Badania i analiza technologii zastępczych opartych na dronach do konserwacji linii przesyłowych o napięciu nadwyżkowym

W pewnym regionie, po konserwacji linii przesyłowych o napięciu nadwyżkowym (UHV), zidentyfikowano następujące problemy: istniejące drony nie mają wystarczającej wydajności, aby spełnić obecne duże i rozległe wymagania dotyczące inspekcji i konserwacji linii UHV. W praktycznych operacjach drony wykazują niewystarczającą wytrzymałość, ograniczone możliwości pozyskiwania obrazów oraz słabe odporność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), co negatywnie wpływa na skuteczność inspekcji i uniemożliwia dokładne identyfikowanie wad linii UHV.

Ze względu na znaczny dystans linii przesyłowych UHV oraz wpływ lokalnego środowiska naturalnego, drony wyposażone w urządzenia detekcyjne nie są w stanie utrzymać długotrwałego lotu, co zmniejsza efektywność inspekcji. W przytoczonym przypadku nawet hybrydowe drony olejowo-elektryczne osiągały czas lotu poniżej 3 godzin, co wymagało częstych wymian baterii podczas inspekcji. Ponadto obecne systemy inspekcji oparte na dronach nie są funkcjonalnie kompleksowe – nie wspierają wielowymiarowych, wielofunkcyjnych możliwości inspekcji – co prowadzi do niewystarczającej dokładności inspekcji. Może to spowodować opóźnienie w wykrywaniu i usuwaniu awarii linii lub innych wad, bezpośrednio wpływając na normalną transmisję energii elektrycznej.

Aby rozwiązać te problemy, nasza firma opracowała nową technologię inspekcji linii przesyłowych UHV, która integruje manipulator montowany na dronie. Ta rozwinięta technologia jest dostosowana do specyficznej infrastruktury UHV w regionie i bazuje na obecnej wydajności aplikacji dronów w konserwacji linii. Ma na celu rozwiązanie powyższych problemów, jednocześnie spełniając kluczowe wymagania: niskie zużycie energii, wydłużona wytrzymałość, niski koszt, duża ładowność oraz silna percepcja środowiska.

1.Rozwiązanie techniczne: Manipulator montowany na dronie do konserwacji linii UHV
1.1 Koncepcja projektowa
Kluczowe zagadnienia tej technologii obejmują projekt izolacyjny, sterowanie ruchem manipulatora oraz wspierające podsystemy. Zapewnienie racjonalnego projektu technicznego jest niezbędne do skutecznego rozwiązania obecnych problemów konserwacji UHV i przezwyciężenia barier implementacyjnych.

Nasza firma kompleksowo oceniła wymagania izolacyjne narzucone przez środowisko konserwacji UHV na manipulator. Na tej podstawie obliczono maksymalne natężenie pola elektrycznego i wahania napięcia, do których są narażone manipulator, wirniki, ramy i kadłuby w różnych odległościach od żywej przewodnika. Następnie zaprojektowano testy wydajnościowe, które miały służyć kolejnym udoskonaleniom rozwiązania technicznego.

Wybraliśmy reprezentatywne scenariusze konserwacji UHV, aby zdefiniować standardowe procedury operacyjne i protokoły bezpieczeństwa. Strukturę wielostopniową manipulatora zoptymalizowano, aby określić najbardziej kompatybilną konfigurację dron-manipulator. Z uwagi na unikalne środowisko operacyjne, proponujemy również modernizację oryginalnego sprzętu do pozyskiwania obrazów oraz oprogramowania i sprzętu do transmisji danych w celu poprawy jakości obrazu w czasie rzeczywistym.

1.2 Środki redukujące zakłócenia elektromagnetyczne (EMI)
Linie UHV w omawianym przypadku obejmują długie odcinki i przeprawy, tworząc złożone i dynamiczne środowisko elektromagnetyczne. Silne pola elektromagnetyczne wokół linii oraz intensywne sygnały z pobliskich stacji komunikacyjnych mogą poważnie zakłócać komunikację systemu dron-manipulator. Dodatkowo, długodystansowa transmisja danych podczas operacji manipulatora może powodować przecieki, narażając bezpieczeństwo operacyjne.

