Forskning och analys av drönarbaserade ersättnings teknologier för underhåll av överhögspänningsledningar

I ett visst område, efter underhåll av ultrahögspegel (UHV) överföringslinjer, identifierades följande problem: befintliga drönare har inte tillräcklig prestanda för att möta de nuvarande storskaliga och omfattande inspektion- och underhållskraven för UHV-linjer. I praktiska operationer visar drönarna otillräcklig flygtid, begränsad bildinsamling och dålig motståndskraft mot elektromagnetisk interferens (EMI), vilket negativt påverkar inspektionsverksamheten och hindrar korrekt identifiering av defekter i UHV-linjerna.

På grund av den betydande längden på UHV-överföringslinjerna och påverkan av det lokala naturliga miljöförhållandena kan drönare utrustade med mätutrustning inte bibehålla långvarig flygning, vilket minskar inspektionsverksamhetens effektivitet. I det nämnda fallet uppnådde även olje-elektriska hybriddrönare en flygtid som var mindre än 3 timmar, vilket krävde frekventa batteribyte under inspektionerna. Dessutom saknar de nuvarande drönarbaserade inspektionsystemen funktional fullständighet - de stöder inte flerdimensionella, multifunktionella inspektionsfunktioner - vilket resulterar i otillräcklig inspektionsnoggrannhet. Detta kan försena upptäckt och hantering av linjefel eller andra defekter, vilket direkt påverkar normal elöverföring.

För att bemöta dessa utmaningar har vår företag utvecklat en ny teknik för inspektion av UHV-överföringslinjer som integrerar en robotarm monterad på en drönare. Denna lösning är anpassad till den specifika UHV-infrastrukturen i regionen och baserad på den nuvarande drönaranvändningsprestandan i linjeunderhåll. Syftet är att lösa de ovan nämnda problemen samtidigt som viktiga krav uppfylls: låg energiförbrukning, utökad flygtid, låg kostnad, hög lastkapacitet och stark miljoperception.

1.Teknisk lösning: Drönarmountad robotarm för UHV-linjeunderhåll
1.1 Designkoncept
Viktiga överväganden för denna teknik inkluderar isoleringsdesign, rörelsekontroll av robotarmen och stödjande subsystem. Det är nödvändigt att säkerställa en rationell teknisk design för att effektivt lösa de existerande UHV-underhållsutmaningarna och övervinna implementeringsflaskhalsar.

Vårt företag genomförde en omfattande utvärdering av isoleringskraven som ställs av UHV-underhållsmiljön på robotarmen. Baserat på detta beräknade vi den maximala elektriska fältstyrkan och spänningsvariationerna som arm, rotor, ram och fuselage utsätts för vid olika avstånd från liveledningar. Därefter utformades målriktade prestandatest för att informera omkommande förbättringar av den tekniska lösningen.

Vi valde representativa UHV-underhållsscenario för att definiera standardiserade driftförfaranden och säkerhetsprotokoll. Robotarmens flervaldig frihetsgradstruktur optimerades för att identifiera den mest kompatibla drönar-manipulator-konfigurationen. Med tanke på den unika driftmiljön föreslog vi också att uppdatera den ursprungliga bildinsamlingsmaskineriet och dataöverföringss mjukvara/hårdvara i fallstudien för att förbättra realtidsbildkvaliteten.

1.2 Åtgärder för att minska elektromagnetisk interferens (EMI)
UHV-linjerna i fallet involverar långa spann och korsningar, vilket skapar en komplext och dynamiskt elektromagnetisk miljö. Starka elektromagnetiska fält runt linjerna och intensiva signaler från närliggande kommunikationsbasstationer kan allvarligt störa drönar-manipulatorsystemets kommunikation. Dessutom kan långdistansdataöverföring under manipulatoroperationer orsaka korsprat, vilket hotar driftsäkerheten.

För att motverka detta föreslår vårt företag följande EMI-sköljningsåtgärder:

• Analysera potentiellt skada från högintensitiva elektromagnetiska fält nära UHV-linjerna på drönarens interna kretsar.

