Penyelidikan dan Analisis Teknologi Penggantian Berasaskan Drone untuk Pemeliharaan Litar Transmisi Ultra-Tegangan Tinggi

Dalam suatu wilayah, selepas pemeliharaan laluan transmisi ultra-tinggi (UHV), isu-isu berikut telah dikenal pasti: dron yang sedia ada tidak mempunyai prestasi yang mencukupi untuk memenuhi permintaan pemeriksaan dan pemeliharaan berskala besar dan luas laluan UHV. Dalam operasi praktikal, dron menunjukkan ketahanan yang kurang, kemampuan pengambilan imej yang terhad, dan daya tahan gangguan elektromagnetik (EMI) yang lemah, yang memberi kesan negatif kepada keberkesanan pemeriksaan dan mencegah pengenalpastian tepat cacat laluan UHV.

Disebabkan oleh panjang laluan transmisi UHV yang cukup besar dan pengaruh alam semula jadi tempatan, dron yang dilengkapi dengan peranti pendeteksian tidak dapat bertahan terbang lama, mengurangkan kecekapan pemeriksaan. Dalam kes yang disebut, walaupun dron hibrid bahan api-elektrik hanya mencapai masa terbang kurang dari 3 jam, memerlukan penggantian bateri yang sering semasa pemeriksaan. Selain itu, sistem pemeriksaan berdasarkan dron yang sedia ada kurang lengkap fungsinya—tidak menyokong keupayaan pemeriksaan multi-dimensi, multi-fungsi—menyebabkan ketepatan pemeriksaan yang tidak mencukupi. Ini boleh menunda pengesanan dan penanganan kerusakan laluan atau cacat lain, secara langsung mempengaruhi transmisi kuasa biasa.

Untuk mengatasi cabaran ini, syarikat kami telah membangunkan teknologi pemeriksaan laluan transmisi UHV baru yang mengintegrasikan manipulator robotik dipasang pada dron. Penyelesaian ini disesuaikan dengan infrastruktur UHV khusus di wilayah tersebut dan didasarkan pada prestasi aplikasi dron semasa dalam pemeliharaan laluan. Ia bertujuan untuk menyelesaikan isu-isu yang disebut sambil memenuhi keperluan utama: penggunaan kuasa rendah, ketahanan yang diperpanjang, kos rendah, kapasiti muatan tinggi, dan persepsi alam sekitar yang kuat.

1.Penyelesaian Teknikal: Manipulator Robotik Dipasang pada Dron untuk Pemeliharaan Laluan UHV
1.1 Konsep Reka Bentuk
Pertimbangan penting bagi teknologi ini termasuk reka bentuk isolasi, kawalan gerakan manipulator robotik, dan sub-sistem sokongan. Menjamin reka bentuk teknikal yang rasional adalah penting untuk menyelesaikan cabaran pemeliharaan UHV yang sedia ada dan mengatasi botol leher pelaksanaan.

Syarikat kami menilai secara menyeluruh keperluan isolasi yang dikenakan oleh persekitaran pemeliharaan UHV pada manipulator robotik. Berdasarkan ini, kami mengira kekuatan medan elektrik maksimum dan variasi voltan yang dialami oleh manipulator, rotor, rangka, dan badan pesawat pada jarak yang berbeza dari konduktor hidup. Ujian prestasi yang ditargetkan kemudian direka untuk memberi maklum balas bagi penyempurnaan berikutnya penyelesaian teknikal.

Kami memilih skenario pemeliharaan UHV yang representatif untuk menentukan prosedur operasi standard dan protokol keselamatan. Struktur multi-darjah kebebasan manipulator robotik dioptimumkan untuk mengenal pasti konfigurasi dron-manipulator yang paling sesuai. Mengingat persekitaran operasi unik, kami juga mencadangkan peningkatan peranti keras pengambilan imej asal dan perisian/perkakasan penghantaran data dalam kajian kes untuk meningkatkan kualiti imej masa nyata.

