Forskning og analyse av dronebaserte erstattende teknologier for vedlikehold av ekstremhøyspenningskraftledninger

I et bestemt område ble det etter vedlikehold av ekstremt høyspennings (UHV) overføringslinjer identifisert følgende problemer: eksisterende droner har ikke tilstrekkelig ytelse for å møte de nåværende store og utstrakte inspeksjons- og vedlikeholdsbehovene for UHV-linjer. I praksis viser droner utilstrekkelig flyvetid, begrenset evne til bildefanging og dårlig motstand mot elektromagnetisk støy (EMI), noe som negativt påvirker inspeksjonseffektiviteten og hindrer nøyaktig identifisering av feil i UHV-linjene.

På grunn av den betydelige lengden på UHV-overføringslinjene og påvirkningen av det lokale naturlige miljøet, kan droner utstyrt med deteksjonseinheter ikke opprettholde langvarige fløgter, noe som reduserer inspeksjonseffektiviteten. I det nevnte tilfellet oppnådde selv olje-elektriske hybriddroner en flyvetid på mindre enn 3 timer, noe som nødvendiggjorde ofte batteribytter under inspeksjonen. I tillegg mangler de nåværende dronebaserte inspeksjonssystemene funksjonell fullstendighet – de støtter ikke flerdimensjonale, flerfunksjonelle inspeksjonsevner – noe som resulterer i utilstrekkelig inspeksjonnøyaktighet. Dette kan forsinke deteksjonen og håndtering av linjefeil eller andre defekter, noe som direkte påvirker normal strømoverføring.

For å løse disse utfordringene, har vår bedrift utviklet en ny teknologi for inspeksjon av UHV-overføringslinjer som integrerer en robotarm montert på en drone. Denne løsningen er tilpasset den spesifikke UHV-infrastrukturen i området og basert på den nåværende droneytelsen i linjevedlikehold. Det har som mål å løse de nevnte problemene samtidig som viktige krav blir oppfylt: lav energiforbruk, forlenget flyvetid, lav kostnad, høy lastkapasitet og sterk miljøpersepsjon.

1.Teknisk Løsning: Drone-Montert Robotarm for UHV-Linjevedlikehold
1.1 Designkonsept
Viktige betraktningspunkter for denne teknologien inkluderer isoleringsdesign, bevegelseskontroll av robotarmen og støtteunderenheter. Det er essensielt å sikre en rasjonell teknisk design for å effektivt løse de eksisterende utfordringene knyttet til UHV-vedlikehold og overvinne implementeringsknutepunkter.

Vår bedrift har grundig evaluert isoleringskravene som UHV-vedlikeholdsmiljøet stiller til robotarmen. Basert på dette, beregnede vi den maksimale elektriske feltstyrken og spenningsvariasjonene som arm, rotor, ramme og romp opplever på ulike avstander fra liveledere. Deretter ble målrettede ytelsestester utformet for å informere videreforbedringer av den tekniske løsningen.

Vi valgte representative UHV-vedlikeholdsscenarioer for å definere standard driftsprosedyrer og sikkerhetsprotokoller. Flere frihetsgrader i robotarmens struktur ble optimalisert for å identifisere den mest kompatible drone-manipulator-konfigurasjonen. Gitt det unike driftsmiljøet, foreslo vi også å oppgradere det originale bildefangingsprogramvaren og dataoverføringsprogramvaren/hardwaren i studietilfellet for å forbedre sanntidsbildekvaliteten.

1.2 Tiltak for Reduksjon av Elektromagnetisk Støy (EMI)
UHV-linjene i tilfellet involverer lange strekk og kryssinger, noe som skaper et komplekst og dynamisk elektromagnetisk miljø. Sterke elektromagnetiske felt rundt linjene og intense signaler fra nærliggende kommunikasjonstårn kan alvorlig forstyrre kommunikasjonen i drone-manipulator-systemet. I tillegg kan langdistansedataoverføring under manipulatoroperasjoner forårsake kryssoverføring, noe som svekker driftssikkerheten.

For å motvirke dette, foreslår vår bedrift følgende EMI-skjermingstiltak:

• Analyser mulig skade fra høyintensitet elektromagnetiske felt nær UHV-linjer på droneintern kretslag.

• Bruk skjerming på luftfartøyoverflaten, signalkabler og alle behuskninger.

• Spray jevnt et ledbarets belagt med spesifikk tykkelse på droneytelsen for å redusere elektromagnetisk støy. For komponenter som ikke er egnet for belagt, brukes kobbertråd binding for å oppnå tilsvarende skjermingseffektivitet.

1.3 Strukturelt Design av Robotarm
Som vist i figur 1, består robotarmen av:
(1) Greiper; (2) Servoskytter; (3) Nullverdi-detektoradapter; (4) Høyspenningsprøveradapter; (5) Isolerende stav; (6) Begrensningsspyd; (7) Epoxyresin-isolerende lag; (8) Pitch-spesifikk bearing-hylse; (9) Koplingsstav; (10) Roll-spesifikk bearing-hylse.

Med tanke på isoleringskrav i UHV-miljø, foreslår vår bedrift installasjon av isolerende bolt mellom droneundersiden og landingsstel. En stålramme forbinder den nedre siden av isoleringslaget med pitch-spesifikk bearing-hylse, som er fastsatt utenfor en metallbearing. Pitch-servo motor monteres på høyre side av bearingen, drev pitch-mekanismen for å tillate opp-og nedbevegelse av robotarmen.

Med tanke på forstyrrelsen forårsaket av høyintensitet elektromagnetiske felt i området rundt overføringslinjene, foreslår vår bedrift installasjon av servo motor drive linjer inne i isolerende stav og utstyres servo med en dedikert isolert beskyttelsesboks. Dette isolerer effektivt servo fra elektromagnetiske pulser generert av det eksterne høyspenningsmiljøet. I tillegg brukes kobbertråd binding til gapene rundt servo for å oppnå likepotensialbinding, noe som reduserer risikoen for elektromagnetisk bølgeindusert nedbryting i servos intern kretslag.

2.Simuleringseksempel av Inspeksjon av UHV-Overføringslinjer ved hjelp av en Drone-Montert Robotarm
2.1 Simuleringsdesign
Basert på vedlikeholdslogger for UHV-overføringslinjene i studietilfellet, ble følgende strukturelle parametre innhentet: total høyde på rettlinjetårnet er 3200 mm; stor takradius er 2400 mm; middels takradius er 3200 mm; liten takradius er 2700 mm; og ledningsdiameter er 17.48 mm, som vist i figur 2.

I simuleringseksperimentet valgte dronensystem kolfibermaterialer for propellene, rammen og rompa for å forbedre dens totale ytelse.

Med hensyn på innvirkningen av det omkringliggende romlige elektriske feltet på vedlikeholdsoperasjoner med drone for ekstremt høyspennings (UHV) overføringslinjer, utviklet vårt selskap først en simuleringmodell av dronesystemet med robotarm for inspeksjon. Ved hjelp av finit-elementanalyse bestemte vi den spesifikke effekten av elektrisk felt rundt UHV-linjene på dronedrevne vedlikeholdsoperasjoner. I tillegg analyserte vi maksimal elektrisk feltstyrke og spenningssvingninger som robotarmen, rompa, rotorbladene og fuselagen opplevde under ulike avstander mellom venstre side av robotarmen og ledningen. Dette lar oss vurdere om potensielle sikkerhetsrisikoer eksisterer under nærmessige inspeksjonsoppgaver.

2.2 Simuleringsprosess
2.2.1 Inspeksjonssystemets ytelse 0,84 m fra UHV-overføringslinje
Vårt selskap gjennomførte simuleringseksperimenter med dronesystemet med robotarm for inspeksjon for å videre analysere dets driftsstatus og romlige elektriske feldfordeling nær ledningen når det er plassert 0,84 m unna UHV-overføringslinjen.

Simuleringsresultatene viste at under denne arbeidsforholdet ble ingen betydelige negative effekter av elektrisk felt observert på det totale inspeksjonssystemet. Imidlertid ble en svak økning i elektrisk feltintensitet oppdaget på venstre side av robotarmen. Generelt, hvis lokal feltstyrke overskrider luftens dielektriske brytningsstyrke (30 kV/cm), øker risikoen for komponentnedbryting, noe som svekker systemets stabilitet og sikkerhet.

Ved å undersøke potensial- (spenning-) fordelingen over systemkomponentene, fant vi at når avstanden mellom dronesystemet for inspeksjon og UHV-linjen øker, synker elektrisk potensial for alle komponentene dermed. Basert på disse potensialvariasjonene fastsatte vi spenningsnivåer og maksimale elektriske feltstyrker hver komponent opplever i vedlikeholdsomgivelsene.

Som vist i tabell 1, når inspeksjonssystemet er 0,84 m fra UHV-linjen, opplever robotarmen en elektrisk feltstyrke på 3712 V/m og en spenning på 2069 V. En sammenligning mellom venstre og høyre rotorblade viste at venstre rotorblade konsekvent utsatt for høyere elektrisk feltstyrke og spenning enn høyre rotorblade. Alle data indikerer at, under denne operasjonsavstanden på 0,84 m, forblir elektrisk felt langt under luftens nedbrytningsgrense, uten risiko for elektrisk entladning, og sikrer trygg drift av dronesystemet med robotarm for inspeksjon.

2.2.2 Inspeksjonssystemets ytelse 0,34 m fra UHV-overføringslinje
Vårt selskap gjennomførte også simuleringseksperimenter for å analysere driftsstatusen til dronesystemet med robotarm for inspeksjon og romlige elektriske feldfordeling nær ledningen når det er plassert kun 0,34 m unna UHV-overføringslinjen.

