Pesquisa e Análise sobre Tecnologias Baseadas em Drones para Substituição na Manutenção de Linhas de Transmissão de Ultra-Alta Tensão

Em uma certa região, após a manutenção de linhas de transmissão de ultra-alta tensão (UAT), foram identificados os seguintes problemas: os drones existentes não possuem desempenho suficiente para atender às atuais demandas de inspeção e manutenção em larga escala das linhas UAT. Nas operações práticas, os drones apresentam durabilidade insuficiente, capacidade limitada de aquisição de imagens e baixa resistência à interferência eletromagnética (EMI), o que impacta negativamente a eficácia da inspeção e impede a identificação precisa de defeitos nas linhas UAT.

Devido ao considerável comprimento das linhas de transmissão UAT e à influência do ambiente natural local, os drones equipados com dispositivos de detecção não conseguem manter voos prolongados, reduzindo a eficiência da inspeção. No caso citado, mesmo os drones híbridos a óleo-elétrico alcançaram uma duração de voo inferior a 3 horas, exigindo frequentes substituições de bateria durante as inspeções. Além disso, os sistemas de inspeção baseados em drones atuais carecem de funcionalidades completas - não suportam capacidades de inspeção multidimensionais e multifuncionais - resultando em precisão de inspeção insuficiente. Isso pode atrasar a detecção e o tratamento de falhas na linha ou outros defeitos, afetando diretamente a transmissão normal de energia.

Para abordar esses desafios, nossa empresa desenvolveu uma nova tecnologia de inspeção de linhas de transmissão UAT que integra um braço robótico montado em um drone. Esta solução é adaptada à infraestrutura UAT específica da região e informada pelo desempenho atual dos drones em manutenção de linhas. Visa resolver as questões mencionadas, atendendo aos requisitos-chave: baixo consumo de energia, maior durabilidade, baixo custo, alta capacidade de carga útil e forte percepção ambiental.

1.Solução Técnica: Braço Robótico Montado em Drone para Manutenção de Linhas UAT
1.1 Conceito de Design
Considerações críticas para esta tecnologia incluem design de isolamento, controle de movimento do braço robótico e subsistemas de apoio. Garantir um design técnico racional é essencial para resolver eficazmente os desafios de manutenção UAT existentes e superar gargalos de implementação.

Nossa empresa avaliou de forma abrangente os requisitos de isolamento impostos pelo ambiente de manutenção UAT no braço robótico. Com base nisso, calculamos a máxima intensidade do campo elétrico e as variações de tensão experimentadas pelo braço, rotores, estrutura e fuselagem em várias distâncias dos condutores energizados. Testes de desempenho direcionados foram então projetados para informar refinamentos subsequentes da solução técnica.

Selecionamos cenários representativos de manutenção UAT para definir procedimentos operacionais padrão e protocolos de segurança. A estrutura de múltiplos graus de liberdade do braço robótico foi otimizada para identificar a configuração mais compatível de drone-manipulador. Considerando o ambiente operacional único, também propusemos a atualização do hardware de aquisição de imagens e do software/hardware de transmissão de dados no estudo de caso para melhorar a qualidade de imagem em tempo real.

1.2 Medidas de Atenuação de Interferência Eletromagnética (IEE)
As linhas UAT no caso envolvem longos trechos e cruzamentos, criando um ambiente eletromagnético complexo e dinâmico. Campos eletromagnéticos fortes ao redor das linhas e sinais intensos de estações de comunicação próximas podem interferir severamente nas comunicações do sistema drone-manipulador. Além disso, a transmissão de dados em longa distância durante as operações do manipulador pode causar crosstalk, comprometendo a segurança operacional.

Para contrariar isso, nossa empresa propõe as seguintes medidas de blindagem IEE:

• Analisar o potencial dano causado por campos eletromagnéticos de alta intensidade perto das linhas UAT ao circuito interno do drone.

• Aplicar tratamentos de blindagem na superfície da aeronave, cabos de sinal e todas as juntas de casco.

• Aplicar uniformemente uma camada condutiva de espessura especificada na parte externa do drone para mitigar a interferência eletromagnética. Para componentes inadequados para revestimento, o enlace de fios de cobre é usado para alcançar eficácia de blindagem equivalente.

1.3 Design Estrutural do Braço Robótico
Como mostrado na Figura 1, o braço robótico compreende:
(1) Garra; (2) Caixa de proteção do servo; (3) Adaptador de detector de valor zero; (4) Adaptador de testador de alta tensão; (5) Vara isolante; (6) Vara limitadora; (7) Camada isolante de resina epóxi; (8) Manga de rolamento específico de passo; (9) Vara de acoplamento; (10) Manga de rolamento específica de rolagem.

