Дослідження та аналіз технологій заміни на основі дронів для обслуговування ліній електропередачі надвищо високого напругу

У певному регіоні, після проведення обслуговування ліній надвищок напруги (UHV), були виявлені наступні проблеми: існуючі дрони не мають достатньої продуктивності для задоволення поточних великомасштабних та розкиданих потреб у перевірці та обслуговуванні ліній UHV. У практичних операціях дрони демонструють недостатню автономність, обмежену здатність до збору зображень та слабку стійкість до електромагнітних завад (EMI), що негативно впливає на ефективність перевірок та заважає точному визначенню дефектів ліній UHV.

Завдяки значній довжині ліній передачі UHV та впливу місцевих природних умов, дрони, оснащені пристроями виявлення, не можуть тривалий час зберігати польот, що зменшує ефективність перевірок. У зазначеному випадку, навіть дрони з гібридними паливними системами масла-електрики досягали тривалості польоту менше 3 годин, що вимагало частого заміну акумуляторів під час перевірок. Крім того, сучасні системи перевірок на основі дронів не мають повної функціональності — вони не підтримують багатовимірні, багатофункціональні перевірки, що призводить до недостатньої точності перевірок. Це може затримати виявлення та усунення дефектів ліній або інших проблем, безпосередньо впливаючи на нормальне передавання електроенергії.

Для вирішення цих проблем наша компанія розробила новітню технологію перевірки ліній передачі UHV, яка включає монтаж роботизованого маніпулятора на дрон. Це рішення спеціально адаптовано до специфічної інфраструктури UHV в регіоні та враховує поточну продуктивність застосування дронів у технічному обслуговуванні. Воно спрямоване на вирішення вищезазначених проблем, одночасно задовольняючи ключові вимоги: низьке споживання енергії, продовжену автономність, невисоку вартість, високу місткість навантаження та сильне сприйняття середовища.

1. Технічне рішення: Роботизований маніпулятор, монтований на дрон, для обслуговування ліній UHV
1.1 Концепція дизайну
Ключовими розглядами для цієї технології є проектування ізоляції, управління рухом роботизованого маніпулятора та підтримуючі підсистеми. Забезпечення раціонального технічного проектування є важливим для ефективного вирішення існуючих проблем обслуговування UHV та подолання перешкод при реалізації.

Наша компанія комплексно оцінила вимоги до ізоляції, які ставляться роботизованому маніпулятору в умовах обслуговування UHV. На основі цього, ми розрахували максимальну силу електричного поля та зміни напруги, які відчувають маніпулятор, ротори, рама та корпус на різних відстанях від живих провідників. Потім були розроблені ціловільні тестові випробування для наступного удосконалення технічного рішення.

Ми вибрали представницькі сценарії обслуговування UHV для визначення стандартних процедур роботи та протоколів безпеки. Багатоступенева структура роботизованого маніпулятора була оптимізована для визначення найбільш сумісної конфігурації дрон-маніпулятор. Враховуючи унікальні умови роботи, ми також запропонували оновлення початкового обладнання для збору зображень та програмного/апаратного забезпечення для передачі даних, щоб поліпшити якість зображення в реальному часі.

1.2 Міри зі зниження електромагнітних завад (EMI)
Лінії UHV в даному випадку мають довгі проліти та перетини, що створює складне та динамічне електромагнітне середовище. Сильні електромагнітні поля навколо ліній та інтенсивні сигнали від близьких базових станцій зв’язку можуть сильно завадяти комунікаціям системи дрон-маніпулятор. Крім того, довге віддалене передавання даних під час роботи маніпулятора може призвести до переплетення сигналів, що підриває безпеку операцій.

Для протидії цьому наша компанія запропонувала наступні заходи зі зниження EMI:

• Аналіз можливих пошкоджень внутрішніх електричних схем дрону від сильних електромагнітних полів поблизу ліній UHV.

• Застосування захисних покриттів до поверхні корпусу, сигнальних кабелів та всіх швів корпусу.

• Рівномірне нанесення провідного покриття заданої товщини на зовнішню поверхню дрону для зниження електромагнітних завад. Для компонентів, які не підходять для покриття, використовується зварювання медними дротами для досягнення еквівалентної ефективності захисту.

1.3 Конструктивний дизайн роботизованого маніпулятора
Як показано на рис. 1, роботизований маніпулятор складається з:
(1) Хватальний механізм; (2) Коробка захисту серво-привода; (3) Адаптер детектора нульового значення; (4) Адаптер високовольтного тестера; (5) Ізоляційна паличка; (6) Обмежувальна паличка; (7) Ізоляційний шар з епоксидної смоли; (8) Підшипниковий рукав для керування креном; (9) Зв'язувальна паличка; (10) Підшипниковий рукав для керування креном.

