Drone-alapú helyettesítő technológiák kutatása és elemzése ultra magas feszültségű áramvonalak karbantartásához

Egy adott régióban, a szupergyűjtő (UHV) áramvonalak karbantartása után az alábbi problémák merültek fel: a meglévő drónok nem rendelkeznek elegendő teljesítménnyel ahhoz, hogy megfeleljenek a jelenlegi nagy léptékű és kiterjedt UHV-áramvonalak ellenőrzésének és karbantartásának igényeinek. A gyakorlatban a drónok elégtelen üzemidővel, korlátozott képfelvételi képességgel és rossz elektromágneses interferenciával (EMI) szembesülnek, ami negatívan befolyásolja az ellenőrzés hatékonyságát, és megakadályozza a pontos UHV-áramvonalak hibáinak azonosítását.

A UHV-áramvonalak jelentős hossza és a helyi természeti környezet hatása miatt a detektáló eszközökkel felszerelt drónok nem tudnak hosszú ideig repülni, ami csökkenti az ellenőrzés hatékonyságát. A bemutatott esetben még a benzin-elektromos hibrid drónok is kevesebb mint 3 órát tudtak repülni, ami gyakori akkumulátorcseréket tesz szükségessé az ellenőrzéseken belül. Továbbá a jelenlegi drón-alapú ellenőrzési rendszerek funkcionális teljesség hiányában szenvednek – nem támogatják a többdimenziós, többfunkciós ellenőrzési képességeket – ami vezet az ellenőrzési pontosság csökkenéséhez. Ez elhalaszthatja a vonalhibák vagy más hibák észlelése és kezelése, közvetlenül befolyásolva a normális áramellátást.

Ezekre a kihívásokra válaszul cégünk egy új UHV-áramvonalak ellenőrzésére szolgáló technológiát fejlesztett ki, amely egy robotkar-kivitelű drón integrálását tartalmazza. Ez a megoldás a régió specifikus UHV-infrastruktúrájára van szabva, és a jelenlegi drónalkalmazások teljesítményére támaszkodik az áramvonalak karbantartásában. Célja, hogy a fent említett problémákat megoldja, miközben megfelel a következő kulcsfontosságú követelményeknek: alacsony energiafelhasználás, hosszú üzemidő, alacsony költség, nagy terhelésviselő képesség és erős környezeti érzékelés.

1. Technikai megoldás: Robotkar-kivitelű drón UHV-áramvonalak karbantartásához
1.1 Tervezési koncept
Ez a technológia kritikus megfontolásai magukban foglalják az izolációs tervezést, a robotkar mozgási irányítását és a támogató részrendszereket. A racionális technikai tervezés biztosítása létfontosságú ahhoz, hogy hatékonyan megoldja a meglévő UHV-karbantartási kihívásokat, és legyenek túlmozdulva a végrehajtási akadályokon.

Cégünk átfogóan értékelte a UHV-karbantartási környezet által a robotkarra rátett izolációs követelményeket. Ezen alapul kiszámítottuk a kar, a rotórkötő, a keret és a fuselázhöz tartozó maximális elektromágneses mezoterhelést és feszültségváltozásokat a különböző távolságokon élő vezetőkből. Ezután célzott teljesítményteszteket terveztek, amelyek segítettek a technikai megoldás további finomításában.

Kiemeltük a reprezentatív UHV-karbantartási eseteket a standard működési eljárások és biztonsági protokollok meghatározásához. A robotkar több szabadsági fokú szerkezetét optimalizáltuk, hogy a legmegfelelőbb drón-manipulátor konfigurációt azonosítsuk. A különleges működési környezet figyelembevételével javasoltuk az eredeti képfelvételi hardver és az adatküldési szoftver/hardver frissítését a valós idejű képminőség javítása érdekében.

1.2 Elektromágneses interferencia (EMI) enyhítő intézkedések
A bemutatott esetben szereplő UHV-áramvonalak hosszú szakaszokat és átkereszteződéseket tartalmaznak, ami összetett és dinamikus elektromágneses környezetet hoz létre. A vezetők körül lévő erős elektromágneses mezők és a közeli kommunikációs bázisállomások intenzív jelei súlyosan zavarhatják a drón-manipulátor rendszer kommunikációját. Továbbá a manipulátor műveletei során a hosszútávú adatküldés zavarható lehet, ami kompromittálhatja a műveleti biztonságot.