1.2 Tindakan Pengurangan Gangguan Elektromagnetik (EMI)
Laluan UHV dalam kes melibatkan rentang panjang dan persilangan, mencipta persekitaran elektromagnetik yang kompleks dan dinamik. Medan elektromagnetik yang kuat di sekitar laluan dan isyarat yang intens dari stesen pangkalan komunikasi berdekatan boleh mengganggu komunikasi sistem dron-manipulator. Selain itu, penghantaran data jarak jauh semasa operasi manipulator mungkin menyebabkan crosstalk, mengorbankan keselamatan operasi.

Untuk mengimbangi ini, syarikat kami mencadangkan langkah-langkah penyekatan EMI berikut:

• Analisis kerosakan potensial dari medan elektromagnetik berintensiti tinggi di dekat laluan UHV terhadap litar dalaman dron.

• Terapkan rawatan penyekatan pada permukaan badan pesawat, kabel isyarat, dan semua celah perumahan.

• Semprotkan lapisan konduktif dengan ketebalan tertentu secara merata pada luaran dron untuk mengurangi gangguan elektromagnetik. Untuk komponen yang tidak sesuai untuk dilapisi, digunakan ikatan wayar kuprum untuk mencapai keberkesanan penyekatan yang setara.

1.3 Reka Bentuk Struktur Manipulator Robotik
Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1, manipulator robotik terdiri daripada:
(1) Genggam; (2) Kotak pelindung servo; (3) Penyesuai detektor nilai sifar; (4) Penyesuai pengujian voltan tinggi; (5) Rod insulasi; (6) Rod had; (7) Lapisan insulasi resin epoksi; (8) Selongsong bantalan spesifik pitch; (9) Rod penghubung; (10) Selongsong bantalan spesifik roll.

Mengingat keperluan isolasi dalam persekitaran UHV, syarikat kami mencadangkan pemasangan bolt insulasi antara bahagian bawah dron dan gear mendarat. Bingkai besi menghubungkan sisi bawah lapisan insulasi ke selongsong bantalan spesifik pitch, yang diperbaiki secara luaran di sekitar bantalan logam. Motor servo pitch dipasang di sisi kanan bantalan, menggerakkan mekanisme pitch untuk membolehkan gerakan naik-turun manipulator robotik.

Mengingat gangguan yang disebabkan oleh medan elektromagnetik berintensiti tinggi di ruang sekitar laluan transmisi, syarikat kami mencadangkan pemasangan garis penggerak motor servo di dalam rod insulasi dan perlengkapan servo dengan enklosur pelindung insulasi khusus. Ini secara efektif mengasingkan servo dari lonjakan elektromagnetik yang dihasilkan oleh persekitaran voltan tinggi luaran. Selain itu, ikatan wayar kuprum diterapkan pada jurang di sekitar servo untuk mencapai pengikatan ekuipotensial, dengan demikian mengurangi risiko pembreakan litar dalaman servo akibat gelombang elektromagnetik.

2.Eksperimen Simulasi Pemeriksaan Laluan Transmisi UHV Menggunakan Manipulator Robotik Dipasang pada Dron
2.1 Reka Bentuk Simulasi
Berdasarkan rekod pemeliharaan laluan transmisi UHV dalam kajian kes, parameter struktur berikut diperoleh: ketinggian total menara lurus adalah 3200 mm; jejari shed besar adalah 2400 mm; jejari shed sederhana adalah 3200 mm; jejari shed kecil adalah 2700 mm; dan diameter konduktor adalah 17.48 mm, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.

Dalam eksperimen simulasi, sistem dron memilih bahan serat karbon untuk baling-baling, rangka, dan badan pesawat untuk meningkatkan kinerja keseluruhan.

Mengambil kira pengaruh medan elektrik ruang sekitar terhadap operasi pemeliharaan berdasarkan dron untuk garis transmisi ultra-tinggi (UHV), syarikat kami pertama kali mengembangkan model simulasi sistem pemeriksaan lengan robot yang dipasang pada dron. Dengan menggunakan analisis elemen terhingga, kami menentukan impak spesifik medan elektrik di sekitar garis UHV terhadap operasi pemeliharaan dron. Selain itu, kami menganalisis kekuatan medan elektrik maksimum dan variasi voltan yang dialami oleh lengan robot, badan pesawat, rotor, dan badan pesawat pada jarak berbeza antara sisi kiri lengan robot dan konduktor. Ini membolehkan kami menilai sama ada bahaya keselamatan potensial wujud semasa tugas pemeriksaan dalam jarak dekat.

