Pētījumi un analīze par dronu balstītām aizvietošanas tehnoloģijām ultrarūpju pārvades līniju uzturībai

Noteikta reģionā pēc augstsprieguma (UHV) pārvades līniju remonts tika identificēti šādi jautājumi: esošie droni nav pietiekami spējīgi, lai atbilstu pašreizējiem lielapjoma un izklāsta UHV līniju inspekcijas un remonta prasībām. Praktiskajā darbībā droni parāda nepietiekamu ilgumu, ierobežotu attēlu uzņemšanas spēju un sliktu elektromagnētiskās interferences (EMI) noturību, kas negatīvi ietekmē inspekcijas efektivitāti un liek precīzi identificēt UHV līniju defektus.

Uzskaita garums un vietējo dabisko vidi ietekme nozīmē, ka droni ar detektādzes ierīcēm nevar uzturēt ilgu lidojumu, samazinot inspekcijas efektivitāti. Minētajā gadījumā pat naftas-elektro hibrīd droni sasniedza mazāku par 3 stundām lidojuma ilgumu, kas prasa biežas akumulatoru maiņas inspekcijas laikā. Turklāt pašreizējie drona balstītie inspekcijas sistēmas trūkst funkcionalitātes pilnīguma — tās neatbalsta daudzdimensionālas, daudzveidīgas inspekcijas spējas — kas rada nepietiekamu inspekcijas precizitāti. Tas var novilcināt līnijas kļūdu vai citu defektu noteikšanu un risināšanu, tieši ietekmējot normālo enerģijas pārraides procesu.

Lai risinātu šos izaicinājumus, mūsu uzņēmums ir izstrādājis jaunu UHV pārvades līniju inspekcijas tehnoloģiju, kas integrē robot manipulatoru, montētu uz droni. Šī risinājuma mērķis ir pielāgoties konkrētajai UHV infrastruktūrai reģionā, ņemot vērā pašreizējo dronu lietošanas veiktspēju līniju uzturēšanā. Tā mērķis ir atrisināt minētos jautājumus, vienlaikus apmierojot galvenās prasības: zema enerģijas patēriņa, pagarināts ilgums, zema cena, augsts nesamērs un stipra vides uztvere.

1.Tehniskais Risinājums: Drona Montēts Robotmanipulators UHV Līniju Uzturēšanai
1.1 Konstrukcijas Ideja
Šai tehnoloģijai ir jāņem vērā izolācijas dizains, robotmanipulatora kustību kontrole un atbalstošie apakšsistēmas. Racionāls tehniskais dizains ir būtisks, lai efektīvi risinātu esošos UHV uzturēšanas izaicinājumus un pārvarētu īstenošanas grūtības.

Mūsu uzņēmums visaptveroši novērtēja izolācijas prasības, ko UHV uzturēšanas vide uzliek robotmanipulatoram. Balstoties uz šo, mēs aprēķinājām maksimālo elektriskā lauka stiprumu un sprieguma maiņas vērtības, ko piedzīvo manipulators, rotātori, struktūra un fuselāža dažādās attālumos no dzīvām vadām. Pēc tam tika izstrādāti mērķtiecīgi veiktspējas testi, lai informētu par turpmākiem tehniskā risinājuma uzlabojumiem.

Mēs izvēlējāmies pārstāvīgus UHV uzturēšanas scenārijus, lai definētu standarta darbības procedūras un drošības protokolus. Robotmanipulatora daudzpakāpes struktūra tika optimizēta, lai identificētu vispiemērotāko drona-manipulatora konfigurāciju. Ņemot vērā unikālo darbības vidi, mēs ierosinājām originālās attēlu uzņemšanas hardware un datu pārraides software/hardware atjaunināšanu, lai uzlabotu real time attēlu kvalitāti.

1.2 Elektromagnētiskās Interferences (EMI) Maziņšanas Pasākumi
Minētajā gadījumā UHV līnijas ietver ilgus posmus un krustojumus, radot sarežģītu un dinamisku elektromagnētisko vidi. Spēcīgie elektromagnētiskie lauki apkārt līnijām un tuvu esošo komunikācijas baznestu intenses signāli var nopietni satraukties ar drona-manipulatora sistēmas komunikācijām. Papildus tam, ilgās attālumā datu pārraide manipulatora darbības laikā var izraisīt crosstalk, kompromitējot darbības drošību.