Ennek megfelelően cégünk a következő EMI-védő intézkedéseket javasolja:

• Elemezze a UHV-áramvonalak közelében lévő erős elektromágneses mezők potenciális káros hatásait a drón belső áramkörre.

• Védőkezelést alkalmazzon a jármű felszínére, a jelzeti kábelekre és minden fedélzeti szemcsére.

• Vegyünk fel egy adott vastagságú vezetőlapot a drón külső részére, hogy csökkentsük az elektromágneses interferenciát. Az olyan alkatrészekre, amelyekre ez nem alkalmazható, használjuk a rézdrótokat azonos védőhatás érdekében.

1.3 Robotkar szerkezeti tervezése
Az 1. ábrán látható szerkezet szerint a robotkar a következőkből áll:
(1) Fogó; (2) Szervóvédelmi doboz; (3) Nullérték-detektor adapter; (4) Magfeszültség-próbáló adapter; (5) Izoláló rúd; (6) Korlátozó rúd; (7) Epoxidműanyag izoláló réteg; (8) Tehermentesítő hengerhordó; (9) Összekötő rúd; (10) Gyorshajtás-specifikus hengerhordó.

A UHV-környezetben fennálló izolációs követelmények figyelembevételével cégünk javasolja, hogy izoláló csavarkat helyezzenek a drón alsó része és a landolók között. Acélfala köti össze a fedélzeti izolációs réteg alsó oldalát a tehermentesítő hengerhordóval, amely kívülről egy fémmag köré van rögzítve. A tehermentesítő szervómotor a henger jobb oldalán található, amely a tehermentesítő mechanizmust hajtja, lehetővé téve a robotkar felfelé és lefelé mozgását.

A vezetők körül lévő erős elektromágneses mezők által okozott zavarok figyelembevételével cégünk javasolja, hogy a szervómotor vezetővonalaival ellátott izoláló rudakat és a szervóhoz dedikált izoláló védelmi burkolatot helyezzenek be. Ez hatékonyan elkülöníti a szervót a külső magfeszültség generált elektromágneses hullámoktól. Továbbá rézdrótokat alkalmaznak a szervó körüli szemcsékben, hogy elérjék az egyenpotenciális kötést, így csökkentve a szervó belső áramkörében lévő elektromágneses hullámok által okozott lebukás kockázatát.

2. UHV-áramvonalak ellenőrzésének szimulációs kísérlete egy robotkar-kivitelű drónnal
2.1 Szimuláció tervezése
A bemutatott esetben szereplő UHV-áramvonalak karbantartási feljegyzéseinek alapján a következő szerkezeti paramétereket nyerték: a vonalirányú torony teljes magassága 3200 mm; a nagy hordó sugara 2400 mm; a közepes hordó sugara 3200 mm; a kis hordó sugara 2700 mm; a vezető átmérője 17,48 mm, ahogy az 2. ábrán látható.

A szimulációs kísérletben a drónrendszer szénfibrás anyagokat választott a csavarképek, a keret és a fuselázhöz, hogy javítsa az általános teljesítményét.

Figyelembe véve a környező térbeli elektromos mező hatását a drón-alapú karbantartási műveletekre ultra magas feszültségű (UHV) átviteli vonalak esetén, az IEE-Business elsőként fejlesztett ki egy drón-hordozó robotkar vizsgáló rendszer szimulációs modelljét. Véges elem analízissel meghatároztuk az UHV vonalak környékén lévő elektromos mező konkrét hatását a drón karbantartási műveleteire. Ezen felül megvizsgáltuk a robotkar, a repülőgéptörzs, a csavarképek és a fuseláz által tapasztalt maximális elektromos mező erejét és feszültségi változásokat különböző távolságokon a robotkar bal oldala és a vezeték között. Ez lehetővé teszi, hogy értékeljük, hogy vannak-e potenciális biztonsági veszélyek a közeli vizsgálati feladatok során.