Враховуючи вимоги до ізоляції в умовах UHV, наша компанія запропонувала встановити ізоляційні болти між нижньою частиною дрону та посадковим пристроєм. Металева рама з'єднує нижню сторону ізоляційного шару з підшипниковим рукавом для керування креном, який фіксується зовні навколо металевого підшипника. Серво-мотор для керування креном монтується праворуч від підшипника, що забезпечує вертикальні рухи роботизованого маніпулятора.

Враховуючи завади, спричинені сильними електромагнітними полями в просторі навколо ліній передачі, наша компанія запропонувала встановити лінії серво-приводу всередині ізоляційної палички та оснастити серво-мотор спеціальним ізоляційним захисним корпусом. Це ефективно ізольує серво-мотор від електромагнітних сургів, що генеруються зовнішнім високовольтним середовищем. Крім того, медне зварювання застосовується до прогалин навколо серво-мотора для досягнення рівнопотенційного з'єднання, що зменшує ризик електромагнітного зламу внутрішніх електричних схем серво-мотора.

2. Комп'ютерне моделювання перевірки ліній передачі UHV за допомогою роботизованого маніпулятора, монтованого на дрон
2.1 Дизайн моделювання
На основі записів про технічне обслуговування ліній передачі UHV в даному випадку, були отримані наступні конструктивні параметри: загальна висота прямої вежі становить 3200 мм; радіус великого підстави становить 2400 мм; радіус середнього підстави становить 3200 мм; радіус малого підстави становить 2700 мм; діаметр провідника становить 17.48 мм, як показано на рис. 2.

У симуляційному експерименті система безпілотника обрала властивості вуглецевого волокна для пропелерів, рами та фюзеляжу, щоб підвищити загальну продуктивність.

З урахуванням впливу оточуючого просторового електричного поля на роботизовані операції обслуговування безпілотниками ліній електропередачі надпотужності (UHV), наша компанія спочатку розробила симуляційну модель системи інспекції роботизованої руки, монтуваної на безпілотнику. Використовуючи метод скінченних елементів, ми визначили конкретний вплив електричного поля навколо ліній UHV на операції обслуговування безпілотниками. Додатково, ми проаналізували максимальну силу електричного поля та зміни напруги, які досвідчує роботизована рука, корпус, пропелери та фюзеляж при різних відстанях між лівою стороною роботизованої руки та провідником. Це дозволяє нам оцінити, чи існують потенційні ризики безпеки під час завдань інспекції на близькій відстані.

2.2 Процес симуляції
2.2.1 Продуктивність системи інспекції на відстані 0.84 м від лінії передачі UHV
Наша компанія провела симуляційні експерименти з системою інспекції роботизованої руки, монтуваної на безпілотнику, щоб глибше аналізувати її робочий стан та розподіл просторового електричного поля поруч з провідником при розташуванні на відстані 0.84 м від лінії передачі UHV.

Результати симуляції показали, що при цьому робочому стані не було спостеріганих значущих неблагоприятних ефектів електричного поля на загальну систему інспекції. Однак, було зафіксовано невеликий зростання інтенсивності електричного поля на лівій стороні роботизованої руки. Загалом, якщо місцева сила електричного поля перевищує прочність пробою повітря (30 кВ/см), зростає ризик пошкодження компонентів, що може погіршити стабільність та безпеку системи.

Крім того, вивчаючи розподіл потенціалу (напруги) по компонентах системи, ми виявили, що зі збільшенням відстані між системою інспекції, монтуваною на безпілотнику, та лінією UHV, електричний потенціал всіх компонентів відповідно зменшується. На основі цих змін потенціалу, ми визначили рівні напруги та максимальні сили електричного поля, які кожен компонент досвіджує в середовищі обслуговування.

Як показано в таблиці 1, коли система інспекції знаходиться на відстані 0.84 м від лінії UHV, роботизована рука досвіджує силу електричного поля 3712 В/м та напругу 2069 В. Порівняння лівого та правого пропелерів показало, що лівий пропелер постійно досвіджує більшу силу електричного поля та напругу, ніж правий пропелер. Усі дані свідчать, що при цій робочій відстані 0.84 м, сила електричного поля залишається значно нижче порогу пробою повітря, не створюючи ризику електричного розряду та забезпечуючи безпечну роботу системи інспекції роботизованої руки, монтуваної на безпілотнику.

2.2.2 Продуктивність системи інспекції на відстані 0.34 м від лінії передачі UHV
Наша компанія також провела симуляційні експерименти, щоб аналізувати робочий стан системи інспекції роботизованої руки, монтуваної на безпілотнику, та розподіл просторового електричного поля поруч з провідником при розташуванні лише на відстані 0.34 м від лінії передачі UHV.

