Onderzoek en analyse van dronegebaseerde vervangende technologieën voor het onderhoud van ultra-hogespanningslijnen

In een bepaald gebied werden na het onderhoud van ultra-hogespanningslijnen (UHV) de volgende problemen geïdentificeerd: bestaande drones hebben onvoldoende prestaties om te voldoen aan de huidige grootschalige en uitgebreide inspectie- en onderhoudseisen van UHV-lijnen. In de praktijk tonen drones onvoldoende uithoudingsvermogen, beperkte afbeeldingsopnamecapaciteit en slechte elektromagnetische interferentie (EMI)-bestendigheid, wat negatief invloed heeft op de effectiviteit van de inspectie en de nauwkeurige identificatie van UHV-lijndefecten verhindert.

Vanwege de aanzienlijke lengte van UHV-overdrachtslijnen en de invloed van de lokale natuurlijke omgeving kunnen drones die zijn uitgerust met detectieapparatuur niet langdurig vliegen, waardoor de inspectieefficiëntie wordt verlaagd. In het genoemde geval behaalde zelfs een olie-elektrische hybriddrone een vluchtduur van minder dan 3 uur, waardoor tijdens inspecties vaak batterijen moeten worden vervangen. Bovendien ontbreken de huidige drone-gebaseerde inspectiesystemen functionele volledigheid—ze ondersteunen geen multi-dimensionale, multi-functionele inspectiecapaciteiten—waardoor de inspectienauwkeurigheid ontoereikend is. Dit kan de detectie en afhandeling van lijnstoringen of andere defecten vertragen, waardoor de normale stroomoverdracht direct wordt beïnvloed.

Om deze uitdagingen aan te pakken, heeft ons bedrijf een nieuwe UHV-overdrachtslijninspectietechnologie ontwikkeld die een robotarm op een drone integreert. Deze oplossing is aangepast aan de specifieke UHV-infrastructuur in het gebied en gebaseerd op de huidige drone-toepassingsprestaties in lijnonderhoud. Het doel is om de voornoemde problemen op te lossen terwijl de belangrijkste eisen worden voldaan: lage energieverbruik, verlengde uithoudingsvermogen, lage kosten, hoge belastingcapaciteit en sterke omgevingsperceptie.

1.Technische Oplossing: Drone-Mounted Robotarm voor UHV-Lijnonderhoud
1.1 Ontwerpconcept
Bij deze technologie zijn belangrijke overwegingen isolatieontwerp, bewegingscontrole van de robotarm en ondersteunende subsystemen. Het is essentieel om een rationeel technisch ontwerp te waarborgen om de bestaande UHV-onderhoudsuitdagingen effectief op te lossen en implementatieknelpunten te overwinnen.

Ons bedrijf heeft de isolatievereisten die door de UHV-onderhoudsomgeving op de robotarm worden gesteld, grondig geëvalueerd. Op basis hiervan berekenden we de maximale elektrische veldsterkte en spanningsschommelingen die de arm, rotoren, frame en romp op verschillende afstanden van live leidingen ondervinden. Gerichte prestatietests werden vervolgens ontworpen om latere verfijningen van de technische oplossing te informeren.

We selecteerden representatieve UHV-onderhoudsscenario's om standaardwerkprocedures en veiligheidsprotocollen te definiëren. De meervoudige vrijheidsgraadstructuur van de robotarm werd geoptimaliseerd om de meest compatibele drone-manipulatorconfiguratie te identificeren. Gezien de unieke werkomgeving stelden we ook voor om de oorspronkelijke afbeeldingsopnamehardware en dataoverdrachtsoftware/hardware in de casestudy te upgraden om de real-time afbeeldingskwaliteit te verbeteren.

1.2 Maatregelen tegen Elektromagnetische Interferentie (EMI)
De UHV-lijnen in de casus omvatten lange spanningen en kruisingen, wat een complexe en dynamische elektromagnetische omgeving creëert. Sterke elektromagnetische velden rond de lijnen en intense signalen van nabijgelegen communicatiebasisstations kunnen de communicatie van het drone-manipulatorsysteem ernstig verstoren. Bovendien kan langeafstandsdataoverdracht tijdens manipulatiebewerkingen crosstalk veroorzaken, waardoor de operationele veiligheid wordt aangetast.