2.2 Szimulációs folyamat
2.2.1 A vizsgáló rendszer teljesítménye 0,84 méter távolságra az UHV átviteli vonaltól
Az IEE-Business további szimulációs kísérleteket végzett a drón-hordozó robotkar vizsgáló rendszeren, hogy elemzésre bocsássa annak működési állapotát és a vezetékhez közeli térbeli elektromos mező eloszlását 0,84 méter távolságra az UHV átviteli vonaltól.

A szimuláció eredményei azt mutatták, hogy ebben a működési állapotban nem tapasztalhatók jelentős negatív elektromos mező hatások az egész vizsgáló rendszerre. Azonban enyhe növekedést tapasztaltunk a robotkar bal oldalán az elektromos mező intenzitásában. Általánosságban, ha a helyi elektromos mező ereje meghaladja a levegő dielektrikus töréspontját (30 kV/cm), nő a komponensek töréskockázata, ami rontja a rendszer stabilitását és biztonságát.

Továbbá, a rendszerkomponensek potenciál- (feszültség-) eloszlásának vizsgálata révén megállapítottuk, hogy ahogy a drón-hordozó vizsgáló rendszer és az UHV vonal közötti távolság nő, a komponensek elektromos potenciálja csökken. Ezek alapján meghatároztuk a feszültségi szinteket és a maximális elektromos mező ereje, amelyet minden komponens tapasztal a karbantartási környezetben.

Ahogy az 1. táblázatból látható, amikor a vizsgáló rendszer 0,84 méterre van az UHV vonaltól, a robotkar 3712 V/m elektromos mező erejet és 2069 V feszültséget tapasztal. A bal és a jobb csavarképek összehasonlítása során kiderült, hogy a bal csavarkék állandóan nagyobb elektromos mező erejet és feszültséget élveznek, mint a jobb csavarkék. Minden adat azt mutatja, hogy ezen 0,84 méteres működési távolságon az elektromos mező jól alá esik a levegő töréspont alá, nincs elektromos lecsapás kockázata, így a drón-hordozó robotkar vizsgáló rendszer biztonságos működése garantált.

2.2.2 A vizsgáló rendszer teljesítménye 0,34 méter távolságra az UHV átviteli vonaltól
Az IEE-Business szintén szimulációs kísérleteket végzett, hogy elemzésre bocsássa a drón-hordozó robotkar vizsgáló rendszer működési állapotát és a vezetékhez közeli térbeli elektromos mező eloszlását, amikor a rendszer csak 0,34 méterre volt az UHV átviteli vonaltól.

1. táblázat: A drón-hordozó robotkar vizsgáló rendszer komponenseinek megfelelő maximális elektromos mező ereje és feszültsége

A szimulációs eredmények azt mutatták, hogy ezen távolság-megőrzési feltétel mellett a robotkar bal oldalán lévő áramvonal körül levő térbeli elektromos mező eloszlása megváltozott. Az ultramegavolt (UMV) áramvonalak egyedi környezete miatt a magas feszültségű elektromos mezők nagyon hajlamosak ívölés és felületi villanás problémákhoz.

Egyidejűleg, a rendszer különböző komponenseinek potenciálváltozásainak elemzése során azt találták, hogy ahogy a drónon montált robotkar-ellenőrző rendszer és az UMV-áramvonal közötti távolság növekszik, a rendszer minden komponensének elektromos potenciálja megfelelően csökken.

Az 2. táblázatban szereplő adatok szerint, amikor az ellenőrző rendszer 0,34 méterre van az UMV-áramvonaltól, a rendszer bármely komponensének tapasztalható legnagyobb elektromos mezőerőssége nem haladja meg a levegő izolációs romlás erejét. Ezért következtethetünk, hogy az ellenőrzési művelet során nem merül fel semmilyen romlási kockázat, ami garantálja a drónon montált robotkar-ellenőrző rendszer biztonságát és megbízhatóságát gyakorlati alkalmazásokban.

