Raziskave in analiza dronskih tehnologij za nadomeščanje pri vzdrževanju prenosnih vodov visoke napetosti

V določeni regiji so po vzdrževanju prenosnih vrstic visoke napetosti (UHV) identificirani naslednji problemi: obstoječi droni nimajo dovolj dobrih lastnosti, da bi zadostili trenutnim velikim in obsežnim zahtevam za pregledovanje in vzdrževanje UHV vrstic. V praksi droni prikazujejo nedostatočno izdržljivost, omejeno zmogljivost zajemanja slik in slabo odpornost na elektromagnetsko motnjo (EMI), kar negativno vpliva na učinkovitost pregledovanja in onemogoča natančno zaznavanje defektov UHV vrstic.

Zaradi velike dolžine prenosnih vrstic UHV in vpliva lokalne naravne okolice droni opremljeni s kontrolnimi napravami ne morejo leteti dolgo, kar zmanjšuje učinkovitost pregledovanja. V navedenem primeru so celo dizelsko-električni hibridni droni dosegli letalski čas manj kot 3 ur, kar je zahtevalo pogosto menjavo baterij med pregledi. Poleg tega trenutni sistemi za pregledovanje z uporabo dронов не имеют достаточной функциональности — они не поддерживают многомерные и многофункциональные возможности инспекции, что приводит к недостаточной точности осмотра. Это может задержать обнаружение и устранение дефектов линий или других проблем,直接影响电力传输的正常运行。

为了解决这些挑战，我们公司开发了一种新的超高压输电线路检测技术，该技术将机械臂集成在无人机上。这一解决方案是针对该地区的特定超高压基础设施量身定制的，并基于当前无人机在线路维护中的应用性能进行设计。它旨在解决上述问题，同时满足关键要求：低功耗、延长续航时间、低成本、高负载能力和强大的环境感知能力。

1. 技术方案：用于超高压线路维护的无人机搭载机械臂
1.1 设计理念
这项技术的关键考虑因素包括绝缘设计、机械臂运动控制和支持子系统。确保合理的技术设计对于有效解决现有的超高压维护挑战并克服实施瓶颈至关重要。

我们公司全面评估了超高压维护环境中对机械臂的绝缘要求。在此基础上，我们计算了机械臂、旋翼、框架和机身在不同距离下接触带电导体时所经历的最大电场强度和电压变化。然后设计了针对性的性能测试，以指导后续技术方案的改进。

我们选择了具有代表性的超高压维护场景来定义标准操作程序和安全协议。优化了机械臂的多自由度结构，以确定最兼容的无人机-机械臂配置。鉴于独特的操作环境，我们还提出了升级案例研究中的原始图像采集硬件和数据传输软硬件，以提高实时图像质量。

1.2 电磁干扰（EMI）缓解措施
案例中的超高压线路涉及长跨度和交叉，形成了复杂且动态的电磁环境。线路周围的强电磁场以及附近通信基站的强烈信号可能会严重干扰无人机-机械臂系统的通信。此外，在机械臂操作期间的长距离数据传输可能会导致串扰，从而危及操作安全。

为此，我们公司提出以下电磁屏蔽措施：

• 分析超高压线路附近的高强度电磁场可能对无人机内部电路造成的潜在损害。

• 对机身表面、信号电缆和所有外壳接缝进行屏蔽处理。

• 在无人机外部均匀喷涂指定厚度的导电涂层，以减轻电磁干扰。对于不适合喷涂的部件，使用铜线绑定以实现等效的屏蔽效果。

1.3 机械臂结构设计
如图1所示，机械臂由以下部分组成：
(1) 夹爪；(2) 伺服保护箱；(3) 零值检测适配器；(4) 高压测试适配器；(5) 绝缘棒；(6) 限位杆；(7) 环氧树脂绝缘层；(8) 俯仰专用轴承套；(9) 连杆；(10) 滚转专用轴承套。

考虑到超高压环境中的绝缘要求，我们公司建议在无人机底部和起落架之间安装绝缘螺栓。钢架连接绝缘层的下侧与俯仰专用轴承套，后者固定在外围金属轴承周围。俯仰伺服电机安装在轴承右侧，驱动俯仰机构使机械臂能够上下移动。