Om dit te bestrijden, stelt ons bedrijf de volgende EMI-schermmaatregelen voor:

• Analyseer de potentiële schade die krachtige elektromagnetische velden in de buurt van UHV-lijnen kunnen toebrengen aan de interne schakelingen van de drone.

• Pas schermbehandeling toe op het oppervlak van de romp, signaalkabels en alle behuizingnaden.

• Spuit uniform een geleidende coating van gespecificeerde dikte op de buitenkant van de drone om elektromagnetische interferentie te verminderen. Voor componenten die niet geschikt zijn voor coating, wordt koperdraadbinding gebruikt om een equivalente schermeffectiviteit te bereiken.

1.3 Structuurontwerp van de Robotarm
Zoals weergegeven in Figuur 1, bestaat de robotarm uit:
(1) Grijper; (2) Servobeschermingsdoos; (3) Adapter voor nulwaarde-detector; (4) Adapter voor hoogspanningstester; (5) Isolerende staaf; (6) Beperkingsstaaf; (7) Epoxyhars-isolerende laag; (8) Pitch-specifieke lagermouw; (9) Koppelingstaaf; (10) Roll-specifieke lagermouw.

Met inachtneming van de isolatievereisten in UHV-omgevingen, stelt ons bedrijf voor om isolerende bouten te installeren tussen de onderkant van de drone en de landingsgestel. Een stalen frame verbindt de onderkant van de isolerende laag met de pitch-specifieke lagermouw, die extern rond een metalen lager is bevestigd. De pitchservomotor is gemonteerd aan de rechterkant van de lager, waarmee de pitchmechanisme wordt aangedreven om het op-en-neer bewegen van de robotarm mogelijk te maken.

Met inachtneming van de storing die wordt veroorzaakt door de krachtige elektromagnetische velden in de ruimte rond de overdrachtslijnen, stelt ons bedrijf voor om de servomotordraadlijnen binnen de isolerende staaf te installeren en de servo uit te rusten met een speciale geïsoleerde beschermende behuizing. Dit isoleert de servo effectief van de elektromagnetische stootgolven die door de externe hoogspanningsomgeving worden gegenereerd. Daarnaast wordt koperdraadbinding toegepast op de gaten rond de servo om equipotentieel binding te bereiken, waardoor het risico op elektromagnetische golfinduced breakdown in de interne schakelingen van de servo wordt verminderd.

2.Simulatie-experiment van UHV-overdrachtslijninspectie met een drone-mounted robotarm
2.1 Simulatieontwerp
Gebaseerd op onderhoudsrecords van de UHV-overdrachtslijnen in de casestudy, werden de volgende structuurparameters verkregen: de totale hoogte van de rechte-linietoren is 3200 mm; de grote schuurstraal is 2400 mm; de middelste schuurstraal is 3200 mm; de kleine schuurstraal is 2700 mm; en de geleiderdiameter is 17,48 mm, zoals weergegeven in Figuur 2.

In de simulatie-experimenten koos het drone-systeem voor koolstofvezelmaterialen voor de propellers, het frame en de romp om de algehele prestaties te verbeteren.

Met inachtneming van de invloed van het omliggende ruimtelijke elektrisch veld op onderhoudsoperaties met drones voor ultra-hoge-spannings (UHV) transmissielijnen, ontwikkelde ons bedrijf eerst een simulatiemodel van het door de drone gemonteerde robotarm inspectiesysteem. Met behulp van eindige-elementanalyse bepaalden we de specifieke impact van het elektrisch veld rond UHV-lijnen op drone-onderhoudsoperaties. Bovendien analyseerden we de maximale elektrische veldsterkte en spanningsschommelingen die de robotarm, de luchtvaartuigromp, de rotors en de romp ondervinden op verschillende afstanden tussen de linkerkant van de robotarm en de geleider. Dit stelt ons in staat om te beoordelen of er potentiele veiligheidsrisico's bestaan tijdens inspectietaken op korte afstand.

