ドローンベースの置換技術による超高圧送電線維持管理に関する研究と分析

ある地域では、超高圧（UHV）送電線のメンテナンス後、以下の問題が明らかになりました：既存のドローンは、現在のUHV線路の大規模かつ広範な検査とメンテナンスの需要を満たす十分な性能を持っていません。実際の運用において、ドローンは耐久性が不足しており、画像取得能力も限られており、電磁干渉（EMI）に対する耐性も低いことが、検査の効果に悪影響を与え、UHV線路の欠陥を正確に識別するのを妨げています。

UHV送電線の長さと地元の自然環境の影響により、検出装置を搭載したドローンは長時間の飛行を維持できず、検査効率が低下しています。引用された事例では、油電混合ドローンですら3時間未満の飛行時間しか達成できず、検査中に頻繁なバッテリー交換が必要でした。さらに、現在のドローンベースの検査システムは機能的な完全性に欠けており、多角的・多機能的な検査能力をサポートしておらず、検査精度が不足しています。これにより、線路の故障や他の欠陥の検出と処理が遅れ、正常な電力供給に直接影響します。

これらの課題に対処するため、当社はドローンにロボットアームを搭載した新しいUHV送電線検査技術を開発しました。このソリューションは、地域の特定のUHVインフラと、現行のドローンアプリケーションのラインメンテナンスにおけるパフォーマンスに基づいて設計されています。低消費電力、延長された耐久性、低コスト、高いペイロード容量、強い環境認識といった主要な要件を満たしながら、前述の問題を解決することを目指しています。

1.技術ソリューション：UHV線路メンテナンス用ドローン搭載ロボットアーム
1.1 設計概念
この技術の重要な考慮点には、絶縁設計、ロボットアームの動作制御、および支援サブシステムがあります。合理的な技術設計を確保することは、既存のUHVメンテナンスの課題を効果的に解決し、実装上のボトルネックを克服するために不可欠です。

当社は、UHVメンテナンス環境がロボットアームに課す絶縁要件を包括的に評価しました。これを基に、アーム、ローター、フレーム、フューエルelageがライブコンダクターからさまざまな距離にある場合の最大電界強度と電圧変動を計算しました。その後、対象となるパフォーマンステストを設計し、技術ソリューションのさらなる改良に役立てるようにしました。

代表的なUHVメンテナンスシナリオを選択し、標準的な作業手順と安全プロトコルを定義しました。ロボットアームの多自由度構造を最適化し、最も互換性のあるドローン-マニピュレータ構成を特定しました。ユニークな運用環境を考慮に入れて、ケーススタディで元の画像取得ハードウェアとデータ伝送ソフトウェア/ハードウェアのアップグレードを提案し、リアルタイム画像品質を向上させました。

1.2 電磁気的干渉（EMI）軽減措置
ケーススタディのUHV線路は長い間隔と交差部があり、複雑かつ動的な電磁気環境を作り出します。線路周辺の強力な電磁場と近隣の通信基地局からの強烈な信号は、ドローン-マニピュレータシステムの通信に深刻な干渉を及ぼす可能性があります。また、マニピュレータ操作中の長距離データ伝送はクロストークを引き起こし、運用安全性を損なう可能性があります。

これを防ぐために、当社は以下のEMIシールド措置を提案します：

• UHV線路近くの高強度電磁場がドローンの内部回路に与える潜在的な損傷を分析する。

• 機体表面、信号ケーブル、すべてのハウジング継ぎ目にシールド処理を行う。

• ドローンの外側に指定された厚さの導電性コーティングを均一にスプレーして、電磁気的干渉を軽減する。コーティングに適さない部品については、同等のシールド効果を達成するために銅線接続を使用する。

1.3 ロボットアームの構造設計
図1に示すように、ロボットアームは以下の構成要素で構成されています：
(1) グリッパー；(2) サーボ保護箱；(3) ゼロ値検出器アダプタ；(4) 高電圧テストアダプタ；(5) 絶縁棒；(6) 制限棒；(7) エポキシ樹脂絶縁層；(8) ピッチ専用ベアリングスリーブ；(9) リンクロッド；(10) ロール専用ベアリングスリーブ。