考虑到输电线路周围空间中高强度电磁场的干扰，我们公司建议将伺服电机驱动线安装在绝缘棒内，并为伺服电机配备专用的绝缘保护外壳。这有效地隔离了伺服电机免受外部高压环境产生的电磁浪涌的影响。此外，还在伺服电机周围的间隙处应用铜线绑定，以实现等电位连接，从而降低电磁波引起的伺服电机内部电路击穿的风险。

2. 使用无人机搭载机械臂进行超高压输电线路检测的仿真试验
2.1 仿真设计
基于案例研究中超高压输电线路的维护记录，获得了以下结构参数：直线塔总高度为3200毫米；大伞半径为2400毫米；中伞半径为3200毫米；小伞半径为2700毫米；导线直径为17.48毫米，如图2所示。

V določeni regiji so po vzdrževanju prenosnih vrstic visoke napetosti (UHV) identificirani naslednji problemi: obstoječi droni nimajo dovolj dobrih lastnosti, da bi zadostili trenutnim velikim in obsežnim zahtevam za pregledovanje in vzdrževanje UHV vrstic. V praksi droni prikazujejo nedostatočno izdržljivost, omejeno zmogljivost zajemanja slik in slabo odpornost na elektromagnetsko motnjo (EMI), kar negativno vpliva na učinkovitost pregledovanja in onemogoča natančno zaznavanje defektov UHV vrstic.

Zaradi velike dolžine prenosnih vrstic UHV in vpliva lokalne naravne okolice droni opremljeni s kontrolnimi napravami ne morejo leteti dolgo, kar zmanjšuje učinkovitost pregledovanja. V navedenem primeru so celo dizelsko-električni hibridni droni dosegli letalski čas manj kot 3 ur, kar je zahtevalo pogosto menjavo baterij med pregledi. Poleg tega trenutni sistemi za pregledovanje z uporabo dронов не имеют достаточной функциональности — они не поддерживают многомерные и многофункциональные возможности инспекции, что приводит к недостаточной точности осмотра. Это может задержать обнаружение и устранение дефектов линий или других проблем,直接影响电力传输的正常运行。

Trenutni sistemi za pregledovanje z uporabo dронов ne zagotavljajo dovolj funkcionalnosti — ne podpirajo večdimenzionalnih in večfunkcijskih možnosti pregledovanja, kar vodi v nedostatočno točnost pregleda. To lahko odloži zaznavanje in odpravljanje težav na linijah ali drugih defektov, kar neposredno vpliva na normalno prenos električne energije.

Za reševanje teh izzivov je naša družba razvila nov tehnologijo za pregledovanje prenosnih vrstic visoke napetosti, ki združuje mehansko roko, montiranjo na dron. Ta rešitev je prilagojena specifični infrastrukturi UHV v regiji in temelji na trenutni uporabni zmogljivosti dронов za vzdrževanje vrstic. Cilj je rešiti navedene probleme in zadoščati ključnim zahtevam: nizka poraba energije, podaljšana trajnost letenja, nizke stroške, visoka nosilna zmogljivost in močno okoljsko zaznavanje.

1. Tehnična rešitev: Dron z mehansko roko za vzdrževanje UHV vrstic
1.1 Konceptualni načrt
Ključne premisleke za to tehnologijo vključujejo izolacijski načrt, krmiljenje gibanja mehanske roke in podpornih podsistav. Za učinkovito reševanje obstoječih izzivov pri vzdrževanju UHV in premočenje implementacijskih ovir je ključno, da je tehnični načrt smiselno obdelan.

Naša družba je celovito ocenila izolacijske zahteve, ki jih diktira okolje vzdrževanja UHV mehanski roki. Na tej osnovi smo izračunali največjo moč električnega polja in spremembe napetosti, ki jih mehanska roka, rotori, okvir in trup doživi na različnih razdaljah od živega vodnika. Nato smo izvršili ciljne testne preskuse, ki so posluzili za nadaljnje izboljšave tehnične rešitve.

