电力行业无人机应用大揭秘

摘要: 全国输配电技术协作网输电线路无人机技术工作组组织编写

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输电线路巡检篇


无人机在电力行业的应用,除了实现输电线路巡检外,还能辅助实现异物处理、线路架设等。

无人机小知识

无人机多为旋翼直升机(也有固定翼直升机),以旋翼为推动方式,具有垂直起降和空中悬停的特点,可分为旋翼带尾桨、共轴反桨和多旋翼等形式,多旋翼无人直升机通常有四旋翼、六旋翼和八旋翼等结构。无人机按照空机质量又分为大型无人机、中型无人机和小型无人机。大型无人机指空机质量大于116kg的无人机,目前处于研究阶段,应用尚不成熟;中型无人机指空机质量大于7kg且小于等于116kg的无人机,一般是单旋翼带尾桨式无人机,适用于中等距离的多任务精细化巡检;小型无人机指空机质量小于等于7kg的无人机,一般是电动多旋翼无人机,适用于短距离的多方位精细化巡检和故障巡检。

无人机输电线路巡检

随着科技的高速发展,相关数据和图像资料表明,在观察输电线路设备运行情况时,无人机技术可以起到相当关键的作用,大大减轻了电力员工的作业负担。通过无人机,可以清楚判断重要部件是否受到损坏,保证输电线路的安全,保障居民的用电。除正常巡检和特殊巡检外,还可将无人机应用在电网灾后故障巡检。当灾害导致道路受阻、人员无法巡检时,无人机可以发挥替代作用,开展输电线路巡查,准确定位杆塔、线路故障,且视角更广,能避免“盲点”。无人机巡检提高了电力维护和检修的速度和效率,使许多工作能在完全带电的情况下迅速完成,比人工巡检效率高出数十倍。

——巡检内容——

1)无人直升机巡检。无人直升机具备悬停功能,可操控性强,能近距离对线路设备进行巡视检测,其巡检对象主要为线路设备本体。无人直升机巡检包括正常巡检、故障巡检和特殊巡检,具体巡检内容如下:

正常巡检。主要对输电线路导线、地线和杆塔上部的塔材、金具、绝缘子、附属设施、线路走廊等进行常规性检查。巡检时根据线路运行情况、检查要求,选择性搭载相应的检测设备进行可见光巡检、红外巡检。可见光巡检主要检查内容包括导线、地线、绝缘子、金具、杆塔、基础、附属设施、线路走廊等外部可见异常情况和缺陷。红外巡检主要检查内容包括导线接续管、耐张管、跳线线夹及绝缘子等相关发热异常情况。

故障巡检。线路发生故障后,根据故障信息,确定重点巡检区段和部位,采用无人直升机查找故障点及其他异常情况。

特殊巡检。根据季节特点、设备内外部环境及特殊生产需要做出的加强性、防范性及针对性巡检,如鸟害巡检、树竹巡检、防火烧山巡检、外破巡检、灾后巡检等。


2)固定翼无人机巡检。固定翼无人机巡检具有巡检速度快、巡检航程长等特点,其巡检对象主要为通道。固定翼无人机巡检也包括正常巡检、故障巡检和特殊巡检,具体巡检内容如下:

正常巡检。主要对线路通道、周边环境、施工作业、沿线交叉跨越等情况进行巡检,及时发现和掌握线路通道环境的动态变化情况及线路本体的明显缺陷。

故障巡检。发生线路跳闸后,根据实际情况使用固定翼无人机进行故障查找工作。

特殊巡检。在灾后评估、计划外的巡检工作中,根据实际运行需要,合理安排特殊巡检。

——巡检方式——


1)无人直升机巡检。小型无人直升机巡检方式如图1-1所示。巡检时应始终保持通视状态下作业,不应采用手动飞行模式在巡检作业点进行巡检作业;可采用自主或增稳飞行模式飞至巡检作业点,然后以增稳模式进行巡检作业。不可长时间在设备正上方悬停,不可在重要建筑及设施、公路和铁路等的正上方悬停。巡检作业时,巡检飞行速度不宜大于10m/s。与线路设备距离不小于5m,与周边障碍物距离不小于10m。其巡检效果如图1-2所示,通过采集的影像可发现存在两处缺陷,即跳线断股、螺栓缺销子。




