Исследование и анализ технологий замены на основе дронов для обслуживания сверхвысоковольтных линий электропередачи

В определенном регионе после технического обслуживания сверхвысоковольтных (СВВ) линий электропередачи были выявлены следующие проблемы: существующие дроны не обладают достаточной производительностью для удовлетворения текущих масштабных и обширных потребностей в инспекции и обслуживании СВВ-линий. В практической эксплуатации дроны демонстрируют недостаточную автономность, ограниченные возможности сбора изображений и слабую устойчивость к электромагнитным помехам (ЭМП), что негативно влияет на эффективность инспекции и препятствует точному идентифицированию дефектов СВВ-линий.

Из-за значительной протяженности СВВ-линий и влияния местных природных условий, дроны, оснащенные устройствами обнаружения, не могут поддерживать длительный полет, снижая тем самым эффективность инспекции. В данном случае даже гибридные дроны с электрическим и бензиновым приводом достигали продолжительности полета менее 3 часов, что требовало частой замены аккумуляторов во время инспекций. Кроме того, существующие системы инспекции на основе дронов не обладают полной функциональностью — они не поддерживают многомерные и многофункциональные возможности инспекции, что приводит к недостаточной точности проверки. Это может привести к задержке обнаружения и устранения неисправностей линии или других дефектов, напрямую влияя на нормальную передачу электроэнергии.

Для решения этих проблем наша компания разработала новую технологию инспекции СВВ-линий, которая включает манипулятор, установленный на дроне. Это решение адаптировано к конкретной инфраструктуре СВВ в регионе и основано на текущей производительности дронов в обслуживании линий. Оно направлено на решение вышеупомянутых проблем, а также на удовлетворение ключевых требований: низкое энергопотребление, увеличенная автономность, низкая стоимость, высокая грузоподъемность и сильное восприятие окружающей среды.

1. Техническое решение: Манипулятор, установленный на дроне, для обслуживания СВВ-линий
1.1 Концепция дизайна
Ключевые аспекты данной технологии включают дизайн изоляции, управление движением манипулятора и вспомогательные подсистемы. Обеспечение рационального технического дизайна необходимо для эффективного решения существующих проблем обслуживания СВВ и преодоления барьеров внедрения.

Наша компания всесторонне оценила требования по изоляции, предъявляемые к манипулятору в условиях обслуживания СВВ. На основе этого мы рассчитали максимальную силу электрического поля и изменения напряжения, испытываемые манипулятором, роторами, рамой и фюзеляжем на различных расстояниях от живых проводников. Затем были спроектированы целевые испытания на производительность, чтобы информировать последующие усовершенствования технического решения.

Мы выбрали представительные сценарии обслуживания СВВ для определения стандартных операционных процедур и мер безопасности. Многосвободная структура манипулятора была оптимизирована для идентификации наиболее совместимой конфигурации дрон-манипулятор. Учитывая уникальные условия эксплуатации, мы также предложили модернизацию исходного оборудования для сбора изображений и программного/аппаратного обеспечения передачи данных в рамках кейса для улучшения качества изображений в реальном времени.

1.2 Меры по снижению электромагнитных помех (ЭМП)
СВВ-линии в данном случае имеют длинные пролеты и пересечения, создавая сложную и динамическую электромагнитную среду. Сильные электромагнитные поля вокруг линий и интенсивные сигналы от близлежащих базовых станций связи могут сильно мешать коммуникациям системы дрон-манипулятор. Кроме того, передача данных на большие расстояния во время работы манипулятора может вызвать взаимные помехи, нарушая безопасность эксплуатации.

Для противодействия этому наша компания предлагает следующие меры по экранированию ЭМП:

• Анализ возможного ущерба, наносимого внутренней электронике дрона сильными электромагнитными полями вблизи СВВ-линий.

• Применение экранирования к поверхности фюзеляжа, сигнальным кабелям и всем швам корпуса.

• Равномерное нанесение проводящего покрытия заданной толщины на внешнюю поверхность дрона для снижения электромагнитных помех. Для компонентов, не подходящих для покрытия, используется соединение медными проводниками для достижения эквивалентной эффективности экранирования.

1.3 Конструктивный дизайн манипулятора
Как показано на рисунке 1, манипулятор состоит из:
(1) захват; (2) защитный короб сервопривода; (3) адаптер детектора нулевого значения; (4) адаптер высоковольтного тестера; (5) изолирующая палка; (6) ограничительная палка; (7) эпоксидный слой изоляции; (8) специальный подшипниковый чехол для шага; (9) связующая палка; (10) специальный подшипниковый чехол для крена.