2.2 Simulatieproces
2.2.1 Prestaties van het inspectiesysteem op 0,84 m van de UHV-transmissielijn
Ons bedrijf voerde simulatie-experimenten uit op het door de drone gemonteerde robotarm inspectiesysteem om de werking en de verdeling van het ruimtelijke elektrisch veld in de buurt van de geleider te analyseren wanneer het systeem zich 0,84 m verwijderd is van de UHV-transmissielijn.

De simulatieresultaten lieten zien dat, onder deze werkomstandigheden, geen significante nadelige effecten van het elektrisch veld op het gehele inspectiesysteem werden waargenomen. Er werd echter een lichte toename van de elektrische veldsterkte aan de linkerkant van de robotarm vastgesteld. Over het algemeen, als de lokale elektrische veldsterkte de dielektrische doorslaagsterkte van lucht (30 kV/cm) overschrijdt, neemt het risico van componentenbreuk toe, wat de stabiliteit en veiligheid van het systeem in gevaar brengt.

Bovendien, door de potentiële (spannings)verdeling over de systeemcomponenten te onderzoeken, stelden we vast dat naarmate de afstand tussen het door de drone gemonteerde inspectiesysteem en de UHV-lijn toeneemt, de elektrische potentiaal van alle componenten evenredig afneemt. Op basis van deze potentiaalvariaties bepaalden we de spanning en de maximale elektrische veldsterkte die elke component ervaart in de onderhoudsomgeving.

Zoals weergegeven in Tabel 1, wanneer het inspectiesysteem zich 0,84 m van de UHV-lijn bevindt, ervaart de robotarm een elektrische veldsterkte van 3712 V/m en een spanning van 2069 V. Een vergelijking tussen de linker- en rechterrotor liet zien dat de linkerrotor consistent hogere elektrische veldsterkte en spanning ervaart dan de rechterrotor. Alle gegevens wijzen erop dat, bij deze operatiedistancie van 0,84 m, het elektrisch veld ver beneden de drempelwaarde voor luchtdoorbraak blijft, waardoor er geen risico bestaat op elektrische ontlading en veilig functioneren van het door de drone gemonteerde robotarm inspectiesysteem wordt gewaarborgd.

2.2.2 Prestaties van het inspectiesysteem op 0,34 m van de UHV-transmissielijn
Ons bedrijf voerde ook simulatie-experimenten uit om de werkingstoestand van het door de drone gemonteerde robotarm inspectiesysteem en de verdeling van het ruimtelijke elektrisch veld in de buurt van de geleider te analyseren wanneer het systeem zich slechts 0,34 m verwijderd is van de UHV-transmissielijn.

Tabel 1: Maximale elektrische veldsterkte en spanning waarden corresponderend met elk component van het door de drone gemonteerde robotarm inspectiesysteem

De simulatieresultaten lieten zien dat, onder deze afstandsbeheersingsconditie, de ruimtelijke elektrische veldverdeling rond de transmissielijn aan de linkerkant van de robotarm veranderde. Vanwege de unieke omgeving van ultra-hoge-spannings (UHS) transmissielijnen, zijn hoge elektrische velden zeer geneigd om boogvorming en oppervlakteflitsoverschrijding te veroorzaken.

Tegelijkertijd bleek uit de analyse van de potentiaalvariaties van de verschillende componenten in het systeem dat, naarmate de afstand tussen het drone-gebaseerde inspectiesysteem met robotarm en de UHS-transmissielijn toeneemt, de elektrische potentiaal van alle componenten overeenkomstig afneemt.

Volgens de gegevens in Tabel 2, wanneer het inspectiesysteem op 0,34 m afstand van de UHS-transmissielijn is geplaatst, overschrijdt de maximale elektrische veldsterkte die een component in het systeem ervaart, niet de dielectrische doorbraaksterkte van lucht. Daarom wordt geconcludeerd dat er tijdens het onderhoud geen doorbraakrisico zal optreden, waardoor de veiligheid en betrouwbaarheid van het drone-gebaseerde inspectiesysteem met robotarm in praktische toepassingen wordt gewaarborgd.