中型无人直升机巡检方式如图1-3所示。宜采用自主起飞,增稳降落模式。起飞和降落点宜相同,且远离周边军事禁区、军事管理区、人员活动密集区、森林防火区、重要建筑和设施等。巡检飞行速度不宜大于15m/s。与线路设备距离不小于30m,水平距离不小于25m,与周边障碍物距离不小于50m。其巡检效果如图1-4所示,检测发现杆塔螺栓缺失。


2)固定翼无人机巡检。固定翼无人机巡检方式如图1-5所示。固定翼无人机在线路侧上方沿线路包络线飞行,自上而下对通道环境进行拍摄,航线任一点应高出巡检线路包络线100m以上。巡检飞行速度不宜大于30m/s。其巡检效果如图1-6所示,从采集的影像上可检测倒塔情况。


异物处理、线路架设篇


无人机输电线路除障

在供电部门基层单位,流行着这么一句话:“宁翻三座山,不登一级塔”,这句行业谚语道尽了登塔的艰辛。近年来,随着城市化进程的加速,输电线路外飘异物隐患不断攀升,引起线路跳闸,影响电网安全经济运行。防范外飘隐患引起的线路事故,除了加大巡视、宣传力度外,在已发现隐患的情况下,按照传统的除障方法需要紧急申请线路停电以及人工高空作业登塔出线去摘除,这将消耗大量的时间以及人力、物力,人工处理类似隐患用时将近5~8h,同时也存在较大的人身风险与电网风险。


无人机喷火是解决这一难题的可行方法。普通的无人机,只要火舌一接触或者靠近高压线,就会被直接吸过去,因而在带电环境下喷火,是一项极富挑战性的课题,以往在世界范围内都没有先例。近年来,随着无人机的推广应用,电力员工逐渐探索出一套行之有效的处理方式,即首先令无人机喷洒出雾化水珠状的汽油作为燃料,待线路悬挂异物充分浸染后,再使无人机点火,然后立刻熄灭,避免电场力作用,并适时再度喷洒燃料助燃,如图1-7所示。这种方法对无人机操控手的要求较高,却可使原来数小时的清障时间缩短到数分钟,不仅提高了工作效率,还降低了人身危险。


无人机电热丝除障是另一可行途径。以多旋翼无人机为飞行平台,利用材料轻、硬度强的碳纤维管作为主体支架,一端通过连接板固定到无人机机架上,另一端连接由碳纤维板制作成的引导槽,在引导槽内部装有电热丝。电热丝连接电子电压调节器,通过遥控接收机提供的信号,调节调压系统控制的电压,改变通过电热丝的电流,从而实现电热丝温度调节。利用高温的电热丝烧断缠绕在电力线路上的飘带、风筝线等。该方法根据大部分外飘物的特点设计而出,主要应用在风筝线等细线外飘物除障方面。传统异物处理方式与无人机异物处理方式如图1-8和图1-9所示。


此外,还可利用无人机机械手清障。机械手使用折叠机构和鱼丝线传动机构,刀具使用陶瓷材料,有效防止产生拉弧现象和减轻整体重量,保障无人机和操控系统的正常工作。机械手的制作要求严格的无人机配平调试,此设计有利于无人机的平衡和处理多种多样的障碍物。国网福建省电力有限公司,南网广州、深圳等供电局对相关技术有一定的研究。

无人机架线

随着国家对电力行业的不断投入,电网建设在近几年得到了大力发展。在山区、河流等条件复杂的环境下进行电网建设时,往往需要大量的人力物力去架设输电线路,不但成本高,而且作业时间比长。但不管是城市还是农村,对用电的需求都特别大,因此建设电网的周期要求特别短。如果采用人工作业的方式,建设时间长就会带来成本的增加。所以,电力行业迫切需要一种能够在成本和时间上给电网工程带来实质性收益的建设方式,无人机在这种大环境下应运而生。


