초고압 송전선 유지보수를 위한 드론 기반 대체 기술에 대한 연구 및 분석

특정 지역에서 초고압(UHV) 송전선로의 유지보수 후 다음과 같은 문제가 확인되었습니다: 기존 드론은 UHV 선로의 대규모 및 광범위한 점검 및 유지보수 요구사항을 충족하기에 성능이 부족합니다. 실제 운영에서는 드론이 내구성이 부족하고 이미지 수집 능력이 제한적이며 전자기 간섭(EMI) 저항이 약하여 점검 효과를 저하시키고 UHV 선로 결함을 정확히 식별하는 것을 방해합니다.

UHV 송전선로의 상당한 길이와 지역 자연 환경의 영향으로 인해 검출 장치를 장착한 드론은 장시간 비행을 지속할 수 없어 점검 효율성을 감소시킵니다. 해당 사례에서는 심지어 유-전기 하이브리드 드론조차 3시간 미만의 비행 시간을 달성했으며, 점검 중 배터리 교체가 자주 필요했습니다. 또한 현재 드론 기반 점검 시스템은 기능적인 완전성이 부족하여 다차원, 다기능 점검 능력을 지원하지 않아 점검 정확도가 부족합니다. 이는 선로 고장이나 기타 결함의 탐지와 처리를 지연시키며, 정상적인 전력 송전에 직접적인 영향을 미칩니다.

이러한 도전 과제를 해결하기 위해 우리 회사는 드론에 장착된 로봇 팔을 통합한 새로운 UHV 송전선로 점검 기술을 개발했습니다. 이 솔루션은 해당 지역의 특정 UHV 인프라와 현재 드론 적용 성능을 고려하여 설계되었으며, 위에서 언급된 문제를 해결하면서 낮은 전력 소비, 연장된 내구성, 낮은 비용, 높은 적재량, 강력한 환경 인식 등의 주요 요구사항을 충족하도록 목표를 두었습니다.

1.기술 솔루션: UHV 선로 유지보수용 드론 장착 로봇 팔
1.1 설계 개념
이 기술의 핵심 고려사항에는 절연 설계, 로봇 팔의 동작 제어, 그리고 지원 서브시스템이 포함됩니다. 합리적인 기술 설계를 보장하는 것이 기존의 UHV 유지보수 문제를 효과적으로 해결하고 구현의 병목 현상을 극복하는 데 필수적입니다.

우리 회사는 UHV 유지보수 환경이 로봇 팔에 요구하는 절연 요구사항을 종합적으로 평가하였습니다. 이를 바탕으로 다양한 거리에서 실시간 콘덕터로부터 팔, 로터, 프레임, 그리고 본체가 겪는 최대 전기장 강도와 전압 변동을 계산하였습니다. 그 결과, 기술 솔루션의 후속 개선을 위한 대상 성능 테스트를 설계하였습니다.

우리는 표준 작업 절차와 안전 프로토콜을 정의하기 위해 대표적인 UHV 유지보수 시나리오를 선택하였습니다. 로봇 팔의 다자유도 구조를 최적화하여 가장 호환되는 드론-조작기 구성을 식별하였습니다. 독특한 운영 환경을 고려하여, 우리는 사례 연구에서 원래의 이미지 수집 하드웨어와 데이터 전송 소프트웨어/하드웨어를 업그레이드하여 실시간 이미지 품질을 향상시키는 것을 제안하였습니다.

1.2 전자기 간섭(EMI) 완화 조치
사례의 UHV 선로는 긴 스팬과 교차점을 포함하여 복잡하고 역동적인 전자기 환경을 생성합니다. 선로 주변의 강한 전자기장과 인근 통신 기지국에서 발생하는 강한 신호는 드론-조작기 시스템의 통신을 심각하게 방해할 수 있습니다. 또한, 조작기 작동 중의 장거리 데이터 전송은 크로스토크를 일으켜 운영 안전성을 저하시킬 수 있습니다.