2.2 Proses Simulasi
2.2.1 Prestasi Sistem Pemeriksaan pada 0.84 m dari Garis Transmisi UHV
Syarikat kami melakukan eksperimen simulasi pada sistem pemeriksaan lengan robot yang dipasang pada dron untuk menganalisis lebih lanjut status operasionalnya dan taburan medan elektrik ruang dekat konduktor apabila ditempatkan 0.84 m dari garis transmisi UHV.

Hasil simulasi menunjukkan bahawa, di bawah keadaan kerja ini, tiada kesan negatif medan elektrik yang signifikan diperhatikan pada sistem pemeriksaan secara keseluruhan. Namun, peningkatan sedikit dalam intensiti medan elektrik dikesan pada sisi kiri lengan robot. Secara umumnya, jika kekuatan medan elektrik tempatan melebihi kekuatan pecah dielektrik udara (30 kV/cm), risiko keruntuhan komponen bertambah, mengurangkan stabiliti dan keselamatan sistem.

Selanjutnya, dengan memeriksa taburan potensi (voltan) di seluruh komponen sistem, kami mendapati bahawa apabila jarak antara sistem pemeriksaan yang dipasang pada dron dan garis UHV bertambah, potensi elektrik semua komponen berkurang sepadan. Berdasarkan variasi potensi ini, kami menentukan tahap voltan dan kekuatan medan elektrik maksimum yang dialami setiap komponen dalam persekitaran pemeliharaan.

Seperti ditunjukkan dalam Jadual 1, apabila sistem pemeriksaan berada 0.84 m dari garis UHV, lengan robot mengalami kekuatan medan elektrik 3712 V/m dan voltan 2069 V. Perbandingan antara rotor kiri dan kanan menunjukkan bahawa rotor kiri sentiasa mengalami kekuatan medan elektrik dan voltan yang lebih tinggi daripada rotor kanan. Semua data menunjukkan bahawa, pada jarak operasi 0.84 m ini, medan elektrik tetap jauh di bawah ambang pecah udara, tidak membawa risiko pelepasan elektrik dan memastikan operasi selamat sistem pemeriksaan lengan robot yang dipasang pada dron.

2.2.2 Prestasi Sistem Pemeriksaan pada 0.34 m dari Garis Transmisi UHV
Syarikat kami juga melakukan eksperimen simulasi untuk menganalisis keadaan operasional sistem pemeriksaan lengan robot yang dipasang pada dron dan taburan medan elektrik ruang dekat konduktor apabila ditempatkan hanya 0.34 m dari garis transmisi UHV.

Jadual 1: Kekuatan Medan Elektrik Maksimum dan Nilai Voltan yang Sesuai dengan Setiap Komponen Sistem Pemeriksaan Lengan Robot yang Dipasang pada Dron

Keputusan simulasi menunjukkan bahawa, di bawah keadaan pemeliharaan jarak pemisahan ini, taburan medan elektrik ruang di sekitar laluan penghantaran di sebelah kiri tangan robot telah berubah. Karena persekitaran unik laluan penghantaran tegangan ultra-tinggi (UHV), medan elektrik tegangan tinggi sangat cenderung menyebabkan masalah percikan dan flashover permukaan.

Pada masa yang sama, dengan menganalisis variasi potensi pelbagai komponen dalam sistem, didapati bahawa apabila jarak antara sistem pemeriksaan tangan robot yang dipasang pada dron dan laluan penghantaran UHV meningkat, potensi elektrik semua komponen turut berkurang secara berkoresponden.

Berdasarkan data dalam Jadual 2, apabila sistem pemeriksaan ditempatkan 0.34 m dari laluan penghantaran UHV, kekuatan medan elektrik maksimum yang dialami oleh mana-mana komponen dalam sistem tidak melebihi kekuatan penembusan dielektrik udara. Oleh itu, disimpulkan bahawa tiada risiko penembusan akan berlaku semasa operasi pemeliharaan, memastikan keselamatan dan kebolehpercayaan sistem pemeriksaan tangan robot yang dipasang pada dron dalam aplikasi praktikal.