• Tillämpa sköljningsbehandlingar på flygkroppens yta, signalkabler och alla husrandgap.

• Spray jämnt en ledande beläggning av angiven tjocklek på drönarens yttre yta för att minska elektromagnetisk interferens. För komponenter som inte lämpar sig för beläggning används koppartrådssammankoppling för att uppnå motsvarande sköljningsverkan.

1.3 Strukturförslag för robotarm
Enligt figur 1 består robotarmen av:
(1) Grepp; (2) Servoskyddslåda; (3) Nollvärdesdetektoradapter; (4) Högspänningsprovningsadapter; (5) Isolerande stav; (6) Gränssättande stav; (7) Epoxidharzisoleringslager; (8) Pitchspecifik lagermuff; (9) Kopplingsstav; (10) Rullspecifik lagermuff.

Med tanke på isoleringskraven i UHV-miljö föreslår vårt företag att installera isolerande bultar mellan drönarens undersida och landningsställ. En stålram ansluter den nedre sidan av isoleringslagret till pitchspecifik lagermuff, som är fastsatt externt runt en metalllager. Pitchservomotorn monteras på höger sida av lager, drivande pitchmekanismen för att möjliggöra upp- och ner-rörelse av robotarmen.

Med tanke på interferensen orsakad av de högintensitiva elektromagnetiska fälten i rummet runt överföringslinjerna föreslår vårt företag att installera servomotorstyrningslinjer inuti den isolerande staven och utrusta servon med en dedikerad isolerad skyddslåda. Detta isolerar effektivt servon från elektromagnetiska överslag genererade av den externa högspänningsmiljön. Dessutom tillämpas koppartrådssammankoppling på gapen runt servon för att uppnå likpotentialkoppling, vilket minskar risken för elektromagnetisk våginducerad kortsättning i servons interna kretsar.

2.Simuleringsförsök av UHV-överföringslinjeinspektion med hjälp av drönarmountad robotarm
2.1 Simuleringsdesign
Baserat på underhållsrekord för UHV-överföringslinjerna i fallstudien erhölls följande strukturella parametrar: den totala höjden av den räta tornet är 3200 mm; den stora takradiusen är 2400 mm; den medelstora takradiusen är 3200 mm; den lilla takradiusen är 2700 mm; och leddiametern är 17,48 mm, som visas i figur 2.

I simuleringsexperimentet valde drönarsystemet kolfibermaterial för propellerna, ramen och fuselagen för att förbättra dess övergripande prestanda.

Med hänsyn till påverkan av det omgivande rymdelektriska fältet på drönarbaserade underhållsoperationer för ultrahögspänningsledningar (UHV), utvecklade vår företag först en simuleringsmodell av inspektionsystemet med drönarmountad robotarm. Genom finit elementanalys fastställde vi den specifika effekten av elektriska fält runt UHV-ledningar på drönarunderhållsoperationer. Dessutom analyserade vi den maximala elektriska fältskraften och spänningsvariationerna som robotarmen, flygplanet, rotorbladen och fuselagen utsätts för vid olika avstånd mellan vänster sida av robotarmen och ledaren. Detta gör att vi kan bedöma om potentiella säkerhetshot finns under nära inspektionstävlingar.

2.2 Simuleringsprocess
2.2.1 Inspektionsystemets prestanda vid 0,84 m från UHV-ledning
Vår företag genomförde simuleringsförsök på inspektionsystemet med drönarmountad robotarm för att ytterligare analysera dess driftstatus och rymdelektriska fältdistributionen nära ledaren vid ett avstånd på 0,84 m från UHV-ledningen.