UHV環境での絶縁要件を考慮し、当社はドローンの下部と着陸ギア間に絶縁ボルトを設置することを提案します。絶縁層の下側に鋼製フレームを接続し、外部に金属ベアリングを取り付けます。ピッチサーボモーターはベアリングの右側に取り付けられ、ピッチ機構を駆動してロボットアームの上下運動を可能にします。

送電線周辺の空間に存在する高強度電磁場による干渉を考慮し、当社は絶縁棒内にサーボモータードライブラインを設置し、サーボに専用の絶縁保護エンクロージャを装備することを提案します。これにより、外部の高電圧環境によって生成される電磁波からのサーボの絶縁が効果的に達成されます。さらに、サーボ周囲の隙間に銅線接続を施し、等電位結合を達成することで、サーボ内部回路の電磁波による破壊リスクを低減します。

2.ドローン搭載ロボットアームを使用したUHV送電線検査のシミュレーション実験
2.1 シミュレーション設計
ケーススタディのUHV送電線のメンテナンス記録に基づき、以下の構造パラメータを得ました：直線塔の全高は3200mm；大シェッド半径は2400mm；中シェッド半径は3200mm；小シェッド半径は2700mm；そして導体直径は17.48mmです（図2参照）。

シミュレーション実験では、ドローンシステムはプロペラ、フレーム、機体の材料として炭素繊維を使用し、全体的な性能を向上させました。

超高圧（UHV）送電線に対するドローンベースのメンテナンス作業における周囲の空間電場の影響を考慮に入れ、当社はドローン搭載ロボットアーム検査システムのシミュレーションモデルを開発しました。有限要素法を使用して、UHV線周辺の電場がドローンのメンテナンス作業に与える具体的な影響を決定しました。さらに、ロボットアームと導体との間の距離が異なる場合におけるロボットアーム、機体、ローター、およびフューエルelageが経験する最大電界強度と電圧変動を分析しました。これにより、近接検査タスク中に潜在的な安全上の危険が存在するかどうかを評価することができます。

2.2 シミュレーションプロセス
2.2.1 UHV送電線から0.84 m離れた位置での検査システムの性能
当社は、ドローン搭載ロボットアーム検査システムについてシミュレーション実験を行い、導体近くの空間電場分布と、UHV送電線から0.84 m離れた位置での動作状態をさらに分析しました。

シミュレーション結果は、この動作条件下で、全体的な検査システムに顕著な電界効果は観察されませんでした。しかし、ロボットアームの左側で電界強度がわずかに上昇することが確認されました。一般に、局所の電界強度が空気の誘電ブレークダウン強度（30 kV/cm）を超えると、部品の破損リスクが増加し、システムの安定性と安全性が損なわれます。

さらに、システム構成要素全体の電位（電圧）分布を調べたところ、ドローン搭載検査システムとUHV線との間の距離が増加すると、すべての構成要素の電位が減少することを確認しました。これらの電位変動に基づいて、メンテナンス環境下で各構成要素が経験する電圧レベルと最大電界強度を決定しました。

表1に示すように、検査システムがUHV線から0.84 m離れている場合、ロボットアームは3712 V/mの電界強度と2069 Vの電圧を経験します。左右のローターを比較したところ、左ローターの方が常に右ローターよりも高い電界強度と電圧を受けることが明らかになりました。すべてのデータは、この0.84 mの動作距離において、電界が空気のブレークダウン閾値を大きく下回っていることを示しており、電気放電のリスクはなく、ドローン搭載ロボットアーム検査システムの安全な動作が保証されます。

2.2.2 UHV送電線から0.34 m離れた位置での検査システムの性能
当社はまた、ドローン搭載ロボットアーム検査システムの動作状態と、導体近くの空間電場分布について、UHV送電線からわずか0.34 m離れた位置でのシミュレーション実験を行いました。

