輸電線路無人機巡檢技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及相關(guān)問題分析

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(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430074；2.國家電網(wǎng)公司直流 建設(shè)分公司,北京 100032；3.中國能源建設(shè)集團江蘇省電力建設(shè)第三工程有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212000 )

1 引言

無人機巡檢試點工作開展以來，國內(nèi)外生產(chǎn)、檢測、科研、應(yīng)用單位對無人機巡檢進行了諸多研究。期間，多地部門組織開展了小型無人直升機(多旋翼無人機)、固定翼和中型無人直升機高、低海拔環(huán)境下的巡檢性能測試，明確了功能定位和技術(shù)參數(shù)，并形成了各型無人機技術(shù)規(guī)范書。在標(biāo)準(zhǔn)、檢測、培訓(xùn)、維護保養(yǎng)、評估等支撐體系建設(shè)方面取得了初步成效，為輸電線路無人機巡檢技術(shù)推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 無人機巡檢系統(tǒng)分類

2.1 小型無人直升機巡檢系統(tǒng)

小型無人直升機巡檢系統(tǒng)[1-3]一般由小型無人機、任務(wù)設(shè)備組成。旋翼數(shù)量大于等于四個的無人機(空機)重量多數(shù)在3～7kg，個別機型7～9kg；一般通過兩軸云臺搭載攝像機或紅外成像儀作為任務(wù)設(shè)備，個別使用三軸云臺，也有個別機型的任務(wù)設(shè)備是可見光紅外一體化成像儀，僅一個機型的紅外具備熱圖數(shù)據(jù)；低海拔續(xù)航時間一般為13～22分鐘，最低的僅10分鐘，最高的一個機型可達45分鐘，高海拔續(xù)航時間一般為13～19分鐘，較低的僅9分鐘，最高的可達28分鐘；測控距離絕大多數(shù)為0.8～1km，個別2km。

小型無人直升機巡檢系統(tǒng)主要對目視范圍內(nèi)、人不方便到達的一到兩基桿塔進行飛行巡檢，巡檢距離較短；在某些情況下也可以檢查設(shè)備發(fā)熱情況，因此可實現(xiàn)可見光、紅外設(shè)備互換，且紅外具備熱圖數(shù)據(jù)；其缺點主要是無人機飛行時存在晃動，攝像機成像時間較長，存在拖影，難以滿足巡檢需要，因此巡檢時應(yīng)使用曝光時間較短的照相模式。

2.2 中型無人直升機巡檢系統(tǒng)

中型無人直升機巡檢系統(tǒng)[4]由中型無人直升機、吊艙、任務(wù)設(shè)備組成。中型無人機由于尺寸較大，不全在目視范圍內(nèi)巡檢作業(yè)。續(xù)航時間多數(shù)為10分鐘左右，個別可達90～120分鐘，荷載一般為10kg左右，個別可達30kg，測控距離一般為5km，可通過預(yù)設(shè)航線自主飛行一次、精細(xì)巡檢10基左右桿塔。巡檢拍照距離一般在50m左右(水平30m)，因此，小型云臺加任務(wù)設(shè)備的模式很難滿足成像質(zhì)量要求，必須使用吊艙。任務(wù)吊艙種類較多，但受飛行平臺有效載荷限制、以及目前現(xiàn)有任務(wù)設(shè)備質(zhì)量的約束，將任務(wù)吊艙規(guī)定為單光源吊艙(可見光吊艙、紅外吊艙)，限制重量小于7kg?，F(xiàn)有吊艙能保證水平、俯仰兩軸轉(zhuǎn)動范圍，可同時搭載攝像機和照相機，重量一般為5～7kg?？梢姽馊蝿?wù)設(shè)備成像范圍大、清晰度高，能遠(yuǎn)距離檢測銷釘級缺陷。紅外任務(wù)設(shè)備分辨率相對較高，具備熱圖數(shù)據(jù)。