Simuleringsresultaten visade att, under dessa arbetsförhållanden, observerades inga betydande negativa elektriska fälteffekter på det totala inspektionsystemet. Dock upptäcktes en lätt ökning av elektrisk fältskraft på vänster sida av robotarmen. Generellt sett, om den lokala elektriska fältskraften överskrider luftens dielektriska brytningsstyrka (30 kV/cm), ökar risken för komponentnedbrott, vilket skadar systemets stabilitеть и безопасность. Кроме того, при изучении распределения потенциала (напряжения) по компонентам системы мы обнаружили, что с увеличением расстояния между дрон-инспекционной системой и линией УВН, электрический потенциал всех компонентов уменьшается соответственно. На основе этих изменений потенциала мы определили уровни напряжения и максимальные значения электрического поля, которые испытывает каждый компонент в условиях обслуживания. Как показано в таблице 1, когда инспекционная система находится на расстоянии 0,84 м от линии УВН, роботизированная рука испытывает электрическое поле силой 3712 В/м и напряжение 2069 В. Сравнение левых и правых роторов показало, что левый ротор постоянно подвергается более высокому значению электрического поля и напряжения, чем правый ротор. Все данные указывают на то, что при этом рабочем расстоянии 0,84 м, электрическое поле остается значительно ниже порога пробоя воздуха, не создавая риска электрического разряда и обеспечивая безопасную работу дрон-инспекционной системы с роботизированной рукой. 2.2.2 Производительность инспекционной системы на расстоянии 0,34 м от линии УВН
Наша компания также провела симуляционные эксперименты для анализа состояния работы дрон-инспекционной системы с роботизированной рукой и распределения пространственного электрического поля вблизи проводника при расстоянии всего 0,34 м от линии УВН.

Таблица 1: Максимальные значения электрического поля и напряжения, соответствующие каждому компоненту дрон-инспекционной системы с роботизированной рукой

Simuleringsresultaten visade att, under dessa arbetsförhållanden, observerades inga betydande negativa elektriska fälteffekter på det totala inspektionsystemet. Dock upptäcktes en lätt ökning av elektrisk fältskraft på vänster sida av robotarmen. Generellt sett, om den lokala elektriska fältskraften överskrider luftens dielektriska brytningsstyrka (30 kV/cm), ökar risken för komponentnedbrott, vilket skadar systemets stabilitеть и безопасность. Dessutom, genom att undersöka potentialfördelningen (spänning) över systemkomponenterna, upptäckte vi att när avståndet mellan drönarmonterat inspektionsystem och UHV-ledningen ökar, minskar elektriska potentialen för alla komponenter därefter. Baserat på dessa potentialvariationer fastställde vi spänningsnivåerna och de maximala elektriska fältskrafterna som varje komponent utsätts för i underhållsmiljön. Som visas i tabell 1, när inspektionsystemet är 0,84 m ifrån UHV-ledningen, utsätts robotarmen för en elektrisk fältskraft på 3712 V/m och en spänning på 2069 V. Ett jämförelse mellan vänstra och högra rotorbladen visade att vänstra rotorbladet konsekvent utsätts för högre elektrisk fältskraft och spänning än högra rotorbladet. Alla data indikerar att, under detta operativavstånd på 0,84 m, ligger elektriska fältet väl under luftens brytningsgräns, vilket inte innebär något risk för elektrisk avspark och garanterar säker drift av drönarmonterat inspektionsystem med robotarm. 2.2.2 Inspektionsystemets prestanda vid 0,34 m från UHV-ledning
Vår företag genomföre också simuleringsförsök för att analysera driftstatusen av drönarmonterat inspektionsystem med robotarm och rymdelektriska fältdistributionen nära ledaren vid ett avstånd på endast 0,34 m från UHV-ledningen.

Tabell 1: Maximala elektriska fältskraft och spänningsvärden för varje komponent i drönarmonterat inspektionsystem med robotarm

Simuleringsresultaten visade att, under denna avståndsunderhålls förhållanden, ändrades det rumsliga elektriska fältets fördelning runt den högspänningsledningen till vänster om robotarmen. På grund av den unika miljön kring ultra-högspännings (UHV) ledningar är högspänningsfält mycket benägna att orsaka bågnings- och ytförloppsproblem.

Samtidigt, genom att analysera potentialvariationerna hos olika komponenter i systemet, upptäcktes att när avståndet mellan drönarmonterat robotarmsinspektionsystem och UHV-ledningen ökar, minskar den elektriska potentialen för alla komponenter motsvarande.