Таблиця 1: Максимальні значення сили електричного поля та напруги, що відповідають кожному компоненту системи інспекції роботизованої руки, монтуваної на безпілотнику

Результати моделювання показали, що при цій умові підтримання відстані, просторове розподілення електричного поля навколо лінії передачі зліва від маніпулятора змінилося. Завдяки особливостям середовища надвисокого напруги (UHV), високонапружні електричні поля сильно схильні до викликання дугових перехресень та поверхневих пробоїв.

Одночасно, аналізуючи зміни потенціалу різних компонентів системи, було виявлено, що зі збільшенням відстані між системою інспекції на базі маніпулятора, закріпленого на дроні, та лінією передачі UHV, електричний потенціал всіх компонентів відповідно зменшується.

Згідно з даними таблиці 2, коли система інспекції знаходиться на відстані 0,34 м від лінії передачі UHV, максимальна сила електричного поля, яку відчуває будь-який компонент системи, не перевищує силу електричного пробою повітря. Тому висновок такий, що під час операції обслуговування ризику пробою не буде, що забезпечує безпеку та надійність системи інспекції на базі маніпулятора, закріпленого на дроні, у практичному застосуванні.

Таблиця 2: Максимальна сила електричного поля та значення напруги, що відповідають кожному компоненту системи інспекції на базі маніпулятора, закріпленого на дроні

2.3 Тести на здатність до протидії перешкодам роботизованої руки, монтуваної на дрон, при обслуговуванні ліній електропередач

Для тестування захисних властивостей дрона, обладнання для тестування включало дрон, покритий провідною фарбою, та мультиметр. Провідна фарба була рівномірно нанесена на поверхню дрона з товщиною, що не перевищує 0,05 мм. У нормальних умовах середовища вимірювалася внутрішня опір між двома точками на поверхні дрона; значення менше 1 Ом вказує на відповідність встановленому стандарту.

Тест на спотворення зображення: При застосуванні технології роботизованої руки, монтуваної на дрон, для інспекції ліній може виникнути спотворення зображення через фактори, такі як власна точність камери на стабілізаторі та якість процесів зборки. Таке спотворення призводить до розбіжностей між отриманими зображеннями та реальним сценарієм, що може погіршити здатність обслуговуючого персоналу точно визначати дефекти або несправності на лініях електропередач високого напруги (UHV).

З метою вирішення цього питання наш технічний згуртовий розробив модель корекції спотворення зображення на основі характеристик спотворення камери на стабілізаторі. Ця модель виражається наступною формулою:

У формулі:
x,y — початкові координати точки тангенціального спотворення в системі зображення;
x′,y′ — нові координати точки після корекції спотворення;
p1,p2 — параметри тангенціального спотворення;
r — радіальна відстань від центру зображення.

Спотворення об'єктиву камери головним чином поділяється на два типи: тангенціальне та радіальне. Тангенціальне спотворення в основному виникає тому, що елементи об'єктива та плоскість зображення камери не абсолютно паралельні. Радіальне спотворення, з іншого боку, виникає через те, що промені світла більш значно згинуються на позиціях, що знаходяться подальше від оптичного центру об'єктива, що призводить до спотворення, розподіленого вздовж радіальної напрямки об'єктива. Радіальне спотворення можна виразити наступною формулою:

У формулі:
x,y — початкові координати точки радіального спотворення в системі зображення;
x′,y′ — нові координати точки після корекції спотворення;
k1,k2,k3 — параметри радіального спотворення;
r — радіальна відстань від центру зображення.

На цій основі наша компанія пропонує використовувати метод калібрування Чана для виявлення радіальних компонентів спотворення, які найбільш значно впливають на формування зображення, та реконструкції параметрів моделі. Це дозволяє взаємне відображення координат об'єктів у визначеній системі координат світу та піксельних координат у площині зображення, завершуючи калібрування камери на стабілізаторі. Цей підхід ефективно знижує вплив допусків виготовлення об'єктива та процесів зборки на точність зображення, підвищує яскравість зображення та забезпечує передачу високоякісних зображень ліній електропередач високого напруги (UHV) назад до системи без затримки. Це надає обслуговуючому персоналу надійні візуальні дані для точного оцінювання наявності дефектів або несправностей на лініях.

В заключенні, технологія інспекції роботизованою рукою, монтуваною на дрон, запропонована в цій статті, задовольняє поточні вимоги до обслуговування ліній електропередач високого напругу, такі як низьке споживання енергії, довга тривалість роботи, низька вартість, висока місткість та сильне сприйняття середовища. Вона подолала ключові технічні бутленики у заміні традиційних методів ручної інспекції дронами, підвищила загальний рівень операцій з обслуговування та посилила безпеку та надійність передачі та поставки електроенергії.