaju na pozicijama daljnjim od optičkog središta leće, što rezultira distorzijom distribuiranom duž radijalne smjernice leće. Radijalna distorzija može se izraziti sljedećom formulom:

U formuli:
x,y su originalne koordinate radijalno distorzijske točke u sustavu snimanja;
x′,y′ su nove koordinate točke nakon korekcije distorzije;
k1,k2,k3 su parametri radijalne distorzije;
r je radijalna udaljenost od središta slike.

Na temelju toga, naša tvrtka predlaže korištenje metode kalibracije Zhang-a za identifikaciju radijalnih komponenti distorzije koje najviše utječu na formiranje slike, te rekonstrukciju parametara modela. To omogućuje međusobno mapiranje između koordinata objekta u definiranom svjetskom koordinatnom sustavu i pikselnih koordinata u ravnini slike, čime se dovršava kalibracija kamere gimbala. Ovaj pristup učinkovito umanjuje utjecaj tolerancija izrade leće i procesa montaže na točnost slike, poboljšava jasnoću slike i osigurava da visokokvalitetne slike ultra visokonaponskih (UHV) prijenosnih linija budu vremenski bez odstupanja prenijesene natrag u sustav. To pruža održavateljskom osoblju pouzdane vizualne podatke za točno procjenjivanje postojanja grešaka ili defekata na linijama.

U skladu s navedenim, tehnologija inspekcije robota montiranog na dron predložena u ovom radu ispunuje trenutne zahtjeve za održavanje UHV prijenosnih linija u pogledu niske potrošnje energije, dugog trajanja, niske cijene, velike nosivosti i snažne percepcije okruženja. Prema tome, prevazilazi ključne tehničke grla zamjene tradicionalnih ručnih metoda inspekcije dronima, podiže opće razinu održavateljskih operacija i jača sigurnost i pouzdanost prijenosa i opskrbe struje.