이에 대응하여, 우리 회사는 다음과 같은 EMI 차폐 조치를 제안합니다:

• UHV 선로 근처의 고강도 전자기장이 드론 내부 회로에 미치는 잠재적인 손상을 분석합니다.

• 공기 프레임 표면, 신호 케이블, 모든 주택 접합부에 차폐 처리를 적용합니다.

• 드론 외부에 지정된 두께의 도전 코팅을 균일하게 분무하여 전자기 간섭을 완화합니다. 코팅이 적합하지 않은 구성 요소의 경우 동등한 차폐 효과를 달성하기 위해 구리 와이어 결합을 사용합니다.

1.3 로봇 팔 구조 설계
그림 1에 표시된 바와 같이, 로봇 팔은 다음과 같이 구성됩니다:
(1) 그립퍼; (2) 서보 보호 박스; (3) 제로값 검출기 어댑터; (4) 고전압 테스터 어댑터; (5) 절연 막대; (6) 제한 막대; (7) 에폭시 수지 절연층; (8) 피치 특수 베어링 소켓; (9) 링크 막대; (10) 롤 특수 베어링 소켓.

UHV 환경에서의 절연 요구사항을 고려하여, 우리 회사는 드론 하단과 착륙 장치 사이에 절연 볼트를 설치하는 것을 제안합니다. 강철 프레임은 절연층의 하부를 피치 특수 베어링 소켓과 연결하며, 이는 외부의 금속 베어링 주변에 고정됩니다. 피치 서보 모터는 베어링의 오른쪽에 장착되어 피치 메커니즘을 구동하여 로봇 팔의 상하 움직임을 가능하게 합니다.

송전선 주변 공간에서의 고강도 전자기장에 의한 간섭을 고려하여, 우리 회사는 절연 막대 내부에 서보 모터 구동선을 설치하고 서보에 전용 절연 보호 케이스를 장착하는 것을 제안합니다. 이는 외부 고전압 환경에서 발생하는 전자기 서지로부터 서보를 효과적으로 격리합니다. 또한, 서보 주변의 간극에 구리 와이어 결합을 적용하여 등전위 결합을 달성하여 서보 내부 회로에서 전자파로 인한 파괴 위험을 줄입니다.

2.드론 장착 로봇 팔을 이용한 UHV 송전선로 점검 시뮬레이션 실험
2.1 시뮬레이션 설계
사례 연구의 UHV 송전선로 유지보수 기록을 바탕으로 다음 구조 매개변수를 얻었습니다: 직선 철탑의 전체 높이는 3200mm; 큰 셔드 반지름은 2400mm; 중간 셔드 반지름은 3200mm; 작은 셔드 반지름은 2700mm; 그리고 콘덕터 지름은 17.48mm입니다. 그림 2 참조.

시뮬레이션 실험에서 드론 시스템은 프로펠러, 프레임 및 기체를 강화하기 위해 탄소 섬유 재료를 선택했습니다.

초고압(UHV) 송전선의 주변 공간 전기장이 드론 기반 유지보수 작업에 미치는 영향을 고려하여 당사는 드론 장착 로봇 팔 점검 시스템의 시뮬레이션 모델을 처음으로 개발했습니다. 유한 요소 분석을 사용하여 UHV 선 주변의 전기장이 드론 유지보수 작업에 미치는 특정 영향을 결정했습니다. 또한 로봇 팔의 왼쪽과 도체 사이의 거리가 다른 경우 로봇 팔, 공기 구조물, 회전익 및 기체가 경험하는 최대 전기장 강도와 전압 변화를 분석하여 근접 점검 작업 중 잠재적인 안전 위험이 있는지 평가할 수 있었습니다.