Izbrali smo predstavniške scenarije vzdrževanja UHV, da bi definirali standardne postopke delovanja in varnostne protokole. Mehanska roka z večstopnjo prostostjo je bila optimizirana, da bi se določila najbolj skladna konfiguracija drona in manipulatorja. Z upoštevanjem edinstvenega operativnega okolja smo tudi predlagali nadgradnjo prvotne hardvera za zajemanje slik in softvera/hardvera za prenos podatkov v primeru študije, da bi izboljšali kakovost slike v realnem času.

1.2 Merila za zmanjševanje elektromagnetske motnje (EMI)
V primeru UHV vrstic so vpleteni dolgi razponi in preseki, kar ustvarja kompleksno in dinamično elektromagnetsko okolje. Močna elektromagnetska polja okoli vrstic in močni signali od bližnjih komunikacijskih baznih stanic lahko hudo motijo komunikacije sistema dron-manipulator. Poleg tega lahko med delovanjem manipulatorja dolgovečni prenos podatkov povzroči prekrivanje signalov, kar ogrozi varnost delovanja.

Za to je naša družba predlagala naslednja merila za ekraniranje EMI:

• Analiza možne škode, ki jo lahko povzroči močna elektromagnetska polja blizu UHV vrstic, notranjemu električnemu vezju drona.

• Uporaba ekranirnih obravnav na površini letala, signalkabelih in vseh ložnih šavah.

• Enakomerno nanesevanje prevodnega premaza določene debeline na zunanjo površino drona, da se zmanjša elektromagnetska motnja. Za dele, ki niso primerni za premaz, se uporablja povezava s kovinskim vodom, da se doseže enakovreden učinek ekraniranja.

1.3 Strukturni načrt mehanske roke
Kot je prikazano na Sliki 1, mehanska roka sestoji iz:
(1) Zagripalka; (2) Škatla za zaščito servomehanizma; (3) Adapter za detektor ničelne vrednosti; (4) Adapter za visokonapetostni test; (5) Izolator; (6) Omejevalna palica; (7) Epoxy resina izolacijska plast; (8) Ložna jagerka za nagib; (9) Povezovalna palica; (10) Ložna jagerka za valj.

Zaradi izolacijskih zahtev v okolju UHV je naša družba predlagala namestitev izolacijskih vratnikov med spodnjo stranjo drona in podmeti. Stalen okvir povezuje spodnjo stran izolacijske plasti z ložno jagerko za nagib, ki je fiksna zunaj metalne lega. Servomehanizem za nagib je montiran na desni strani lege in pogaja mehansko roko navzgor in navzdol.

Zaradi motnje, ki jo povzročajo močna elektromagnetska polja v prostoru okoli prenosnih vrstic, je naša družba predlagala namestitev vratnic za pogajanje servomehanizmov znotraj izolatorja in opremiti servomehanizem z posebno izolacijsko zaščitno škatlo. To učinkovito izolira servomehanizem pred elektromagnetskimi valovi, ki jih generira zunanje visokonapetostno okolje. Poleg tega se na robu servomehanizma uporablja povezava s kovinskim vodom, da se doseže enakovreden potencial, kar zmanjša tveganje za razpad notranjega električnega vezja servomehanizma zaradi elektromagnetskih valov.

2. Simulacijski poskus pregledovanja prenosnih vrstic visoke napetosti z uporabo drona z mehansko roko
2.1 Načrt simulacije
Na podlagi zapisov o vzdrževanju UHV prenosnih vrstic v primeru smo pridobili naslednje strukturne parametre: skupna višina ravne stolpa je 3200 mm; velika širina lopatic je 2400 mm; srednja širina lopatic je 3200 mm; majhna širina lopatic je 2700 mm; in premer vodnika je 17.48 mm, kot je prikazano na Sliki 2.

V simulacijskem poskusu je bila za vrtljaje, okvir in trup drona izbrana grafitna vlakna, da bi se izboljšala celotna zmogljivost sistema.