Lai pret to celtos, mūsu uzņēmums ierosina šādus EMI aizsardzības pasākumus:

• Analizēt potenciālo kaitējumu no augstsprieguma elektromagnētiskajiem laukiem tuvumā UHV līnijām drona iekšējam shēmai.

• Pielietot aizsargāšanas metodes virsma, signālu kabeļi un visi korpusa šavas.

• Vienmērīgi sprādzēt noteiktas biezuma konduktīvo apklājumu uz drona ārējo virsmu, lai mazinātu elektromagnētisko interferenci. Komponentiem, kurus nav iespējams apklāt, tiek izmantota vaļu dārgmetāla saite, lai sasniegtu līdzīgu aizsardzības efektivitāti.

1.3 Robotmanipulatora Strukturālais Dizains
Kā redzams 1. diagrammā, robotmanipulators sastāv no:
(1) Grabi; (2) Servomehānismu aizsardzības kaste; (3) Nulles vērtības detektora adaptērs; (4) Augstsprieguma testera adaptērs; (5) Izolācijas stabulis; (6) Robežstabulis; (7) Epoksidresīna izolācijas slānis; (8) Pitch specifiskā gredzena sleeva; (9) Saistījuma stabulis; (10) Roll specifiskā gredzena sleeva.

Ņemot vērā izolācijas prasības UHV vidē, mūsu uzņēmums ierosina instalēt izolācijas šūnas starp drona apakšdaļu un nogāze. Stāvstabs savieno izolācijas slāņa apakšdaļu ar pitch specifisko gredzena sleevu, kas ir fiksēts ārēji ap metāla gredzenu. Pitch servomehānisms ir montēts gredzena labajā pusē, pārvedot pitch mehānismu, lai ļautu robotmanipulatoram kustētos uz leju un uz augšu.

Ņemot vērā augstsprieguma elektromagnētiskā lauka ietekmi uz telpu apkārt pārvades līnijām, mūsu uzņēmums ierosina instalēt servomehānismu vadus iekšā izolācijas stabulī un aprīkot servomehānismu ar speciālu izolēto aizsardzības koku. Tas efektīvi izolē servomehānismu no ārējā augstsprieguma vides radītajām elektromagnētiskajām impulsām. Papildus tam, vaļu dārgmetāla saite tiek piemērota servomehānisma apkārtnei, lai sasniegtu ekvipotentālo savienojumu, samazinot elektromagnētisko vārpu ietekmi uz servomehānisma iekšējo shēmu.

2.UHV Pārvades Līniju Inspekcijas Simulācijas Eksperiments, Izmantojot Drona Montētu Robotmanipulatoru
2.1 Simulācijas Dizains
Balstoties uz UHV pārvades līniju uzturēšanas ierakstiem, tika iegūti šādi strukturālie parametri: taisnes torna kopējā augstums ir 3200 mm; liela koka rādiuss ir 2400 mm; vidējais koka rādiuss ir 3200 mm; mazais koka rādiuss ir 2700 mm; un vadāmais diāmetrs ir 17.48 mm, kā redzams 2. diagrammā.

Simulācijas eksperimentā drona sistēma izvēlējās ugunspūšanas vieglumu materiālus rotoru, rāmis un korpuss, lai uzlabotu tās kopējo veiktspēju.

Ņemot vērā apkārtējā elektromagnētiskā lauka ietekmi uz drona bāzētiem uzturības darbiem ultravysokā sprieguma (UHS) pārvades līnijām, mūsu uzņēmums pirmo reizi izstrādāja simulācijas modeli drona montētajam robotkājam. Izmantojot galveno elementu analīzi, mēs noteicām konkrēto ietekmi, ko UHS līniju apkārtējais elektromagnētiskais lauks darbojas uz drona uzturības darbiem. Tāpat mēs analizējām maksimālo elektromagnētisko lauka stiprumu un sprieguma maiņas, ko piedzīvo robotkājs, korpusa, rotori un fuzelāža atkarībā no dažādiem attālumiem starp robotkāja kreiso pusi un vedni. Tas ļauj mums novērtēt, vai potenciālie drošības riski pastāv tuvumā esošos inspekcijas uzdevumos.