Considerando os requisitos de isolamento em ambientes UAT, nossa empresa propõe a instalação de parafusos isolantes entre a parte inferior do drone e o trem de pouso. Uma estrutura de aço conecta o lado inferior da camada isolante à manga de rolamento específico de passo, que é fixada externamente ao redor de um rolamento de metal. O motor servo de passo é montado no lado direito do rolamento, acionando o mecanismo de passo para permitir o movimento para cima e para baixo do braço robótico.

Considerando a interferência causada pelos campos eletromagnéticos de alta intensidade no espaço ao redor das linhas de transmissão, nossa empresa propõe a instalação de linhas de acionamento do motor servo dentro da vara isolante e equipar o servo com uma caixa protetora isolada dedicada. Isso isola efetivamente o servo das sobretensões eletromagnéticas geradas pelo ambiente externo de alta tensão. Além disso, o enlace de fios de cobre é aplicado nas lacunas ao redor do servo para alcançar ligação de potencial equivalente, reduzindo o risco de quebra induzida por ondas eletromagnéticas no circuito interno do servo.

2.Experimento de Simulação de Inspeção de Linhas de Transmissão UAT Usando um Braço Robótico Montado em Drone
2.1 Design de Simulação
Com base nos registros de manutenção das linhas de transmissão UAT no estudo de caso, foram obtidos os seguintes parâmetros estruturais: a altura total da torre em linha reta é de 3200 mm; o raio grande do chapeleiro é de 2400 mm; o raio médio do chapeleiro é de 3200 mm; o raio pequeno do chapeleiro é de 2700 mm; e o diâmetro do condutor é de 17,48 mm, conforme mostrado na Figura 2.

No experimento de simulação, o sistema de drone selecionou materiais de fibra de carbono para as hélices, estrutura e fuselagem para melhorar seu desempenho geral.

Levando em consideração a influência do campo elétrico espacial circundante nas operações de manutenção baseadas em drones para linhas de transmissão de ultra-alta tensão (UHV), nossa empresa desenvolveu inicialmente um modelo de simulação do sistema de inspeção com braço robótico montado em drone. Utilizando análise por elementos finitos, determinamos o impacto específico do campo elétrico ao redor das linhas UHV nas operações de manutenção do drone. Além disso, analisamos a força máxima do campo elétrico e as variações de tensão experimentadas pelo braço robótico, fuselagem, hélices e estrutura sob diferentes distâncias entre o lado esquerdo do braço robótico e o condutor. Isso nos permite avaliar se existem riscos potenciais de segurança durante tarefas de inspeção de proximidade.

2.2 Processo de Simulação
2.2.1 Desempenho do Sistema de Inspeção a 0,84 m da Linha de Transmissão UHV
Nossa empresa realizou experimentos de simulação no sistema de inspeção com braço robótico montado em drone para analisar ainda mais seu estado operacional e a distribuição do campo elétrico espacial próximo ao condutor quando posicionado a 0,84 m da linha de transmissão UHV.

Os resultados da simulação mostraram que, nessas condições de trabalho, não foram observados efeitos adversos significativos do campo elétrico no sistema de inspeção como um todo. No entanto, foi detectado um ligeiro aumento na intensidade do campo elétrico no lado esquerdo do braço robótico. Geralmente, se a força local do campo elétrico exceder a resistência dielétrica de ruptura do ar (30 kV/cm), o risco de falha dos componentes aumenta, comprometendo a estabilidade e a segurança do sistema.

Além disso, examinando a distribuição de potencial (tensão) através dos componentes do sistema, descobrimos que, à medida que a distância entre o sistema de inspeção montado em drone e a linha UHV aumenta, o potencial elétrico de todos os componentes diminui proporcionalmente. Com base nessas variações de potencial, determinamos os níveis de tensão e as forças máximas do campo elétrico que cada componente experimenta no ambiente de manutenção.

Como mostrado na Tabela 1, quando o sistema de inspeção está a 0,84 m da linha UHV, o braço robótico experimenta uma força de campo elétrico de 3712 V/m e uma tensão de 2069 V. Uma comparação entre as hélices esquerda e direita revelou que a hélice esquerda suporta consistentemente uma força de campo elétrico e tensão maiores do que a hélice direita. Todos os dados indicam que, nesta distância operacional de 0,84 m, o campo elétrico permanece bem abaixo do limiar de ruptura do ar, não oferecendo risco de descarga elétrica e garantindo a operação segura do sistema de inspeção com braço robótico montado em drone.

2.2.2 Desempenho do Sistema de Inspeção a 0,34 m da Linha de Transmissão UHV
Nossa empresa também realizou experimentos de simulação para analisar o estado operacional do sistema de inspeção com braço robótico montado em drone e a distribuição do campo elétrico espacial próximo ao condutor quando posicionado a apenas 0,34 m da linha de transmissão UHV.