目前國內(nèi)成熟的中型無人直升機機型較少，多數(shù)采用25B改裝。飛控系統(tǒng)良莠不齊，部分飛行穩(wěn)定性難以滿足要求。無論設(shè)備結(jié)構(gòu)還是維護保養(yǎng)都較為復(fù)雜，操作上操控手、程控手和任務(wù)操作手相互配合作業(yè)較多。因此，對作業(yè)人員培訓(xùn)的要求高、內(nèi)容多、時間長。

2.3 大型無人直升機巡檢系統(tǒng)

大型無人直升機巡檢系統(tǒng)[5]中的無人直升機尺寸更大，一般空機質(zhì)量大于116kg，其續(xù)航時間也大大增加，可超過2小時，測控距離一般大于20km。國內(nèi)大型機機型成熟度不高，多為科研轉(zhuǎn)化階段。巡檢使用和維護保養(yǎng)都極其復(fù)雜，對作業(yè)人員培訓(xùn)的要求極高，且需專門機庫存放、專業(yè)班組定期維護。目前只在福建、四川等省電力公司有應(yīng)用。

2.4 固定翼無人機巡檢系統(tǒng)

固定翼無人機巡檢系統(tǒng)[6-7]與直升機巡檢系統(tǒng)主要區(qū)別在于動力系統(tǒng)。固定翼的動力供給包括燃油和動力電池。電動固定翼無人機的續(xù)航時間受電池制約，一般在23 ～35分鐘不等，較少的僅11分鐘，個別可達1小時左右；起飛重量一般在7kg以下；一般采用手拋或彈射方式起飛、傘降或機腹擦地方式降落；巡航速度60～80km/h。油動固定翼的續(xù)航時間一般在1.5～3小時左右，部分可達10小時；起飛質(zhì)量相對較大，一般在12～25kg左右；采用彈射或滑跑方式起飛，傘降、滑降方式降落；巡航速度90～120km/h，個別可達160km/h。

固定翼無人機巡檢系統(tǒng)主要對大范圍的通道情況進行巡視檢查，在發(fā)生災(zāi)害時，能迅速獲取通道的倒塔斷線情況，進行通道普查。一般由省檢修公司用于500kV及以上輸電線路通道巡視和災(zāi)后電網(wǎng)評估。

3 無人機巡檢內(nèi)容及作業(yè)方式

3.1 無人機巡檢內(nèi)容

無人機巡檢主要包含正常巡檢、故障巡檢、特屬巡檢等內(nèi)容。正常巡檢時，主要應(yīng)用無人機巡檢系統(tǒng)對輸電線路導(dǎo)線、地線和桿塔上部的塔材、金具、絕緣子、附屬設(shè)施、線路走廊等進行常規(guī)性檢查；巡檢時根據(jù)線路運行情況、檢查要求，選擇性搭載相應(yīng)的檢測設(shè)備進行可見光巡檢、紅外巡檢項目。故障巡檢時，根據(jù)故障信息，應(yīng)用無人機巡檢系統(tǒng)確定重點巡檢區(qū)段和部位，查找故障點及其他異常情況。特殊巡檢時，可以利用無人機巡檢系統(tǒng)輔助完成鳥害巡檢、樹竹巡檢、防火燒山巡檢、外破巡檢、災(zāi)后巡檢等特殊巡檢內(nèi)容。

3.2 無人機巡檢作業(yè)方式

根據(jù)無人機巡檢系統(tǒng)的分類及當(dāng)前我國無人機巡檢系統(tǒng)應(yīng)用情況可將無人機巡檢作業(yè)方式分為小型無人直升機作業(yè)方式、中型無人直升機作業(yè)方式、固定翼無人機作業(yè)方式等三類。

小型無人直升機作業(yè)方式應(yīng)始終保持通視狀態(tài)下作業(yè)。不應(yīng)采用手動飛行模式在巡檢作業(yè)點進行巡檢作業(yè)，可采用自主或增穩(wěn)飛行模式飛至巡檢作業(yè)點，然后以增穩(wěn)模式進行巡檢作業(yè)。不可長時間在設(shè)備正上方懸停，不可在重要建筑及設(shè)施、公路和鐵路等的正上方懸停巡檢作業(yè)時，巡檢飛行速度不宜大于10m/s。距線路設(shè)備距離不小于5m，距周邊障礙物距離不小于10m。