2.2 Simulācijas process
2.2.1 Inspekcijas sistēmas veiktspēja 0,84 m attālumā no UHS pārvades līnijas
Mūsu uzņēmums veica simulācijas eksperimentus ar drona montēto robotkāja inspekcijas sistēmu, lai tālāk analizētu tās darbības stāvokli un telpiskā elektromagnētiskā lauka sadalījumu tuvumā vednam, kad tā atrodas 0,84 m attālumā no UHS pārvades līnijas.

Simulācijas rezultāti parādīja, ka šajā darbības stāvoklī nekas nozīmīgs negatīvs elektromagnētiskā lauka efekts netika novērots uz visu inspekcijas sistēmu. Tomēr tika reģistrēts neliels elektromagnētiskā lauka stipruma pieaugums robotkāja kreisajā pusē. Parasti, ja lokālais elektromagnētiskā lauka stiprumā pārsniedz gaisa dielektrikas sprādzienā strāvas trūkuma stiprumu (30 kV/cm), komponentu sprādziena risks palielinās, apdraudot sistēmas stabilitāti un drošību.

Turklāt, pētot potenciāla (sprieguma) sadalījumu sistēmas komponentos, mēs atklājām, ka, kamēr drona montētā inspekcijas sistēma atrodas aizvietojumā no UHS līnijas, visu komponentu elektriskais potenciāls samazinās atbilstoši. Ņemot vērā šos potenciāla mainīgumus, mēs noteicām sprieguma līmeņus un maksimālos elektromagnētiskā lauka stiprumus, ko katrs komponents piedzīvo uzturības vidē.

Kā redzams Tabulā 1, kad inspekcijas sistēma atrodas 0,84 m attālumā no UHS līnijas, robotkājs piedzīvo elektromagnētiskā lauka stiprumu 3712 V/m un spriegumu 2069 V. Salīdzinot kreiso un labo rotoru, izrādījās, ka kreisais rotors nepārtraukti iztur lielāku elektromagnētiskā lauka stiprumu un spriegumu nekā labais rotors. Visi dati liecina, ka, šajā 0,84 m darbības attālumā, elektromagnētiskais lauks paliek zemāk nekā gaisa sprādzienā strāvas trūkuma slieksnis, neveidojot risku elektriskai izšķidrināšanai un nodrošinot drošu darbību drona montētajam robotkāja inspekcijas sistēmai.

2.2.2 Inspekcijas sistēmas veiktspēja 0,34 m attālumā no UHS pārvades līnijas
Mūsu uzņēmums arī veica simulācijas eksperimentus, lai analizētu drona montētā robotkāja inspekcijas sistēmas darbības stāvokli un telpiskā elektromagnētiskā lauka sadalījumu tuvumā vednam, kad tā atrodas tikai 0,34 m attālumā no UHS pārvades līnijas.

Tabula 1: Maksimālie elektromagnētiskā lauka stiprumi un spriegumu vērtības, kas atbilst katrai drona montētā robotkāja inspekcijas sistēmas komponentei

Simulācijas rezultāti parādīja, ka šajā attāluma uzturēšanas stāvoklī ķermeņa pārnesu līnijas apkārt esošais telpiskais elektriskais lauks atstarpes robotkājas kreisajā pusē mainījās. Tā kā ultravysokspriegumu (UVP) pārnesei raksturīga unikāla vide, augstsprieguma elektriskie lauki ir ļoti noraizējoši, jo var izraisīt uzliesmošanas un virsgraudas liekumu problēmas.

Tajā pašā laikā, analizējot sistēmas dažādo komponentu potenciālu maiņas, tika atklāts, ka, kā tikai drona ar robotkāju inspekcijas sistēmu un UVP pārneses līniju starpība palielinās, visu komponentu elektriskais potenciāls attiecīgi samazinās.

Pēc Tabulas 2 datiem, kad inspekcijas sistēma atrodas 0,34 m attālumā no UVP pārneses līnijas, jebkura sistēmas komponente piedzīvo maksimālo elektrisko lauka stiprumu, kas nepārsniedz gaisa dielektrika sprogošanas stiprumu. Tāpēc secināts, ka uzturēšanas darbības laikā nevarēs notikt sprogums, nodrošinot drošību un uzticamību dronas ar robotkāju inspekcijas sistēmai praktiskajā lietošanā.

