Istraživanje i analiza tehnologija zasnovanih na dronima za zamenu u održavanju linija za prenos ultra-visokog napona

У одређеној региону, након одржавања линија преноса ултра високог напона (UHV), идентификоване су следеће проблематике: постојећи дронови немају довољну перформансу да задовоље тренутне захтеве велике скале и опсежних инспекција и одржавања линија UHV. У практичним операцијама, дронови показују недовољну издржљивост, ограничена подешавања за прикупљање слика и слабу отпорност на електромагнетне сметње (EMI), што негативно утиче на ефикасност инспекције и спречава тачну идентификацију дефекта на линијама UHV.

Због значајне дужине линија преноса UHV и утицаја локалних природних услова, дронови опремљени уређајима за детекцију не могу одржати продужен лет, чиме се смањује ефикасност инспекције. У наведеном случају, чак и дронови са хибридном нафтом-електричном погонском групом имали су радно време мање од 3 сата, због чега је било потребно често мењати батерије током инспекције. Осим тога, тренутни системи за инспекцију базирани на дроновима немају функционалну потпуност — не подржавају вишедимензионалне, мултифункционалне капабилности инспекције — што резултује недовољном тачношћу инспекције. То може одложити откривање и решавање кварова на линији или других дефекта, директно утичући на нормалан пренос електричне енергије.

Како би се решиле ове предизвици, наша компанија развила је нову технологију инспекције линија преноса UHV која интегрише роботску манипулаторску руку монтирану на дрон. Ово решење прилагођено је специфичној инфраструктури UHV у региону и засновано је на тренутним перформансама примене дронова у одржавању линија. Циљ је да реши наведене проблеме и испуни кључне захтеве: ниску потрошњу енергије, продужену издржљивост, ниску цену, висок капацитет терета и јаку перцепцију околине.

1. Техничко решење: Роботска рука на дрону за одржавање линија UHV
1.1 Концепт дизајна
Кључни аспекти ове технологије обухватају дизајн изолације, контролу кретања роботске руке и подржавајуће подсистеме. Обезбеђивање разумног техничког дизајна је од суштинског значаја да се ефикасно реше постојећи проблеми одржавања линија UHV и преодоле препреке реализације.

Наша компанија детаљно је проценила захтеве за изолацију које ствара UHV средина одржавања на роботску руку. На основу тога, израчунали смо максималну јачину електричног поља и варијације напона којима су изложени рука, ротори, оквир и фуселаж на различитим удаљеностима од живих проводника. Затим су дизајнирани циљани тестови перформанси како би информисали даља побољшања техничког решења.

Изабрани су репрезентативни сценарији одржавања линија UHV ради дефинисања стандардних радних процедура и протокола безбедности. Структура роботске руке са више степени слободе кретања је оптимизована како би се идентификовала најкомпатибилнија конфигурација дрон–манипулатор. С обзиром на јединствену радну средину, такође је предложено надоградња оригиналне хардверске опреме за прикупљање слика и софтвера/хардвера за пренос података у наведеном случају ради побољшања квалитета слика у реалном времену.

1.2 Мере за ублажавање електромагнетних сметњи (EMI)
Линије UHV у овом случају обухватају дуге распоне и пресеке, стварајући комплексно и динамичко електромагнетно окружење. Јака електромагнетна поља око линија и интензивни сигнали суседних комуникационих базних станица могу озбиљно утицати на комуникацију система дрон–манипулатор. Додатно, пренос података на великим удаљеностима током рада манипулатора може изазвати прекршаје, компромитујући безбедност рада.

Како би се противдействовало овоме, наша компанија предлаже следеће мере за заштиту од EMI:

• Анализирајте могућу штету од јаких електромагнетних поља у близини линија UHV на унутрашњу електронику дрона.

• Примените заштитне облоге на површини каросерије, сигнализационим кабловима и свим завршетцима кућишта.

• Равномерно прскајте спољашњост дрона проводним премазом одређене дебљине како би се ублажиле електромагнетне сметње. За компоненте које нису погодне за премаз користи се бакарна жичана веза ради постизања еквивалентне заштите.

1.3 Конструктивни дизајн роботске руке
Како је приказано на слици 1, роботска рука састоји се од:
(1) Хватача; (2) Кутије за заштиту сервомотора; (3) Адаптера детектора нулте вредности; (4) Адаптера тестера високог напона; (5) Изолационог штапа; (6) Ограничетаљног штапа; (7) Епоксидног смоластог изолационог слоја; (8) Лежајног рукава за питч; (9) Повезујућег штапа; (10) Лежајног рукава за рол.