Táblázat 2: A drónon montált robotkar-ellenőrző rendszer minden komponenséhez tartozó maximális elektromos mezőerősség és feszültség értékei

2.3 A vízszintes hálózatok karbantartásában használt drón-hordozott robotkar ellenálló képességének tesztelése

A drón védelmi teljesítményének teszteléséhez a tesztelési eszközök között volt egy vezetőfestékkel bevonatkozott drón és egy multimérő. A vezetőfestéket egyenletesen felhúzták a drón felületére, és a vastagsága nem haladta meg 0,05 mm-et. Normál környezeti körülmények között mértek a drón felületén lévő két pont közötti belső ellenállást; ha az érték kevesebb, mint 1 Ω, akkor ez megfelel a meghatározott standardnak.

Képkorrigálás teszt: Amikor a drón-hordozott robotkar technológiát használják a hálózatok vizsgálatára, a képek torzulása adódhat a gimbál kameralencse sajátos pontosságából és a szerelés minőségéből. Ez a torzulás eltéréseket okozhat a rögzített képek és a valós jelenet között, ami potenciálisan sérültheti a karbantartó személyzet képességét arra, hogy pontosan felismassák a UHV-átviteli vonalakon előforduló hibákat vagy hiányosságokat.

Ehhez a problémához válaszul a műszaki csapatunk fejlesztett ki egy képtorzulás korrekturamodellt, amely alapul a gimbál kameralencse torzulási jellemzőire. A modell a következő képletben fejezhető ki:

A képletben:
x,y a tangenciális torzulású pont eredeti koordinátái a képfogó rendszerben;
x′,y′ a pont új koordinátái a torzuláskorrekció után;
p1,p2 a tangenciális torzulási paraméterek;
r a kép középpontjától mért sugár távolság.

A kameralencsek torzulását főleg két típusba sorolják: tangenciális és radiális torzulás. A tangenciális torzulás főként azért alakul ki, mert a lencseelemek és a kamera képsíkja nem tökéletesen párhuzamosak. A radiális torzulás, viszont, azért jön létre, mert a fény sugarai nagyobb mértékben hajlítanak a lencse optikai középpontjától távolabbi helyeken, ami a lencse sugárirányú elhajlását eredményezi. A radiális torzulást a következő képlet írja le:

A képletben:
x,y a radiálisan torzulású pont eredeti koordinátái a képfogó rendszerben;
x′,y′ a pont új koordinátái a torzuláskorrekció után;
k1,k2,k3 a radiális torzulási paraméterek;
r a kép középpontjától mért sugár távolság.

Ezen alapul a cégünk Zhang kalibrációs módszerének felhasználását javasolja annak érdekében, hogy azonosítsa a radiális torzulási összetevőket, amelyek a legnagyobb hatással vannak a képalkotásra, és újraépítse a modell paramétereit. Ez lehetővé teszi a világkoordináta rendszerben definiált objektumkoordináták és a képsíkon lévő pixelkoordináták közötti kölcsönös leképezést, ezzel a gimbál kamerák kalibrációját végezve. Ez a megközelítés hatékonyan csökkenti a lencse gyártási toleranciái és a szerelési folyamatok hatását a képminőségre, növeli a képkitisztultságot, és biztosítja, hogy a szupervízmagfeszültségű (UHV) átviteli vonalak magas felbontású képei késés nélkül visszaküldődjenek a rendszerbe. Ez megbízható látványi adatokat nyújt a karbantartó személyzetnek, hogy pontosan megállapítsa, hogy a vonalon léteznek-e hibák vagy hiányosságok.

Összefoglalva, a jelen tanulmányban bemutatott drón-hordozott robotkar vizsgálati technológia eleget tesz a jelenlegi UHV-átviteli vonalak karbantartási igényeinek, mint például a minimális energiafelhasználás, hosszú üzemidő, alacsony költségek, nagy terhelésviselő képesség és erős környezeti érzékenység. Megoldja a kulcsfontosságú technológiai akadályokat, amelyek a hagyományos kézi vizsgálati módszerek helyettesítését a drónokkal illetik, emeli a karbantartási műveletek általános szintjét, és megerősíti az áramátvitel és -ellátás biztonságát és megbízhatóságát.