Tabula 2: Maksimālie elektriskā lauka stipruma un sprieguma vērtības, kas atbilst katrai dronas ar robotkāju inspekcijas sistēmas komponentei

2.3 Droņa montētās robotrakstura prettrūkumu izturības testi elektroapgādes līniju uzturēšanā

Droņa ekranēšanas spējas testam tika izmantota apvade ar vedlīgu krāsu un multimeters. Vedlīgā krāsa tika vienmērīgi pulverēta uz droņa virsmas ar biežumu, kas nepārsniedz 0,05 mm. Normālas vides apstākļos tika mērīts starp diviem punktiem droņa virsma iekšējais pretestība; vērtība, kas ir mazāka par 1 Ω, liecina par saderību ar norādītajiem standartiem.

Attēla deformācijas tests: Lietojot droņa montēto robotrakstu līniju inspekcijai, var rasties attēlu deformācija, kas ir saistīta ar gimbala kameru objektīva patieso precizitāti un montāžas procesa kvalitāti. Šāda veida deformācija rada atšķirības starp uzsaitēto attēlu un faktisko ainu, kas var ietekmēt uzturēšanas personāla spēju precīzi identificēt tračus vai defektus UHV (ultra augstsprieguma) pārvades līnijās.

Lai risinātu šo problēmu, mūsu tehniskā komanda izstrādāja attēlu deformācijas korekcijas modeli, balstoties uz gimbala kameru objektīva deformācijas īpašībām. Šis models tiek izteikts ar šādu formulu:

Formulā:
x,y ir tangenciālas deformācijas punkta oriģinālās koordinātas uzsaites sistēmā;
x′,y′ ir punkta jaunās koordinātas pēc deformācijas korekcijas;
p1,p2 ir tangenciālās deformācijas parametri;
r ir radālais attālums no attēla centra.

Kameru objektīvu deformācija galvenokārt ir sadalīta divos veidos: tangenciālā un radālā deformācija. Tangenciālā deformācija galvenokārt rodas tāpēc, ka objektīva elementi un kameru attēla plakne nav pilnībā paralēlas. Radālā deformācija, savukārt, notiek tāpēc, ka gaismas stari pieaugoši liekās pozīcijās, kas atrodas tālāk no objektīva optiskā centra, radot deformāciju, kas ir izplatīta pa objektīva radālo virzienu. Radālā deformācija var tikt izteikta ar šādu formulu:

Formulā:
x,y ir radāli deformēta punkta oriģinālās koordinātas uzsaites sistēmā;
x′,y′ ir punkta jaunās koordinātas pēc deformācijas korekcijas;
k1,k2,k3 ir radālās deformācijas parametri;
r ir radālais attālums no attēla centra.

Pamatojoties uz šo, mūsu uzņēmums piedāvā izmantot Zhang kalibrācijas metodi, lai identificētu radālās deformācijas komponentes, kas visvairāk ietekmē attēlu veidošanos, un atjaunotu modeļa parametrus. Tas ļauj savstarpēju kartēšanu starp objekta koordinātēm definētajā pasaules koordinātu sistēmā un pikseļu koordinātēm attēla plaknē, tādējādi veicot gimbala kameras kalibrāciju. Šis pieejas efektīvi samazina objektīvu ražošanas toleranci un montāžas procesu ietekmi uz attēla precizitāti, uzlabo attēla skaidrību un nodrošina, ka UHV (ultra augstsprieguma) pārvades līniju augstas kvalitātes attēli tiek nosūtīti sistēmā reāllaikā bez aizkaves. Tas nodrošina uzturēšanas personālam uzticamu vizuālo datus, lai precīzi novērtētu, vai līnijās ir trači vai defekti.

Kopumā, šajā rakstā piedāvātā droņa montētā robotraksta inspekcijas tehnoloģija atbilst pašreizējiem UHV (ultra augstsprieguma) pārvades līniju uzturēšanas prasībām par zemu enerģijas patēriņu, ilgu darbības laiku, zemu izmaksu, lielu nesējkapacitāti un stipru vides percepciju. Tā pārvar klusāko tehnisko šķēršļu punktu, aizstājot tradicionālos manuālos inspekcijas metodes ar droņiem, paaugstinot kopējo uzturēšanas operāciju līmeni un stiprinot elektroenerģijas pārveduma un piegādes drošību un uzticamību.