Учитывая требования к изоляции в условиях СВВ, наша компания предлагает установить изолирующие болты между нижней частью дрона и шасси. Стальная рама соединяет нижнюю сторону изолирующего слоя со специальным подшипниковым чехлом для шага, который фиксируется снаружи вокруг металлического подшипника. Сервопривод шага установлен справа от подшипника, приводя механизм шага, что позволяет манипулятору двигаться вверх и вниз.

Учитывая помехи, вызванные сильными электромагнитными полями в пространстве вокруг линий электропередачи, наша компания предлагает установить линии управления сервоприводом внутри изолирующей палки и оборудовать сервопривод специальным изолированным защитным корпусом. Это эффективно изолирует сервопривод от электромагнитных импульсов, генерируемых внешней высоковольтной средой. Кроме того, медные проводники применяются к зазорам вокруг сервопривода для создания равнопотенциального соединения, что снижает риск разрушения внутренней электроники сервопривода из-за воздействия электромагнитных волн.

2. Моделирование инспекции СВВ-линий с использованием манипулятора, установленного на дроне
2.1 Дизайн моделирования
На основе записей по обслуживанию СВВ-линий в рамках данного исследования были получены следующие структурные параметры: общая высота прямолинейной опоры составляет 3200 мм; большой радиус изолятора составляет 2400 мм; средний радиус изолятора составляет 3200 мм; малый радиус изолятора составляет 2700 мм; диаметр проводника составляет 17,48 мм, как показано на рисунке 2.

В ходе симуляционного эксперимента для системы дрона были выбраны углеродные волокна для лопастей, рамы и фюзеляжа, чтобы повысить общую производительность.

Учитывая влияние окружающего пространственного электрического поля на обслуживание сверхвысоковольтных (UHV) линий передачи с помощью дронов, наша компания впервые разработала симуляционную модель системы осмотра с роботизированной рукой, установленной на дрон. С использованием метода конечных элементов мы определили конкретное воздействие электрического поля вокруг линий UHV на операции по обслуживанию дронами. Кроме того, мы проанализировали максимальную силу электрического поля и вариации напряжения, испытываемые роботизированной рукой, корпусом, роторами и фюзеляжем при различных расстояниях между левой стороной роботизированной руки и проводником. Это позволяет нам оценить, существуют ли потенциальные опасности безопасности при выполнении задач инспекции в непосредственной близости.

2.2 Процесс симуляции
2.2.1 Производительность системы осмотра на расстоянии 0,84 м от линии UHV
Наша компания провела симуляционные эксперименты на системе осмотра с роботизированной рукой, установленной на дрон, чтобы более детально проанализировать ее состояние работы и распределение пространственного электрического поля вблизи проводника при расстоянии 0,84 м от линии UHV.

Результаты симуляции показали, что при этом рабочем состоянии не было обнаружено значительных неблагоприятных эффектов электрического поля на всей системе осмотра. Однако на левой стороне роботизированной руки был зафиксирован незначительный рост интенсивности электрического поля. В целом, если местная сила электрического поля превышает диэлектрическую прочность воздуха (30 кВ/см), увеличивается риск разрушения компонентов, что угрожает стабильности и безопасности системы.

Кроме того, изучив распределение потенциала (напряжения) по компонентам системы, мы обнаружили, что по мере увеличения расстояния между системой осмотра, установленной на дрон, и линией UHV, электрический потенциал всех компонентов снижается соответственно. На основе этих изменений потенциала мы определили уровни напряжения и максимальные значения силы электрического поля, которые испытывают каждый компонент в условиях обслуживания.

Как показано в таблице 1, когда система осмотра находится на расстоянии 0,84 м от линии UHV, роботизированная рука испытывает силу электрического поля 3712 В/м и напряжение 2069 В. Сравнение левых и правых роторов показало, что левые роторы постоянно подвергаются большей силе электрического поля и напряжению, чем правые роторы. Все данные указывают на то, что при рабочем расстоянии 0,84 м сила электрического поля остается значительно ниже порога пробоя воздуха, что исключает риск электрического разряда и обеспечивает безопасную работу системы осмотра с роботизированной рукой, установленной на дрон.

2.2.2 Производительность системы осмотра на расстоянии 0,34 м от линии UHV
Наша компания также провела симуляционные эксперименты, чтобы проанализировать состояние работы системы осмотра с роботизированной рукой, установленной на дрон, и распределение пространственного электрического поля вблизи проводника при расстоянии всего 0,34 м от линии UHV.