Tabela 1: Força Máxima do Campo Elétrico e Valores de Tensão Correspondentes a Cada Componente do Sistema de Inspeção com Braço Robótico Montado em Drone

Os resultados da simulação mostraram que, sob esta condição de manutenção da distância de separação, a distribuição espacial do campo elétrico ao redor da linha de transmissão à esquerda do braço robótico mudou. Devido ao ambiente único das linhas de transmissão de ultra-alta tensão (UHV), os campos elétricos de alta tensão são altamente propensos a causar problemas de arco e flashover superficial.

Ao mesmo tempo, analisando as variações de potencial de vários componentes do sistema, descobriu-se que, à medida que a distância entre o sistema de inspeção com braço robótico montado em drone e a linha de transmissão UHV aumenta, o potencial elétrico de todos os componentes diminui correspondentemente.

De acordo com os dados na Tabela 2, quando o sistema de inspeção está posicionado a 0,34 m da linha de transmissão UHV, a intensidade máxima do campo elétrico experimentada por qualquer componente no sistema não ultrapassa a resistência dielétrica de ruptura do ar. Portanto, conclui-se que não haverá risco de ruptura durante a operação de manutenção, garantindo a segurança e confiabilidade do sistema de inspeção com braço robótico montado em drone em aplicações práticas.

Tabela 2: Intensidade Máxima do Campo Elétrico e Valores de Tensão Correspondentes a Cada Componente do Sistema de Inspeção com Braço Robótico Montado em Drone

2.3 Testes de Capacidade Anti-Interferência do Braço Robótico Montado em Drone para Manutenção de Linhas de Transmissão

Para o teste de desempenho de blindagem do drone, o equipamento de teste incluiu um drone revestido com tinta condutora e um multímetro. A tinta condutora foi aplicada uniformemente na superfície do drone com uma espessura não superior a 0,05 mm. Em condições ambientais normais, a resistência interna entre dois pontos na superfície do drone foi medida; um valor inferior a 1 Ω indica conformidade com o padrão especificado.

Teste de distorção de imagem: Ao aplicar a tecnologia do braço robótico montado em drone para inspeção de linhas, pode ocorrer distorção de imagem devido a fatores como a precisão inerente da lente da câmera giroscópica e a qualidade dos processos de montagem. Essa distorção causa discrepâncias entre as imagens capturadas e a cena real, potencialmente prejudicando a capacidade do pessoal de manutenção de identificar com precisão falhas ou defeitos nas linhas de transmissão de ultra-alta tensão (UHT).

Para resolver esse problema, nossa equipe técnica desenvolveu um modelo de correção de distorção de imagem com base nas características de distorção da lente da câmera giroscópica. Este modelo é expresso pela seguinte fórmula:

Na fórmula:
x,y são as coordenadas originais de um ponto de distorção tangencial no sistema de imagem;
x′,y′ são as novas coordenadas do ponto após a correção de distorção;
p1,p2 são os parâmetros de distorção tangencial;
r é a distância radial do centro da imagem.

A distorção da lente da câmera é principalmente categorizada em dois tipos: tangencial e radial. A distorção tangencial ocorre principalmente porque os elementos da lente e o plano de imagem da câmera não são perfeitamente paralelos. Por outro lado, a distorção radial ocorre porque os raios de luz se curvam mais significativamente em posições mais afastadas do centro óptico da lente, resultando em distorção distribuída ao longo da direção radial da lente. A distorção radial pode ser expressa pela seguinte fórmula:

Na fórmula:
x,y são as coordenadas originais de um ponto de distorção radial no sistema de imagem;
x′,y′ são as novas coordenadas do ponto após a correção de distorção;
k1,k2,k3 são os parâmetros de distorção radial;
r é a distância radial do centro da imagem.

Com base nisso, nossa empresa propõe usar o método de calibração de Zhang para identificar os componentes de distorção radial que mais afetam a formação da imagem e reconstruir os parâmetros do modelo. Isso permite o mapeamento mútuo entre as coordenadas do objeto em um sistema de coordenadas mundial definido e as coordenadas de pixel no plano da imagem, completando assim a calibração da câmera giroscópica. Esta abordagem mitiga efetivamente o impacto das tolerâncias de fabricação da lente e dos processos de montagem na precisão da imagem, aumenta a clareza da imagem e garante que as imagens de alta definição das linhas de transmissão de ultra-alta tensão (UHT) sejam transmitidas de volta ao sistema em tempo real sem atraso. Isso fornece ao pessoal de manutenção dados visuais confiáveis para avaliar com precisão se existem falhas ou defeitos nas linhas.

Em resumo, a tecnologia de inspeção com braço robótico montado em drone proposta neste artigo atende aos requisitos atuais de manutenção de linhas de transmissão de ultra-alta tensão (UHT) em termos de baixo consumo de energia, longa duração, baixo custo, alta capacidade de carga útil e forte percepção ambiental. Ela supera os principais gargalos técnicos na substituição dos métodos tradicionais de inspeção manual por drones, eleva o nível geral das operações de manutenção e reforça a segurança e confiabilidade da transmissão e fornecimento de energia.