中型無人直升機作業(yè)方式宜采用自主起飛，增穩(wěn)降落模式。起飛和降落點宜相同，且遠(yuǎn)離周邊軍事禁區(qū)、軍事管理區(qū)、人員活動密集區(qū)、森林防火區(qū)、重要建筑和設(shè)施等。相鄰兩回線路邊相之間距離小于100m(山區(qū)150m)時，不得使用大型無人直升機巡檢系統(tǒng)在兩回線路之間飛行。距線路設(shè)備距離不小于30m、水平距離不小于25m，距周邊障礙物距離不小于50m。巡檢飛行速度不宜大于15m/s。

固定翼無人機作業(yè)方式其航線任一點應(yīng)高出巡檢線路包絡(luò)線100m以上。巡檢飛行速度不宜大于30m/s。

4 無人機巡檢運行中典型故障原因分析及措施建議

4.1 無人機巡檢典型故障案例原因分析

(1)案例一為丟星故障。無人機在距塔線較小距離飛行時，有時容易突然丟星，無人機在重新定位過程中位置晃動，撞擊塔線導(dǎo)致摔機。經(jīng)過事后分析可知，飛行過程中，GPS模塊與通訊板的連接線脫落。無人機重新定位過程中，飛控手未及時切換至手動模式接管無人機是無人機出現(xiàn)丟星現(xiàn)象的主要原因。因此，針對上述原因，解決方案包括改進連接線固定措施；優(yōu)化任務(wù)設(shè)備，在要求的安全距離下可獲取清晰影像；加強應(yīng)急操控能力等。

(2)案例二為動力丟失現(xiàn)象。無人機在巡視過程中，有時出現(xiàn)異?；蝿?，機體不受遙控器控制，出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，隨后動力丟失，呈自由落體墜落。經(jīng)過分析，造成無人機動力丟失的原因為，電池插頭連接時未可靠固定，出現(xiàn)松動現(xiàn)象，飛行時飛控斷電。在此建議對電池連接插頭進行更換,采用反鎖固定方式，可大大降低無人機動力丟失現(xiàn)象的發(fā)生機率。

經(jīng)過多次故障分析可知，無人機巡檢系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)基本固化，技術(shù)實現(xiàn)上不存在困難，目前應(yīng)用中出現(xiàn)的問題基本是廠家生產(chǎn)質(zhì)量良莠不齊，主要表現(xiàn)為：

①選用的動力電池性能降低，使用中出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；充放電壽命不滿足要求；容量降低，導(dǎo)致續(xù)航時間降低等；

②選用的圖傳、數(shù)傳鏈路性能降低，使用中常發(fā)生閃斷現(xiàn)象。飛行穩(wěn)定性和可靠性不夠；

③選用的任務(wù)設(shè)備性能降低，成像質(zhì)量降低；

④其它問題，如地面站續(xù)航時間不足、任務(wù)設(shè)備續(xù)航時間不足、插接件連接未有效固定等。

4.2 措施建議

為了解決上述問題，無人機設(shè)備廠商應(yīng)該結(jié)合輸電線路具體的運行環(huán)境，完善無人機在材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等方面的優(yōu)化設(shè)計，并在生產(chǎn)前進行相關(guān)產(chǎn)品定型試驗，電力運行部門作為無人機巡檢使用單位，更應(yīng)該對無人機巡檢系統(tǒng)進行嚴(yán)格的入網(wǎng)檢測和驗收，提高無人機巡檢系統(tǒng)的可靠性和實用性。

5 總結(jié)

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展和大力建設(shè)，越來越多的輸電線路投入運行，大大增加了線路巡檢的工作量。本文結(jié)合當(dāng)前無人機巡檢研究現(xiàn)狀，從結(jié)構(gòu)入手介紹了四種無人機巡檢系統(tǒng)，從實際應(yīng)用工況介紹了無人機巡檢的內(nèi)容和作業(yè)方式，并根據(jù)相關(guān)典型故障案例分析了無人機巡檢存在的問題，提出了一定的措施建議。