Таблица 1: Максимальные значения силы электрического поля и напряжения, соответствующие каждому компоненту системы осмотра с роботизированной рукой, установленной на дрон

Результаты моделирования показали, что при соблюдении этого условия поддержания расстояния, пространственное распределение электрического поля вокруг линии электропередачи слева от манипулятора изменилось. В уникальных условиях ультравысоковольтных (УВВ) линий электропередачи высоковольтные электрические поля склонны вызывать проблемы с искрением и поверхностными пробоями.

В то же время, анализируя изменения потенциала различных компонентов системы, было обнаружено, что по мере увеличения расстояния между системой инспекции с манипулятором, установленным на дрон, и УВВ линией электропередачи, электрический потенциал всех компонентов соответственно уменьшается.

Согласно данным в таблице 2, когда система инспекции находится на расстоянии 0,34 м от УВВ линии электропередачи, максимальная напряженность электрического поля, испытываемая любым компонентом системы, не превышает диэлектрическую прочность воздуха. Таким образом, можно сделать вывод, что во время операций по обслуживанию риск пробоя отсутствует, что обеспечивает безопасность и надежность системы инспекции с манипулятором, установленным на дрон, в практических применениях.

Таблица 2: Максимальная напряженность электрического поля и значения напряжения, соответствующие каждому компоненту системы инспекции с манипулятором, установленным на дрон

2.3 Тесты на устойчивость к помехам манипулятора, установленного на дрон, при обслуживании линий электропередачи

Для тестирования экранирующих свойств дрона использовалось оборудование, включающее дрон, покрытый проводящей краской, и мультиметр. Проводящая краска равномерно наносилась на поверхность дрона слоем толщиной не более 0,05 мм. В нормальных условиях окружающей среды измерялось внутреннее сопротивление между двумя точками на поверхности дрона; значение менее 1 Ом указывает на соответствие заданному стандарту.

Тест на искажение изображения: При применении технологии манипулятора, установленного на дрон, для осмотра линий, возможно возникновение искажений изображения вследствие таких факторов, как собственная точность объектива камеры на кардане и качество сборки. Такие искажения приводят к расхождению между захваченными изображениями и реальной картиной, что может затруднить способность персонала по обслуживанию точно определять неисправности или дефекты на линиях сверхвысокого напряжения (СВН).

Для решения этой проблемы наша техническая команда разработала модель коррекции искажения изображения на основе характеристик искажения объектива камеры на кардане. Эта модель выражается следующей формулой:

В формуле:
x,y — исходные координаты точки тангенциального искажения в системе формирования изображения;
x′,y′ — новые координаты точки после коррекции искажения;
p1,p2 — параметры тангенциального искажения;
r — радиальное расстояние от центра изображения.

Искажения объектива камеры в основном подразделяются на два типа: тангенциальные и радиальные. Тангенциальное искажение возникает главным образом из-за того, что элементы объектива и плоскость изображения камеры не находятся в идеально параллельном положении. Радиальное искажение, с другой стороны, происходит из-за того, что световые лучи больше гнутся на позициях, удаленных от оптического центра объектива, что приводит к искажению, распределенному вдоль радиального направления объектива. Радиальное искажение можно выразить следующей формулой:

В формуле:
x,y — исходные координаты точки радиального искажения в системе формирования изображения;
x′,y′ — новые координаты точки после коррекции искажения;
k1,k2,k3 — параметры радиального искажения;
r — радиальное расстояние от центра изображения.

На этом основании наша компания предлагает использовать метод калибровки Чжана для идентификации компонентов радиального искажения, наиболее значительно влияющих на формирование изображения, и реконструкции параметров модели. Это позволяет осуществить взаимное отображение между координатами объектов в определенной мировой системе координат и пиксельными координатами на плоскости изображения, тем самым завершая калибровку камеры на кардане. Этот подход эффективно снижает влияние допусков изготовления объектива и процессов сборки на точность изображения, повышает четкость изображения и обеспечивает передачу высокочетких изображений линий сверхвысокого напряжения (СВН) в систему в режиме реального времени без задержек. Это предоставляет персоналу по обслуживанию надежные визуальные данные для точной оценки наличия неисправностей или дефектов на линиях.

В заключение, технология осмотра с помощью манипулятора, установленного на дрон, предложенная в данной работе, удовлетворяет текущим требованиям к обслуживанию линий сверхвысокого напряжения (СВН) в отношении низкого энергопотребления, длительного времени работы, низкой стоимости, высокой грузоподъемности и сильного восприятия окружающей среды. Она преодолевает ключевые технические барьеры, связанные с заменой традиционных методов ручного осмотра дронами, повышает общий уровень операций по обслуживанию и укрепляет безопасность и надежность передачи и распределения электроэнергии.