Enligt data i tabell 2, när inspektionsystemet placeras 0,34 m från UHV-ledningen, överstiger inte det maximala elektriska fältets styrka som någon komponent i systemet upplever dielektriska nedbrytningsstyrkan för luft. Därför kan slutsatsen dras att ingen nedbrytningsrisk kommer att uppstå under underhållsoperationen, vilket garanterar säkerheten och pålitligheten för drönarmonterat robotarmsinspektionsystem i praktiska tillämpningar.

Tabell 2: Maximal elektrisk fältsstyrka och spänningens värden för varje komponent i drönarmonterat robotarmsinspektionsystem

2.3 Test av interferensmotståndsförmåga för drönarmountad robotarm vid underhåll av överföringslinjer

För testet av drönarens skärmningsegenskaper inkluderade testutrustningen en drönare som var belagd med ledbara färg och en multimeter. Den ledbara färgen sprutas jämnt på drönarens yta med en tjocklek som inte översteg 0,05 mm. Under normala miljöförhållanden mättes den interna resistansen mellan två punkter på drönarens yta; ett värde mindre än 1 Ω indikerar överensstämmelse med den angivna standarden.

Test av bildförsnitt: När drönarmountad robotarmsteknik används för linjeinspektion kan bildförsnitt uppstå på grund av faktorer som gimbalkamerans inbyggda noggrannhet och kvaliteten på monteringsprocesserna. Sådana försnitt orsakar olikheter mellan de inspelade bilderna och det faktiska sceneriet, vilket potentiellt kan nedsätta underhållspersonalens förmåga att korrekt identifiera fel eller defekter på UHV-överföringslinjer.

För att lösa detta problem utvecklade vår tekniska team en modell för korrigering av bildförsnitt baserat på gimbalkamerans försnittsegenskaper. Denna modell uttrycks genom följande formel:

I formeln:
x,y är de ursprungliga koordinaterna för en tangentiellt snedd punkt i bildsystemet;
x′,y′ är de nya koordinaterna för punkten efter försnittskorrigering;
p1,p2 är tangentiella försnittsparametrar;
r är den radiella avståndet från bildcentrum.

Kameralensens försnitt kan huvudsakligen delas in i två typer: tangentiellt och radiellt försnitt. Tangentiellt försnitt uppstår främst eftersom linsens element och kamerans bildplan inte är perfekt parallella. Radiellt försnitt däremot uppstår eftersom ljusstrålar böjs mer betydligt vid positioner längre bort från linsens optiska centrum, vilket resulterar i försnitt fördelat längs linsens radiella riktning. Radiellt försnitt kan uttryckas genom följande formel:

I formeln:
x,y är de ursprungliga koordinaterna för en radiellt snedd punkt i bildsystemet;
x′,y′ är de nya koordinaterna för punkten efter försnittskorrigering;
k1,k2,k3 är radiella försnittsparametrar;
r är den radiella avståndet från bildcentrum.

På denna grundval föreslår vårt företag att använda Zhangs kalibreringsmetod för att identifiera de radiella försnittskomponenter som mest påverkar bildformering, och återskapa modellparametrarna. Detta möjliggör ömsesidig kartläggning mellan objektets koordinater i ett definierat världskoordinatsystem och bildpunkternas koordinater i bildplanet, vilket fullbordar kalibreringen av gimbalkameran. Denna metod effektivt minskar påverkan av tillverkningstoleranser för lins och monteringsprocesser på bildnoggrannhet, förbättrar bildklarheten och säkerställer att högupplösta bilder av UHV-överföringslinjer skickas tillbaka till systemet i realtid utan försening. Detta ger underhållspersonal pålitliga visuella data för att korrekt bedöma om fel eller defekter finns på linjerna.

Sammanfattningsvis uppfyller den drönarmountade robotarmsteknik som föreslås i detta dokument dagens krav på låg energiförbrukning, lång drifttid, låg kostnad, hög lastkapacitet och stark miljoperception för underhåll av UHV-överföringslinjer. Den övervinner viktiga tekniska flaskhalsar i att ersätta traditionella manuella inspektionsmetoder med drönare, höjer det totala nivån på underhållsoperationer och stärker säkerheten och tillförlitligheten i strömtransport och -distribution.