Jadual 2: Kekuatan Medan Elektrik Maksimum dan Nilai Voltan yang Se padan dengan Setiap Komponen Sistem Pemeriksaan Tangan Robot yang Dipasang pada Dron

2.3 Ujian Kekupasan Anti-Gangguan Arm Robot Bermuatan Drone dalam Pemeliharaan Garis Transmisi

Untuk ujian prestasi penapisan drone, peralatan ujian termasuk drone yang dilapisi cat konduktif dan multimeter. Cat konduktif disemprotkan secara seragam ke permukaan drone dengan ketebalan tidak melebihi 0.05 mm. Dalam keadaan persekitaran biasa, rintangan dalaman antara dua titik pada permukaan drone diukur; nilai kurang dari 1 Ω menunjukkan kesesuaian dengan piawaian yang ditetapkan.

Ujian pengaburan imej: Semasa menerapkan teknologi arm robot bermuatan drone untuk pemeriksaan garis, pengaburan imej mungkin berlaku akibat faktor-faktor seperti ketepatan inheren lensa kamera gimbal dan kualiti proses penyusunan. Pengaburan ini menyebabkan perbezaan antara imej yang ditangkap dan skena sebenar, potensinya mengganggu kemampuan kakitangan pemeliharaan untuk mengenal pasti dengan tepat cacat atau kerusakan pada garis transmisi ultra tinggi (UHV).

Untuk mengatasi isu ini, pasukan teknikal kami telah membangunkan model pembetulan pengaburan imej berdasarkan ciri-ciri pengaburan lensa kamera gimbal. Model ini dinyatakan oleh formula berikut:

Dalam formula:
x,y adalah koordinat asal titik distorsi tangensial dalam sistem pencitraan;
x′,y′ adalah koordinat baru titik selepas pembetulan distorsi;
p1,p2 adalah parameter distorsi tangensial;
r adalah jarak radial dari pusat imej.

Pengaburan lensa kamera terutamanya dikategorikan kepada dua jenis: distorsi tangensial dan radial. Distorsi tangensial utamanya timbul kerana unsur-unsur lensa dan satah imej kamera tidak sepenuhnya selari. Di samping itu, distorsi radial berlaku kerana sinar cahaya melengkung lebih signifikan pada posisi yang lebih jauh dari pusat optik lensa, menghasilkan distorsi yang tersebar sepanjang arah radial lensa. Distorsi radial boleh dinyatakan oleh formula berikut:

Dalam formula:
x,y adalah koordinat asal titik distorsi radial dalam sistem pencitraan;
x′,y′ adalah koordinat baru titik selepas pembetulan distorsi;
k1,k2,k3 adalah parameter distorsi radial;
r adalah jarak radial dari pusat imej.

Berdasarkan ini, syarikat kami mencadangkan penggunaan kaedah kalibrasi Zhang untuk mengenal pasti komponen distorsi radial yang paling signifikan mempengaruhi pembentukan imej, dan untuk membina semula parameter model. Ini membolehkan pemetaan bersama antara koordinat objek dalam sistem koordinat dunia yang ditakrifkan dan koordinat piksel dalam satah imej, dengan demikian melengkapkan kalibrasi kamera gimbal. Pendekatan ini secara efektif mengurangkan impak toleransi pembuatan lensa dan proses penyusunan terhadap ketepatan imej, meningkatkan kejelasan imej, dan memastikan imej definisi tinggi garis transmisi ultra tinggi (UHV) ditransmisikan balik ke sistem secara real-time tanpa lemas. Ini memberikan data visual yang boleh dipercayai kepada kakitangan pemeliharaan untuk menilai dengan tepat sama ada cacat atau kerusakan wujud pada garis tersebut.

Kesimpulannya, teknologi pemeriksaan arm robot bermuatan drone yang dicadangkan dalam makalah ini memenuhi keperluan pemeliharaan garis transmisi ultra tinggi semasa untuk penggunaan kuasa rendah, daya tahan lama, kos rendah, kapasiti muatan tinggi, dan persepsi persekitaran yang kuat. Ia mengatasi botol leher teknikal kunci dalam menggantikan kaedah pemeriksaan manual tradisional dengan drone, meningkatkan tahap keseluruhan operasi pemeliharaan, dan memperkuat keselamatan dan kebolehpercayaan penghantaran dan bekalan tenaga.