输电线路架设放线施工,是输电线路架设一项常规工作,一般放线地形环境可分为:① 平原放线;② 丘陵放线;③ 江河湖海跨越放线;④ 山地放线;⑤ 原始丛林放线;⑥ 跨越线路或穿越线路放线等。根据科技技术的发展,放线类型可分为:① 人工放线;② 动物牵引放线;③ 机械、车辆、船艇牵引放线;④ 气球牵引放线;⑤ 动力飞艇牵引放线;⑥ 动力伞牵引放线;⑦ 直升机牵引放线;⑧ 多旋翼无人机牵引放线。


气球牵引放线主要用于大跨越的放线,由气球牵引线牵引,气球拉动牵引线进行大跨越放线。


动力飞艇牵引放线的优点是载荷大,可以直接带钢丝绳或牵引绳,其次是起降方便,场地要求有50平方米空地即可,缺点是飞行受风的影响大,4~5级风即无法完成放线任务,且地面配合复杂,需要进行地面充氦气,成本较高。


动力伞牵引放线是近几年较为流行的一种放线方式,可以实现远距离放线,放线距离甚至可以达到单程10km,但动力伞牵引放线也存在以下几点问题:

1)动力伞需要空中1~2个人配合,危险系数较高;

2)动力伞对空域气流及放线环境要求较高,大于4级风一般就无法进行放线,同时山谷气流对动力伞是非常致命的威胁,据悉220kV五银Ⅰ、Ⅱ路动力伞牵引放线突遇气流险些坠机;

3)动力伞牵引放线需要150~300m的机耕路作为跑道,对场地要求还是非常高的;

4)动力伞一般为概率放线法,牵引线抛掷在距离钢塔半径为200m左右范围内,需要施工人员寻找牵引线上塔;

5)动力伞在执行大落差爬升放线任务时难度较大;

6)动力伞牵引放线价格一般为7000~30000元/km,根据现场飞行情况、飞行总量和飞行要求确定。


直升机牵引放线价格昂贵,而多旋翼无人机牵引放线是这两年来慢慢流行的一种新型放线技术,一般可以实现每档2km距离的放线任务,特殊情况下可实现5km级别放线;一般一天可以完成10km档距的放线。


多旋翼无人机牵引放线的优点是:

1)可以应付较为复杂的放线环境,包括各种跨越、穿越等;

2)无人机牵引放线一般可以抵御6级大风环境放线,在沿海、山谷地区可以实现安全放线,遇上突发气流,无人机基本可以安全放线;

3)特殊情况下无人机甚至可以实现10级风的放线任务;

4)无人机对放线场地要求很小,即使是在树林中,也可以实现起降;

5)无人机甚至可以实现丛林穿越放线、盲飞放线;

6)无人机可以实现杆塔精准放线,可以直接将牵引线穿越至每一基杆塔,实现牵引线直接上塔,大大提高了工作效率;

7)无人机费用较低,据了解,市场实际报价为3500~6000元/km (具体根据现场实际要求而定),大型八旋翼无人机轻载续航可维持45min,飞行半径可达5km。据统计,以往人工作业需要10天的线路施工工程,采用无人机架线方案后,缩短到1~2天的时间,而且无须破坏环境,节省了大量的人力和财力。无人机架线在今后的发展中,将会得到更大范围的普及,将成为电力行业中最常见的架线方式,如图1-10所示。


本文摘自《无人机输电线路巡检应用发展报告(2016)》

《无人机输电线路巡检应用发展报告(2016)》梳理并汇总了无人机相关的最新信息。分为现状篇、成果篇、展望篇,并附有无人机相关标准目录、专利技术路线布局相关图表、无人机相关供应商名录、无人机输电线路巡检相关产品介绍,方便查询。

全面地介绍了国家电网公司、南方电网公司、内蒙古电力(集团)有限责任公司在无人机输电线路巡检技术方面的应用现状,应用成果案例及未来技术展望。


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