Aby temu zaradzić, nasza firma proponuje następujące środki ekranowania EMI:

• Analiza potencjalnych uszkodzeń wewnętrznych obwodów drona spowodowanych silnymi polami elektromagnetycznymi w pobliżu linii UHV.

• Zastosowanie środków ekranujących do powierzchni kadłuba, kabeli sygnałowych i wszystkich szwów obudowy.

• Jednolite naniesienie warstwy przewodzącej o określonej grubości na zewnętrzne części drona, aby zredukować zakłócenia elektromagnetyczne. Dla elementów nienadających się do pokrycia, stosuje się wiązanie miedzianymi drutami, aby osiągnąć równoważną skuteczność ekranowania.

1.3 Projekt strukturalny manipulatora
Jak pokazano na Rysunku 1, manipulator składa się z:
(1) Chwytaka; (2) Skrzynki ochronnej serwomechanizmu; (3) Adaptatora detektora zerowej wartości; (4) Adaptatora wysokiego napięcia; (5) Izolatora; (6) Słupka granicznego; (7) Warstwy izolacyjnej z żywicy epoksydowej; (8) Obudowy specyficznej dla nachylenia; (9) Łącznika; (10) Obudowy specyficznej dla obrotu.

Biorąc pod uwagę wymagania izolacyjne w środowisku UHV, nasza firma proponuje montaż izolacyjnych śrub między spodem drona a podwoziem. Ramę stalową łączy dolną stronę warstwy izolacyjnej z obudową specyficznej dla nachylenia, która jest zamontowana zewnętrznie wokół metalowego łożyska. Serwomechanizm nachylenia jest zamontowany po prawej stronie łożyska, napędzając mechanizm nachylenia, który umożliwia ruch góra-dół manipulatora.

Biorąc pod uwagę zakłócenia spowodowane silnymi polami elektromagnetycznymi w przestrzeni otaczającej linie przesyłowe, nasza firma proponuje montaż linii napędowych serwomechanizmu wewnątrz izolatora i wyposażenie serwomechanizmu w dedykowaną izolacyjną obudowę ochronną. To skutecznie izoluje serwomechanizm od impulsów elektromagnetycznych generowanych przez zewnętrzne środowisko wysokiego napięcia. Ponadto, stosuje się wiązanie miedzianymi drutami do luk wokół serwomechanizmu, aby osiągnąć równopotencjalność, co zmniejsza ryzyko przepalenia wewnętrznych obwodów serwomechanizmu przez fale elektromagnetyczne.

2.Symulacja eksperymentu inspekcji linii przesyłowych UHV za pomocą manipulatora montowanego na dronie
2.1 Projekt symulacji
Na podstawie zapisów konserwacyjnych linii przesyłowych UHV w omawianym przypadku, uzyskano następujące parametry konstrukcyjne: całkowita wysokość prostoliniowej wieży wynosi 3200 mm; promień dużego gzymsu wynosi 2400 mm; promień średniego gzymsu wynosi 3200 mm; promień małego gzymsu wynosi 2700 mm; a średnica przewodnika wynosi 17,48 mm, jak pokazano na Rysunku 2.

W symulacji eksperymentalnej system drona wykorzystuje materiały węglowłókien do łopatek wirnika, ramy i kadłuba, aby zwiększyć jego ogólną wydajność.

Biorąc pod uwagę wpływ otaczającego przestrzeni pola elektrycznego na operacje konserwacyjne oparte na dronach dla linii nadprzewodowych (UHV), nasza firma po raz pierwszy opracowała model symulacyjny systemu inspekcji z robotycznym ramieniem zamontowanym na dronie. Wykorzystując analizę elementów skończonych, określiliśmy specyficzny wpływ pola elektrycznego wokół linii UHV na operacje konserwacyjne drona. Ponadto przeanalizowaliśmy maksymalną siłę pola elektrycznego i zmiany napięcia doświadczane przez robotyczne ramię, kadłub, wirniki i fuselage pod różnymi odległościami między lewą stroną robotycznego ramienia a przewodem. To pozwala nam ocenić, czy potencjalne zagrożenia bezpieczeństwa występują podczas zadań inspekcji z bliska.