2.2 시뮬레이션 과정
2.2.1 UHV 송전선으로부터 0.84m 떨어진 거리에서의 점검 시스템 성능
당사는 드론 장착 로봇 팔 점검 시스템에 대한 시뮬레이션 실험을 수행하여 UHV 송전선으로부터 0.84m 떨어진 위치에서의 운영 상태와 도체 근처의 공간 전기장 분포를 더 깊게 분석했습니다.

시뮬레이션 결과, 이 작업 조건 하에서는 전체 점검 시스템에 대한 중요한 부정적인 전기장 효과는 관찰되지 않았습니다. 그러나 로봇 팔의 왼쪽에서 약간의 전기장 강도 증가가 감지되었습니다. 일반적으로 국부적인 전기장 강도가 공기의 유전 붕괴 강도(30kV/cm)를 초과하면 구성 요소의 파손 위험이 증가하여 시스템의 안정성과 안전성이 저하됩니다.

또한 시스템 구성 요소 전체의 전위(전압) 분포를 검토함으로써 드론 장착 점검 시스템과 UHV 선 사이의 거리가 증가할수록 모든 구성 요소의 전기 포텐셜이 감소한다는 것을 발견했습니다. 이러한 전위 변화를 바탕으로 유지보수 환경에서 각 구성 요소가 경험하는 전압 수준과 최대 전기장 강도를 결정했습니다.

표 1에서 보듯이, 점검 시스템이 UHV 선으로부터 0.84m 떨어져 있을 때 로봇 팔은 3712 V/m의 전기장 강도와 2069 V의 전압을 경험합니다. 좌우 회전익 간의 비교에서는 항상 왼쪽 회전익이 오른쪽 회전익보다 높은 전기장 강도와 전압을 겪는 것으로 나타났습니다. 모든 데이터는 0.84m의 운용 거리에서 전기장이 공기 붕괴 임계값을 크게 밑돌아 전기 방전의 위험이 없으며 드론 장착 로봇 팔 점검 시스템의 안전한 운용이 가능함을 나타냅니다.

2.2.2 UHV 송전선으로부터 0.34m 떨어진 거리에서의 점검 시스템 성능
당사는 또한 드론 장착 로봇 팔 점검 시스템의 운영 상태와 도체 근처의 공간 전기장 분포를 분석하기 위해 UHV 송전선으로부터 단 0.34m 떨어진 위치에서의 시뮬레이션 실험을 수행했습니다.

표 1: 드론 장착 로봇 팔 점검 시스템의 각 구성 요소에 해당하는 최대 전기장 강도 및 전압 값

시뮬레이션 결과는 이 거리 유지 조건 하에서 로봇 팔 왼쪽의 송전선 주변의 공간 전기장 분포가 변화함을 보여주었습니다. 초고압(UHV) 송전선의 고유한 환경으로 인해 고압 전기장은 아크와 표면 플래시오버 문제를 일으키기 쉽습니다.

동시에 시스템 내 각 구성 요소의 전위 변화를 분석한 결과 드론 장착 로봇 팔 점검 시스템과 UHV 송전선 간의 거리가 증가할수록 모든 구성 요소의 전위도 상응하여 감소한다는 것을 발견했습니다.

표 2의 데이터에 따르면, 점검 시스템이 UHV 송전선으로부터 0.34m 떨어진 위치에 있을 때 시스템 내 어느 구성 요소에서도 최대 전기장 강도가 공기의 유전 파괴 강도를 초과하지 않습니다. 따라서 유지보수 작업 중에 파괴 위험이 발생하지 않으며, 드론 장착 로봇 팔 점검 시스템의 실제 응용에서 안전성과 신뢰성이 보장된다고 결론지을 수 있습니다.

표 2: 드론 장착 로봇 팔 점검 시스템의 각 구성 요소에 대한 최대 전기장 강도 및 전압 값

2.3 드론 장착 로봇 팔의 전력선 유지 관리에서의 간섭 저항 테스트

드론 차폐 성능 테스트를 위해, 테스트 장비는 도전성 페인트로 코팅된 드론과 멀티미터가 포함되었습니다. 도전성 페인트는 드론 표면에 0.05mm를 넘지 않는 두께로 균일하게 스프레이 처리되었습니다. 일반 환경 조건 하에서, 드론 표면의 두 점 사이의 내부 저항이 측정되었으며, 1Ω 미만의 값은 지정된 표준을 충족함을 나타냅니다.

이미지 왜곡 테스트: 드론 장착 로봇 팔 기술을 사용하여 선로 검사를 수행할 때, 짐벌 카메라 렌즈의 고유한 정확성 및 조립 공정의 품질 등 다양한 요인으로 인해 이미지 왜곡이 발생할 수 있습니다. 이러한 왜곡은 캡처된 이미지와 실제 장면 사이의 불일치를 초래하여, UHV 전력선의 결함이나 결함을 정확히 식별하는 유지 관리 인력의 능력을 손상시킬 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해, 우리의 기술 팀은 짐벌 카메라 렌즈의 왜곡 특성을 기반으로 한 이미지 왜곡 교정 모델을 개발했습니다. 이 모델은 다음과 같은 공식으로 표현됩니다:

공식에서:
x,y는 영상 시스템에서 접선 왜곡점의 원래 좌표입니다;
x′,y′는 왜곡 교정 후의 점의 새로운 좌표입니다;
p1,p2는 접선 왜곡 매개변수입니다;
r은 이미지 중심으로부터의 방사형 거리입니다.

카메라 렌즈의 왜곡은 주로 접선 왜곡과 방사형 왜곡으로 구분됩니다. 접선 왜곡은 주로 렌즈 요소와 카메라의 이미지 평면이 완벽하게 평행하지 않기 때문에 발생합니다. 반면 방사형 왜곡은 렌즈의 광학 중심에서 더 먼 위치에서 빛의 광선이 더 크게 굽어져서 발생하며, 렌즈의 방사형 방향으로 왜곡이 분포됩니다. 방사형 왜곡은 다음 공식으로 표현될 수 있습니다:

공식에서:
x,y는 영상 시스템에서 방사형 왜곡점의 원래 좌표입니다;
x′,y′는 왜곡 교정 후의 점의 새로운 좌표입니다;
k1,k2,k3는 방사형 왜곡 매개변수입니다;
r은 이미지 중심으로부터의 방사형 거리입니다.

이 기반 위에서, 우리 회사는 Zhang의 캘리브레이션 방법을 사용하여 이미지 형성에 가장 큰 영향을 미치는 방사형 왜곡 구성 요소를 식별하고, 모델 매개변수를 재구성하는 것을 제안합니다. 이를 통해 정의된 세계 좌표계에서의 객체 좌표와 이미지 평면에서의 픽셀 좌표 간의 상호 맵핑을 가능하게 하여, 짐벌 카메라의 캘리브레이션을 완료합니다. 이 접근 방식은 렌즈 제조 허용 오차와 조립 공정이 이미지 정확도에 미치는 영향을 효과적으로 완화하고, 이미지 명확성을 향상시키며, UHV 전력선의 고해상도 이미지를 지연 없이 실시간으로 시스템으로 전송하는 것을 보장합니다. 이렇게 함으로써 유지 관리 인력은 선로에 결함이나 결함이 있는지 정확히 평가하기 위한 신뢰할 수 있는 시각적 데이터를 얻게 됩니다.

요약하면, 본 논문에서 제안된 드론 장착 로봇 팔 검사 기술은 현재 UHV 전력선 유지 관리 요구사항인 낮은 전력 소모, 긴 작동 시간, 낮은 비용, 높은 적재량, 강력한 환경 인식을 충족합니다. 또한, 드론을 사용하여 전통적인 수동 검사 방법을 대체하는 데 있어 중요한 기술적 병목 현상을 극복하고, 유지 관리 작업의 전반적인 수준을 높이며, 전력 전송 및 공급의 안전성과 신뢰성을 강화합니다.