Z upoštevanjem vpliva okoliškega prostorskega električnega polja na vzdrževalne operacije z dronom za ultra visokonapetostne (UHV) prenosne linije je naša družba prvič razvila simulacijski model inspekcije s robotskim rokom, montiranim na dron. Z uporabo metode končnih elementov smo določili specifičen vpliv električnega polja okoli UHV linij na vzdrževalne operacije z dronom. Poleg tega smo analizirali največjo moč električnega polja in spremembe napetosti, ki jih doživlja robotski rok, letalo, vrtljaji in trup pri različnih razdaljah med levo stranjo robot skog roka in vodilom. To nam omogoča oceniti, ali obstajajo potencialni varnostni tveganja med bliskimi inspekcijami.

2.2 Simulacijski postopek
2.2.1 Zmogljivost inspekcije sistema na 0,84 m od UHV prenosne linije
Naša družba je izvedla simulacijske poskuse nad sistemom inspekcije s robotskim rokom, montiranim na dron, za daljšo analizo njegovega stanja delovanja in porazdelitve prostorskega električnega polja blizu vodilca, ko je bil postavljen na 0,84 m oddaljenosti od UHV prenosne linije.

Rezultati simulacije so pokazali, da pod temi pogoji ni bilo opazno nobenih značilnih negativnih učinkov električnega polja na celoten sistem inspekcije. Vendar pa je bila opazna nekoliko večja moč električnega polja na levi strani robot skog roka. Splošno velja, da če lokalna moč električnega polja preseže dielektrično razpadno moč zraka (30 kV/cm), raste tveganje za razpad komponent, kar ogroža stabilnost in varnost sistema.

Nadalje, z pregledom potencialne (napetostne) porazdelitve med komponentami sistema, smo ugotovili, da, ko se razdalja med sistemom inspekcije, montiranim na dron, in UHV linijo poveča, se električni potencial vseh komponent ustrezno zmanjša. Na podlagi teh sprememb potenciala smo določili ravni napetosti in največje moči električnega polja, ki jih vsaka komponenta doživi v vzdrževalnem okolju.

Kot kaže Tabela 1, ko je sistem inspekcije 0,84 m oddaljen od UHV linije, doživi robotski rok moč električnega polja 3712 V/m in napetost 2069 V. Primerjava med levim in desnim vrtljajem je pokazala, da levi vrtljaj trpi stalno višjo moč električnega polja in napetost kot desni vrtljaj. Vsi podatki kažejo, da ob tej 0,84 m operativni razdalji ostane električno polje dovolj nizko, da ne predstavlja tveganja za električni razpad in zagotavlja varno delovanje sistema inspekcije s robot skog rokom, montiranim na dron.

2.2.2 Zmogljivost inspekcije sistema na 0,34 m od UHV prenosne linije
Naša družba je tudi izvedla simulacijske poskuse za analizo stanja delovanja sistema inspekcije s robot skog rokom, montiranim na dron, in porazdelitve prostorskega električnega polja blizu vodilca, ko je bil postavljen samo 0,34 m oddaljenosti od UHV prenosne linije.

Tabela 1: Največja moč električnega polja in vrednosti napetosti, ki se ujemajo z vsako komponento sistema inspekcije s robot skog rokom, montiranim na dron

Rezultati simulacije so pokazali, da se pri ohranjanju te razdalje med objekti spremenila prostorska porazdelitev električnega polja okoli prenosne linije na levi strani robota. Zaradi edinstvenega okolja prenosnih linij visoke napetosti (UHV) so visokonapetostna električna polja zelo občutljiva za nastanek lukov in površinskega preboja.

Hkrati je analiza potencialnih variacij različnih komponent v sistemu pokazala, da se z naraščanjem razdalje med sistemom inspekcije s robotičnim rokom na dronu in UHV prenosno linijo ustrezno zmanjša električni potencial vseh komponent.

Na podlagi podatkov v Tabeli 2, ko je sistem inspekcije oddaljen 0,34 m od UHV prenosne linije, ne preseže največji doleten električni poljanski pojav dielektrično prebojna trdota zraka. Sledi sklepu, da tokrat ni tveganja za preboj, kar zagotavlja varnost in zanesljivost sistema inspekcije s robotičnim rokom na dronu v praksi.