表1：ドローン搭載ロボットアーム検査システムの各構成要素に対応する最大電界強度と電圧値

シミュレーション結果は、この距離維持条件の下で、ロボットアームの左側にある送電線周辺の空間電界分布が変化したことを示しました。超高圧（UHV）送電線の独特な環境では、高電圧電界はアーク発生や表面放電問題を引き起こしやすいです。

同時に、システム内の各部品の電位変動を分析したところ、ドローン搭載ロボットアーム検査システムとUHV送電線との間の距離が増加するにつれて、すべての部品の電位が相応に減少することがわかりました。

表2のデータによると、検査システムがUHV送電線から0.34m離れた位置にある場合、システム内のどの部品も経験する最大電界強度は空気の誘電破壊強度を超えないことが確認されました。したがって、メンテナンス作業中に絶縁破壊のリスクが発生することはないという結論となり、ドローン搭載ロボットアーム検査システムの実用的な応用における安全性と信頼性が確保されます。

表2：ドローン搭載ロボットアーム検査システムの各部品に対応する最大電界強度と電圧値

2.3 ドローン搭載ロボットアームの送電線維持管理におけるノイズ耐性試験

ドローンのシールド性能試験では、試験装置は導電塗料をコーティングしたドローンとマルチメーターが含まれていた。導電塗料はドローン表面に均一にスプレーされ、厚さは0.05mmを超えないものとした。通常の環境条件下で、ドローン表面の2点間の内部抵抗を測定し、その値が1Ω未満であれば指定された標準に適合していると判断する。

画像歪み試験：ドローン搭載ロボットアーム技術を用いて線路検査を行う際、ジンバルカメラレンズ固有の精度や組立工程の品質などの要因により画像歪みが発生する可能性がある。このような歪みは、撮影された画像と実際のシーンとの間に相違をもたらし、UHV送電線路上の故障または欠陥をメンテナンス担当者が正確に識別する能力を損なう可能性がある。

この問題に対処するために、当社の技術チームはジンバルカメラレンズの歪み特性に基づいた画像歪み補正モデルを開発した。このモデルは以下の式で表現される：

式中：
x,yは成像システム内の接線方向歪み点の元の座標である。
x′,y′は歪み補正後の点の新しい座標である。
p1,p2は接線方向歪みパラメータである。
rは画像中心からの径方向距離である。

カメラレンズの歪みは主に接線方向歪みと径方向歪みの2種類に分類される。接線方向歪みは主にレンズ要素とカメラの画像面が完全に並行していないことから生じる。一方、径方向歪みはレンズの光学中心から離れた位置で光線がより顕著に曲がることにより生じ、レンズの径方向に沿って歪みが分布する。径方向歪みは以下の式で表現される：

式中：
x,yは成像システム内の径方向歪み点の元の座標である。
x′,y′は歪み補正後の点の新しい座標である。
k1,k2,k3は径方向歪みパラメータである。
rは画像中心からの径方向距離である。

この基礎上、当社は張のキャリブレーション法を使用して画像形成に最も影響を与える径方向歪み成分を特定し、モデルパラメータを再構築することを提案する。これにより、定義された世界座標系内の物体座標と画像平面上のピクセル座標との間での相互マッピングが可能になり、ジンバルカメラのキャリブレーションが完了する。この方法は効果的にレンズ製造公差と組立工程による画像精度への影響を軽減し、画像の明瞭度を向上させ、高解像度のUHV送電線路の画像が遅延なくリアルタイムでシステムに伝送されることを確保する。これにより、メンテナンス担当者はライン上の故障または欠陥の存在を正確に評価するための信頼性のある視覚データを得ることができる。

以上述べたように、本論文で提案するドローン搭載ロボットアーム検査技術は、現在のUHV送電線維持管理の要求である低消費電力、長時間稼働、低コスト、高いペイロード容量、および強力な環境認識を満たす。これは、従来の手動検査方法をドローンに置き換えるための主要な技術的課題を克服し、全体的な維持管理作業のレベルを向上させ、電力供給と送電の安全性と信頼性を強化する。