С обзиром на захтеве изолације у UHV средини, наша компанија предлаже монтажу изолационих вијака између доње стране дрона и стајних трапова. Челични оквир повезан је са доњом страном изолационог слоја и рукавом за питч, који је фиксиран споља око металног лежаја. Сервомотор за питч монтиран је са десне стране лежаја и покреће механизам питча, омогућавајући кретање роботске руке нагоре и надоле.

С обзиром на сметње које изазивају јака електромагнетна поља у простору око линија преноса, наша компанија предлаже да се линије управљања сервомотора уграђују унутар изолационог штапа и да се серво опреми посебним изолованим заштитним кућиштем. Ово ефикасно изолује серво од електромагнетних импулса који настају у спољашњем високонапонском окружењу. Додатно, бакарна жичана веза примењује се на празнинама око сервомотора ради постизања еквипотенцијалне везе, чиме се смањује ризик од пробоја изазваног електромагнетним таласима у унутрашњој електроници сервомотора.

2. Симулациони експеримент инспекције линије преноса UHV коришћењем роботске руке на дрону
2.1 Дизајн симулације
На основу записа одржавања линија преноса UHV из наведеног примера, добијени су следећи структурни параметри: укупна висина правоугаоног стуба је 3200 mm; полупречник великог капка је 2400 mm; полупречник средњег капка је 3200 mm; полупречник малог капка је 2700 mm; а пречник проводника је 17,48 mm, као што је приказано на слици 2.

U simulacionom eksperimentu, sistem dronova izabrao je karakteristike ugljičnih vlakana za propeler, okvir i fuselage kako bi unapredio svoje opšte performanse.

Uzimajući u obzir uticaj okružnog prostornog električnog polja na održavanje bazirano na dronovima za ultra visokonaponske (UHV) prenosne linije, naša kompanija prvo razvila je simulacioni model sistema inspekcije robota montiranog na dron. Koristeći metodu konačnih elemenata, određena su specifična uticaja električnog polja oko UHV linija na održavanje dronova. Takođe, analizirane su maksimalne vrednosti jačine električnog polja i varijacije napona koje iskušava robot, okvir, rotori i fuselage pod različitim rastojanjima između leve strane robota i vodnika. To nam omogućava da procenimo da li postoje potencijalni sigurnosni rizici tokom zadataka inspekcije u blizini.

2.2 Simulacioni proces
2.2.1 Performanse sistema inspekcije na rastojanju od 0.84 m od UHV prenosne linije
Naša kompanija je sprovodila simulacione eksperimente na sistemu inspekcije robota montiranog na dron kako bi dalje analizirala njegov radni status i raspodelu prostornog električnog polja blizu vodnika kada se nalazi na rastojanju od 0.84 m od UHV prenosne linije.

Rezultati simulacije pokazali su da, pod ovim radnim uslovima, nisu primetni značajni negativni efekti električnog polja na opšti sistem inspekcije. Međutim, detektovan je mali porast intenziteta električnog polja na levoj strani robota. Opštenito, ako lokalna jačina električnog polja premaši dielektričnu lomnu čvrstoću zraka (30 kV/cm), rizik od loma komponenti se povećava, kompromitujući stabilnost i sigurnost sistema.

Takođe, ispitivanjem distribucije potencijala (napona) kroz komponente sistema, utvrdili smo da se sa porastom rastojanja između sistema inspekcije montiranog na dron i UHV linije, električni potencijal svih komponenti smanjuje. Na osnovu tih promena potencijala, određene su nivoi napona i maksimalne vrednosti jačine električnog polja koje svaka komponenta iskušava u okruženju održavanja.

Kao što je prikazano u Tabeli 1, kada je sistem inspekcije 0.84 m udaljen od UHV linije, robot iskušava jačinu električnog polja od 3712 V/m i napon od 2069 V. Uporedba između levog i desnog rotora pokazala je da levi rotor konzistentno iskušava veću jačinu električnog polja i napon od desnog rotora. Svi podaci ukazuju da, pod ovim operativnim rastojanjem od 0.84 m, električno polje ostaje daleko ispod pragova loma zraka, ne postoji rizik od električnog raspršenja, što obezbeđuje bezbednu operaciju sistema inspekcije robota montiranog na dron.

2.2.2 Performanse sistema inspekcije na rastojanju od 0.34 m od UHV prenosne linije
Naša kompanija je takođe sprovodila simulacione eksperimente kako bi analizirala radni status sistema inspekcije robota montiranog na dron i raspodelu prostornog električnog polja blizu vodnika kada se nalazi samo 0.34 m udaljen od UHV prenosne linije.

Tabela 1: Maksimalne vrednosti jačine električnog polja i naponi odgovarajući svakoj komponenti sistema inspekcije robota montiranog na dron

Rezultati simulacije pokazali su da, pod ovim uslovima održavanja rastojanja, prostorna raspodela električnog polja oko prenosne linije sa leve strane robne grupe se promenila. Zbog jedinstvene sredine ultra visokih napona (UHN) visokonaponska električna polja su izuzetno sklona stvaranju lukova i površinskih iskričnih problema.