2.2 Proces symulacji
2.2.1 Wydajność systemu inspekcji w odległości 0.84 m od linii UHV
Nasza firma przeprowadziła symulację eksperymentów na systemie inspekcji z robotycznym ramieniem zamontowanym na dronie, aby dalej analizować jego stan operacyjny i rozkład pola elektrycznego w pobliżu przewodu, gdy jest umieszczony w odległości 0.84 m od linii UHV.

Wyniki symulacji pokazały, że w tych warunkach pracy nie zaobserwowano znaczących negatywnych efektów pola elektrycznego na cały system inspekcji. Jednakże stwierdzono lekkie zwiększenie intensywności pola elektrycznego po lewej stronie robotycznego ramienia. Ogólnie, jeśli lokalna siła pola elektrycznego przekracza siłę dielektryczną powietrza (30 kV/cm), rośnie ryzyko awarii komponentów, co prowadzi do utraty stabilności i bezpieczeństwa systemu.

Dodatkowo, badając potencjał (napięcie) rozłożony na składnikach systemu, stwierdziliśmy, że im większa jest odległość między systemem inspekcji zamontowanym na dronie a linią UHV, tym mniejszy jest potencjał elektryczny wszystkich składników. Na podstawie tych zmian potencjału określiliśmy poziomy napięć i maksymalne siły pola elektrycznego, które każdy składnik doświadcza w środowisku konserwacyjnym.

Jak pokazano w tabeli 1, gdy system inspekcji znajduje się w odległości 0.84 m od linii UHV, robotyczne ramię doświadcza siły pola elektrycznego 3712 V/m i napięcia 2069 V. Porównanie między lewymi a prawymi wirnikami wykazało, że lewy wirnik stale odczuwa wyższą siłę pola elektrycznego i napięcie niż prawy wirnik. Wszystkie dane wskazują, że przy tej odległości operacyjnej 0.84 m, pole elektryczne pozostaje znacznie poniżej progu rozpadu powietrza, nie stanowiąc ryzyka wyładowania elektrycznego i zapewniając bezpieczne działanie systemu inspekcji z robotycznym ramieniem zamontowanym na dronie.

2.2.2 Wydajność systemu inspekcji w odległości 0.34 m od linii UHV
Nasza firma również przeprowadziła symulacje eksperymentów, aby przeanalizować stan operacyjny systemu inspekcji z robotycznym ramieniem zamontowanym na dronie i rozkład pola elektrycznego w pobliżu przewodu, gdy jest on umieszczony w odległości tylko 0.34 m od linii UHV.

Tabela 1: Maksymalne wartości siły pola elektrycznego i napięcia odpowiadające każdemu składnikowi systemu inspekcji z robotycznym ramieniem zamontowanym na dronie

Wyniki symulacji wykazały, że w warunkach utrzymania tej odległości rozdzielenia, zmieniło się rozłożenie przestrzenne pola elektrycznego wokół linii przesyłowej po lewej stronie ramienia robota. Ze względu na unikalny środowisku lini przesyłowych napięcia nadprzewodnikowego (UHV), wysokie napięcia elektryczne są bardzo narażone na powstawanie łuków elektrycznych i problemów z powierzchniowym przebiciem izolacji.

Jednocześnie analiza zmian potencjału różnych komponentów systemu wykazała, że wraz ze wzrostem odległości między systemem inspekcji montowanym na dronie z ramieniem robota a linią UHV, potencjał elektryczny wszystkich komponentów odpowiednio maleje.

Na podstawie danych zawartych w tabeli 2, gdy system inspekcji znajduje się w odległości 0,34 m od linii UHV, maksymalna siła pola elektrycznego doświadczana przez każdy komponent systemu nie przekracza siły dielektrycznej zniszczenia powietrza. Zatem można stwierdzić, że nie wystąpi ryzyko zniszczenia podczas operacji konserwacyjnej, co zapewnia bezpieczeństwo i niezawodność systemu inspekcji montowanego na dronie z ramieniem robota w praktycznym zastosowaniu.