Tabell 1: Maksimale verdier for elektrisk feltstyrke og spenning forsvarende hvert komponent i dronesystemet med robotarm for inspeksjon

Simuleringen viste at under denne avstandsmessige vedlikeholdskondisjon, endret det romlige elektriske feltet rundt kraftledningen på venstre side av robotarmen. På grunn av den unike miljøet for ekstremhøyspændings (UHV) kraftledninger, er høyspenningsfelt høygradig benært til å forårsake buebrenning og overflaterun.

Samtidig, ved å analysere potensielle variasjoner av de ulike komponentene i systemet, ble det funnet at når avstanden mellom dronemountede robotarminspeksjonssystemet og UHV-kraftledningen øker, minker elektrisk potensial for alle komponenter tilsvarerende.

Ifølge dataene i Tabell 2, når inspeksjonssystemet er plassert 0,34 meter unna UHV-kraftledningen, overstiger ikke den maksimale elektriske feltstyrken noen komponent i systemet luftens dielektriske nedbrytningsstyrke. Dermed konkluderes det at ingen nedbrytningsrisiko vil oppstå under vedlikeholdsoperasjonen, som sikrer sikkerheten og påliteligheten til dronemountede robotarminspeksjonssystemet i praktiske anvendelser.

Tabell 2: Maksimal Elektrisk Feltstyrke og Spenningsverdier Tilsvarerende Hver Komponent i Dronemountede Robotarminspeksjonssystemet

2.3 Støyresistenskapasitetsprøver for drone-montert robotarm i kraftledningsvedlikehold

For prøven av dronens skjermingskapasitet inkluderte prøveutstyr en drone med overflate dekket med ledbare maling og en multimeter. Den ledbare malingen ble jevnt sprøyta på dronens overflate med en tykkelse som ikke oversteg 0,05 mm. Under normale miljøforhold ble den interne motstanden mellom to punkter på dronens overflate målt; en verdi under 1 Ω indikerer samsvar med spesifisert standard.

Bildeforvrengningsprøve: Når drone-montert robotarm-teknologi brukes til linjeinspeksjon, kan bildeforvrengning oppstå på grunn av faktorer som gimbalkameraets innebygde nøyaktighet og kvaliteten på monteringsprosesser. Slik forvrengning fører til forskjeller mellom de tatt bilde og den faktiske scenen, noe som potensielt kan svekke vedlikeholdsansattes evne til å nøyaktig identifisere feil eller defekter i UHV-kraftledninger.

For å løse dette problemet utviklet vår tekniske team en modell for bildeforvrengningskorrigering basert på forvrengningskarakteristikker av gimbalkamera. Denne modellen uttrykkes gjennom følgende formel:

I formelen:
x,y er de opprinnelige koordinatene til et tangensielt forvrengningspunkt i bildesystemet;
x′,y′ er de nye koordinatene til punktet etter forvrengningskorrigering;
p1,p2 er tangensielle forvrengningsparametre;
r er den radielle avstanden fra bildesenteret.

Kameralensforvrengning er hovedsakelig kategorisert i to typer: tangensiell og radiell forvrengning. Tangensiell forvrengning oppstår hovedsakelig fordi lensene og kameraets bildeside ikke er helt parallelle. Radiell forvrengning, derimot, forekommer fordi lysstråler bøyer mer markant i posisjoner lenger unna lensens optiske senter, noe som resulterer i forvrengning fordelt langs lensens radielle retning. Radiell forvrengning kan uttrykkes gjennom følgende formel:

I formelen:
x,y er de opprinnelige koordinatene til et radielt forvrengningspunkt i bildesystemet;
x′,y′ er de nye koordinatene til punktet etter forvrengningskorrigering;
k1,k2,k3 er radielle forvrengningsparametre;
r er den radielle avstanden fra bildesenteret.

På denne bakgrunn foreslår vårt selskap bruk av Zhangs kalibreringsmetode for å identifisere de radielle forvrengningskomponentene som påvirker bildedannelse mest, og for å rekonstruere modellparametre. Dette muliggjør gjensidig kartlegging mellom objekt-koordinater i et definert verdenkoordinatsystem og pikselkoordinater i bildesiden, noe som fullfører kalibreringen av gimbalkamera. Denne metoden effektiviserer reduseringen av påvirkningen fra lensproduksjonstoleranser og monteringsprosesser på bildenyaktighet, forbedrer bildekvalitet, og sikrer at høydefinisjonsbilder av UHV-kraftledninger sendes tilbake til systemet i sanntid uten forsinkelse. Dette gir vedlikeholdsansatte pålitelige visuelle data for nøyaktig vurdering av om det finnes feil eller defekter i ledningene.

Samlet sett oppfyller drone-montert robotarm-inspeksjonsteknologien foreslått i denne artikkelen dagens behov for UHV-kraftledningsvedlikehold angående lav strømforbruk, lang holdbarhet, lav kostnad, høy lastevne, og sterk miljøpersepsjon. Den overkommer nøkkeltknapper i å erstatte tradisjonelle manuelle inspeksjonsmetoder med droner, hever det generelle nivået for vedlikeholdsoperasjoner, og styrker sikkerheten og påliteligheten i kraftoverføring og -forsyning.