Istovremeno, analizom varijacija potencijala različitih komponenti u sistemu utvrđeno je da, kako se povećava rastojanje između inspekcijskog sistema montiranog na dronu sa robnom grupom i UHN prenosne linije, električni potencijal svih komponenti odgovarajuće opada.

Prema podacima u Tabeli 2, kada je inspekcijski sistem smješten na udaljenosti od 0,34 m od UHN prenosne linije, maksimalna jakost električnog polja kojoj bilo koja komponenta u sistemu može biti izložena ne prelazi dielektričnu probojnu snagu zraka. Stoga se zaključuje da tijekom održavajućih radova neće doći do rizika od proboda, što osigurava sigurnost i pouzdanost inspekcijskog sistema montiranog na dronu sa robnom grupom u praktičnim primjenama.

Tabela 2: Maksimalna Jakost Električnog Polja i Vrijednosti Napona za Svaku Komponentu Inspekcijskog Sistema Montiranog na Dronu sa Robnom Grupom

2.3 Testovi otpornosti na smetnje za robotničku ruku montiranu na dronu u održavanju prenosnih linija

Za test performansi štitnog efekta drona, oprema za testiranje uključivala je dron prekriven vodljivom bojom i multimetar. Vodljiva boja je ravnomerno naneta na površinu drona sa debljine koja ne prelazi 0,05 mm. Pod normalnim uslovima okruženja, mjerena je unutrašnja otpornost između dve tačke na površini drona; vrijednost manja od 1 Ω ukazuje na ispunjenje propisanog standarda.

Test distorzije slike: Kada se tehnologija robotničke ruke montirane na dron koristi za inspekciju linija, može doći do distorzije slike zbog faktora kao što su inherentna preciznost kamere na gimbalu i kvalitet procesa asambliranja. Takva distorzija dovodi do razlika između uhvaćene slike i stvarne scene, što potencijalno može oslabiti sposobnost održavajućeg osoblja da tačno identifikuje greške ili defekte na UHV prenosnim linijama.

Kako bismo rešili ovaj problem, naš tehnički tim je razvio model korekcije distorzije slike baziran na karakteristikama distorzije kamere na gimbalu. Ovaj model izražen je sledećom formulom:

U formuli:
x,y su originalne koordinate tangencijalno distorzijske tačke u sistemu snimanja;
x′,y′ su nove koordinate tačke nakon korekcije distorzije;
p1,p2 su parametri tangencijalne distorzije;
r je radijalno rastojanje od centra slike.

Distorzija objektiva kamere se uglavnom klasifikuje u dva tipa: tangencijalnu i radijalnu distorziju. Tangencijalna distorzija uglavnom nastaje zato što elementi leće i senzorska ploča kamere nisu savršeno paralelni. S druge strane, radijalna distorzija nastaje jer svjetlosni zraci više skreću na pozicijama daljim od optičkog centra leće, rezultujući distorzijom distribuiranom duž radijalnog pravca leće. Radijalna distorzija može biti izražena sledećom formulom:

U formuli:
x,y su originalne koordinate radijalno distorzijske tačke u sistemu snimanja;
x′,y′ su nove koordinate tačke nakon korekcije distorzije;
k1,k2,k3 su parametri radijalne distorzije;
r je radijalno rastojanje od centra slike.

Na osnovu toga, naša kompanija predlaže korišćenje Kalmanove metode kalibracije za identifikaciju radijalnih komponenata distorzije koje najviše utiču na formiranje slike, te rekonstrukciju parametara modela. To omogućava međusobno mapiranje između koordinata objekata u definisanom svetskom koordinatnom sistemu i pikselih koordinata u ravni slike, čime se završava kalibracija kamere na gimbalu. Ovaj pristup efektivno smanjuje uticaj tolerancija proizvodnje leće i procesa asambliranja na preciznost slike, poboljšava jasnoću slike i osigurava da se visokoskalne slike UHV prenosnih linija prenose u sistemu u realnom vremenu bez kašnjenja. To pruža održavajućem osoblju pouzdane vizualne podatke za tačnu procenu postojanja grešaka ili defekata na linijama.

Ukratko, predložena tehnologija inspekcije robotničkom rukom montiranom na dronu zadovoljava trenutne zahteve za održavanje UHV prenosnih linija u pogledu niske potrošnje energije, dugog vremena trajanja, niske cene, visoke kapaciteta tereta i snažne percepcije okruženja. Prema tome, prevazilazi ključne tehnološke botuljke u zamjeni tradicionalnih ručnih metoda inspekcije dronima, podiže ukupni nivo operacija održavanja i jača sigurnost i pouzdanost prenosa i opskrbivanja struje.