Tabel 2: Maximale Elektrische Veldsterkte en Spanningswaarden Overeenkomstig Elke Component van het Drone-Gebaseerde Inspectiesysteem met Robotarm

2.3 Testen van de anti-interferentiecapaciteit van de drone-gebaseerde robotarm in het onderhoud van hoogspanningslijnen

Voor het testen van de schildprestaties van de drone bestond de testapparatuur uit een drone met een geleidende verf en een multimeter. De geleidende verf werd uniform op het oppervlak van de drone gespoten met een dikte die 0,05 mm niet overschrijdt. Onder normale omstandigheden werd de interne weerstand tussen twee punten op het oppervlak van de drone gemeten; een waarde lager dan 1 Ω geeft aan dat de gespecificeerde norm wordt voldaan.

Test voor beeldvervorming: Bij het toepassen van de technologie van de drone-gebaseerde robotarm voor lijninspectie kan beeldvervorming optreden door factoren zoals de inherente nauwkeurigheid van de gimbalkamera en de kwaliteit van de assemblageprocessen. Deze vervorming veroorzaakt afwijkingen tussen de vastgelegde beelden en de werkelijke scène, waardoor het vermogen van het onderhoudspersoneel om fouten of defecten op UHV-transmissielijnen nauwkeurig te identificeren kan worden aangetast.

Om dit probleem aan te pakken ontwikkelde ons technische team een model voor beeldvervormingscorrectie gebaseerd op de vervormingskenmerken van de gimbalkamera. Dit model wordt weergegeven door de volgende formule:

In de formule:
x,y zijn de oorspronkelijke coördinaten van een punt met tangentiële vervorming in het beeldsysteem;
x′,y′ zijn de nieuwe coördinaten van het punt na de vervormingscorrectie;
p1,p2 zijn de parameters voor tangentiële vervorming;
r is de radiale afstand vanaf het middelpunt van het beeld.

De vervorming van de cameralens wordt voornamelijk ingedeeld in twee soorten: tangentiële en radiale vervorming. Tangentiële vervorming ontstaat voornamelijk omdat de lenselementen en het beeldvlak van de camera niet perfect parallel zijn. Radiale vervorming daarentegen treedt op doordat lichtstralen meer buigen bij posities die verder van het optische middelpunt van de lens liggen, wat leidt tot vervorming die zich langs de radiale richting van de lens verspreidt. Radiale vervorming kan worden weergegeven door de volgende formule:

In de formule:
x,y zijn de oorspronkelijke coördinaten van een punt met radiale vervorming in het beeldsysteem;
x′,y′ zijn de nieuwe coördinaten van het punt na de vervormingscorrectie;
k1,k2,k3 zijn de parameters voor radiale vervorming;
r is de radiale afstand vanaf het middelpunt van het beeld.

Op basis hiervan stelt ons bedrijf voor gebruik te maken van Zhang's kalibratiemethode om de radiale vervormingscomponenten die het meest van invloed zijn op het beeldvormingsproces te identificeren en de modelparameters te reconstrueren. Dit stelt wederzijdse afbeelding in tussen objectcoördinaten in een gedefinieerd wereldcoördinatensysteem en pixelcoördinaten in het beeldvlak, waardoor de kalibratie van de gimbalkamera wordt voltooid. Deze benadering vermindert effectief de impact van toleranties in de lenzenfabricage en assemblageprocessen op de beeldnauwkeurigheid, verhoogt de beeldhelderheid en zorgt ervoor dat high-definition (HD) beelden van ultra-hoge-spanning (UHV) transmissielijnen zonder vertraging in real-time naar het systeem worden overgebracht. Dit biedt onderhoudspersoneel betrouwbare visuele gegevens voor het nauwkeurig beoordelen of er fouten of defecten op de lijnen voorkomen.

Samenvattend voldoet de door deze publicatie voorgestelde inspectietechnologie van de drone-gebaseerde robotarm aan de huidige eisen voor het onderhoud van UHV-transmissielijnen met betrekking tot lage energieverbruik, lange duurzaamheid, lage kosten, hoge belastingcapaciteit en sterke omgevingsperceptie. Het overwint belangrijke technische knelpunten bij het vervangen van traditionele handmatige inspectiemethoden door drones, verhoogt het algemene niveau van onderhoudsoperaties en versterkt de veiligheid en betrouwbaarheid van elektriciteitsopwekking en -distributie.