Tabela 2: Največja moč električnega polja in vrednosti napetosti, ki pripadajo posameznim komponentam sistema inspekcije s robotičnim rokom na dronu

2.3 Preverjanje zmogljivosti za odpiranje motenj pri uporabi robovnega roka na letalih za vzdrževanje prenosnih vodov

Za testiranje zmogljivosti ščitnega pokrova letala je bila oprema za testiranje sestavljena iz letala, prekrita s prevodnim barvom, in multimetra. Prevodna barva je bila ravnomerno nanesena na površino letala z debelino, ki ne presega 0,05 mm. V normalnih okoljskih pogojih je bil izmerjen notranji upor med dvema točkama na površini letala; vrednost manjša od 1 Ω kaže, da je v skladu s specifikacijami.

Test krivljenja slike: Pri uporabi tehnologije robovnega roka na letalih za preverjanje vodov se lahko zaradi dejavnikov, kot so natančnost leče gimbala in kakovost montažnih postopkov, pojavi krivljenje slike. To krivljenje povzroča razlike med zajetimi slikami in dejanskim scenarijem, kar lahko onemogoči održevalsko osebje, da natančno prepoznajo napake ali defekte na UHV prenosnih vodih.

Za reševanje tega problema je naš tehnični tim razvil model popravljanja krivljenja slike, temelječ na karakteristikah krivljenja leče gimbala. Ta model je izražen z naslednjim obrazcem:

V obrazcu:
x,y so prvotne koordinate tangencialno zakrivljene točke v sistemu za snemanje;
x′,y′ so nove koordinate točke po popravljanju krivljenja;
p1,p2 so parametri tangencialnega krivljenja;
r je radialna razdalja od središča slike.

Krivljenje leče kamere se glavno razdeli na dva tipa: tangencialno in radialno krivljenje. Tangencialno krivljenje se največkrat pojavlja, ker elementi leče in senzorska ploskev kamere nista popolnoma vzporedna. Radialno krivljenje pa nastane, ker se svetlobni žarki bolj ukrivijo na mestih, oddaljenih od optičnega središča leče, kar povzroča krivljenje, porazdeljeno v radialni smeri leče. Radialno krivljenje se lahko izrazi z naslednjim obrazcem:

V obrazcu:
x,y so prvotne koordinate radialno zakrivljene točke v sistemu za snemanje;
x′,y′ so nove koordinate točke po popravljanju krivljenja;
k1,k2,k3 so parametri radialnega krivljenja;
r je radialna razdalja od središča slike.

Na tej osnovi predlaga naša družba uporabo metode kalibracije Zhang za identifikacijo komponent radialnega krivljenja, ki najbolj vplivajo na oblikovanje slike, in ponovno konfiguriranje parametrov modela. To omogoča vzajemno preslikavo med koordinatami predmetov v določenem svetovnem koordinatnem sistemu in pikselskimi koordinatami na ravnini slike, s čimer se zaključi kalibracija kamere gimbala. Ta pristop učinkovito zmanjša vpliv toleranc pri izdelavi leče in montažnih postopkov na natančnost slike, izboljša jasno slike in zagotavlja, da so visoko ločljive slike UHV prenosnih vodov brez zamude prenesene nazaj v sistem. To održevalskemu osebju zagotavlja zanesljiva vizualna podatka za natančno ocenjevanje, ali obstajajo na vodih napake ali defekti.

V zaključku, predlagana tehnologija preverjanja z robovnim rokom na letalih, obravnavana v tem članku, zadovoljuje trenutne zahteve za vzdrževanje UHV prenosnih vodov glede nizke porabe energije, dolge trajanje, nizke stroške, visok nosilni kapacitet in močno okoljsko zaznavanje. Prekonava ključne tehnološke ovire pri zamenjavi tradicionalnih ročnih metod preverjanja z letali, poviša splošno stopnjo operacij vzdrževanja in okrepita varnost in zanesljivost prenosa in oskrbe z električno energijo.