Tabela 2: Maksymalna siła pola elektrycznego i wartości napięć odpowiadające każdemu komponentowi systemu inspekcji montowanego na dronie z ramieniem robota

2.3 Testy odporności na zakłócenia zastosowane do ramienia robota montowanego na dronie w utrzymaniu linii przesyłowych

W celu przeprowadzenia testu osłony drona, sprzęt testowy obejmował dron pokryty farbą przewodzącą oraz multimeter. Farba przewodząca została równomiernie naniesiona na powierzchnię drona z grubością nieprzekraczającą 0,05 mm. W normalnych warunkach środowiskowych zmierzono opór wewnętrznego między dwoma punktami na powierzchni drona; wartość poniżej 1 Ω oznacza zgodność ze standardem.

Test distorsji obrazu: Przy zastosowaniu technologii ramienia robota montowanego na dronie do inspekcji linii, może wystąpić distorsja obrazu z powodu czynników takich jak dokładność obiektywu kamery gimbala i jakość procesów montażowych. Taka distorsja powoduje rozbieżności między ujętymi obrazami a rzeczywistą sceną, co potencjalnie utrudnia personelowi serwisowemu dokładne identyfikowanie usterek lub defektów na liniach UHV (ultrawysokiego napięcia).

Aby rozwiązać ten problem, nasz zespół techniczny opracował model korekcji distorsji obrazu oparty na charakterystykach obiektywu kamery gimbala. Model ten wyraża się następującym wzorem:

W formule:
x,y to oryginalne współrzędne punktu tangencjalnej distorsji w systemie obrazowania;
x′,y′ to nowe współrzędne punktu po korekcji distorsji;
p1,p2 to parametry tangencjalnej distorsji;
r to odległość promieniowa od środka obrazu.

Distorsja obiektywu kamery dzieli się głównie na dwa typy: tangencjalną i radialną. Tangencjalna distorsja występuje głównie dlatego, że elementy soczewki i płaszczyzna obrazu kamery nie są idealnie równoległe. Natomiast radialna distorsja występuje, ponieważ promienie świetlne są bardziej znacznie wygięte w pozycjach dalszych od optycznego środka soczewki, co powoduje distorsję rozłożoną wzdłuż kierunku promieniowego soczewki. Radialną distorsję można wyrazić następującym wzorem:

W formule:
x,y to oryginalne współrzędne punktu radialnej distorsji w systemie obrazowania;
x′,y′ to nowe współrzędne punktu po korekcji distorsji;
k1,k2,k3 to parametry radialnej distorsji;
r to odległość promieniowa od środka obrazu.

Na tej podstawie firma proponuje zastosowanie metody kalibracji Zhang, aby zidentyfikować komponenty radialnej distorsji, które mają największy wpływ na tworzenie obrazu, i odtworzyć parametry modelu. To umożliwia wzajemne mapowanie współrzędnych obiektów w zdefiniowanym globalnym układzie współrzędnych i pikseli w płaszczyźnie obrazu, co umożliwia dokonanie kalibracji kamery gimbala. Ten podejście efektywnie zmniejsza wpływ tolerancji produkcji soczewek i procesów montażowych na dokładność obrazu, zwiększa jego jasność i zapewnia, że wysokiej rozdzielczości obrazy linii UHV są transmitowane do systemu w czasie rzeczywistym bez opóźnienia. To dostarcza personelowi serwisowemu wiarygodnych danych wizualnych do dokładnej oceny, czy na liniach występują usterki lub defekty.

Podsumowując, proponowana w tym artykule technologia inspekcji z użyciem ramienia robota montowanego na dronie spełnia obecne wymagania dotyczące utrzymania linii UHV, takie jak niska zużycie energii, długotrwałość, niskie koszty, duża nośność ładunku i silne percepcja środowiska. Przeciwstawia się kluczowym technicznym butelkowcom w zastępowaniu tradycyjnych metod ręcznej inspekcji przez drony, podnosząc ogólny poziom operacji utrzymaniowych i wzmocniając bezpieczeństwo i niezawodność przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej.