1000kV交流输电线路无人机巡检技术

    无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。利用无人机进行输电线路巡线研究需要跨多个高技术含量专业，研究深度和水平要求较高，是一项刚刚起步的新技术，但与以往的方法相比较，此项技术更为先进有效，可以成为保障线路安全运行的一种新的经济可行的手段。目前，常见的无人机包括无人直升机和固定翼无人机两类。固定翼无人机具有飞行速度快、效率高，维护简便，机械结构相对较简单的特点，适用于线路走廊的快速和大面积巡视工作，但是，固定翼无人机也存在一些缺点：无法完成空中悬停，飞行高度较高，离线路距离较远，对检测设备和起飞降落场地要求较高。    无人直升机与常规气动布局的直升机相比优势有：①能够随时垂直起降、空中悬停、原地转弯，并能前飞、后飞和侧飞；②长时间悬停、贴近地面飞行，或利用地形地物隐蔽飞行；③在野外场地垂直起飞和降落，不需要专门的机场和跑道；④若发动机发生故障空中停车，无人直升机可以利用旋翼自转下滑安全着陆；⑤运营成本低，免去了调机、停机的费用和时间，而且不需要飞行员培训、飞行申请，可以快速随时随地巡线。无人直升机还具有低速飞行特性和灵活性的特点，因而无人直升机逐渐受到了各国的重视和发展。无人直升机主要有共轴反转式无人直升机、圆环型无人直升机和侧转旋翼式无人直升机等类型。    目前，国内1000kV交流输电线路及部分超高压线路已采用直升机进行航巡，但由于无人机相对直升机具有更多的优点，所以无人机线路巡检是巡线技术发展的一个方向。采用小型无人直升机进行巡线，利用空中优势，无人机监测系统可以发现地面巡视人员难以察觉的缺陷或隐患。与载人直升机相比，具有手续简便，造价低廉，安全可靠，容易大范围推广应用，因此特别适用于恶劣气象条件下随时起飞执行紧急故障巡查任务。    1．国内无人直升机及无人直升机巡检技术发展现状    小型无人直升机在国外主要用于军事上的战场侦察，有各种各样的形式，携带照相设备，一般是高空飞行。在国内，小型无人直升机是航模爱好者研究、制作较多的飞行器，主要用于航模比赛，也曾被用于220kV及以下输电线路巡检（如江西省电力公司景德镇供电局），其主要缺点是安全性和可靠性低，结构单薄，控制距离短，留空时间短，不适于工业化应用。    大型的无人直升机在国内外都有成品。由北京航空航天大学研制的无人直升机是对转双旋翼，外形尺寸与单人直升机相当。军方如总参60所及鹤壁鹤翔公司的无人机是用进口的单人载人直升机改装而成，气动外形是普通的单旋翼加尾桨结构。这两种无人直升机的结构复杂，造价高昂，难以自行制造，并需要专业人员进行维护。    目前的无人直升机适用于空中飞行和巡逻，如果用于巡线必须另外安装专用的三轴陀螺稳定平台和监测系统，主要是可见光摄像机、高速相机，可选择加挂红外测温仪、测距仪等。    另外，体积较大的无人机也属于航管范围，每次飞行都需要提前向航管部门提出申请，批准后才能飞行，不适用于线路紧急故障需要立即起飞的情况。    国内无人直升机巡检系统及巡线开展情况见表3-3。    表3-3    国内无人直升机巡检系统及巡线开展情况
 序号     实施单位     实施地点     实施时间     1  山东电力集团公司  500千伏川泰Ⅰ、Ⅱ线雪野湖段  2010年4月7日     2  北京供电公司、珠海供电局 　  2009年     3  江西省电力公司景德镇供电局  220kV景蛇Ⅱ回输电线路  2009年4月9日     4  福建省电力公司福州供电局  220kV鼓榕Ⅰ回线路  2009年10月11日     5  湖北超高压输变电公司  500千伏川泰Ⅰ、Ⅱ线雪野湖段  2011年8月     2．无人机巡线的关键技术    1000kV交流输电线路无人机巡线的关键在于无人机应能满足线路巡视检测功能要求。无人机应携带相应的监测设备，具有稳定平台（陀螺稳定仪云台或吊舱系统），拥有人工遥控及自动驾驶两种模式，并可以自动切换。无人机还应具有强大的通信、导航、定位系统，所携带检测系统应简单实用并有增减挂架，既能够实施巡航，又能够悬停重点检测某电气局部详情。根据以上概述，用于1000kV交流输电线路巡检的无人机应具备以下关键技术，才能无人飞机巡线进入实用化：    (1)稳定飞行技术。无人机飞行稳定，可通过陀螺稳定仪云台或吊舱系统实现，在1000kV交流输电线路巡检中，无人机要保证其巡视检测设备不抖动，从而进行各种仪器航空影像的拍摄。    (2)精确控制技术。鉴于特高压交流架空输电线路长度较长，无人机应能够进行远距离控制。无人机由地面控制系统操控实现机体的悬停、飞行，并能够微调方向，以便于局部检测；无人机实时向控制中心传递图片或视频。此项技术需要建立在GIS地理信息系统之上，并且无人机要具备GPS自主线路导航控制、地理匹配自动控制、线路杆塔自动跟踪等飞行控制功能，    (3)节能续航技术。1000kV交流输电线路无人机巡线对无人机的要求较高，无人机要满足一定的载重量，同时其体积也不宜过大，续航能力要求较高。所以，无人机的节能续航技术极其重要。小型无人机应能满足单人携带，大型无人机需满足一辆面包车运输的要求，不需要特别的起飞场地，无人机在满足一定载重能力的同时应保证其续航能力应不低于100km（大型），飞行持续时间不小于2h。    3．无人机巡检的实现功能    无人机巡检方式是把小型摄像机、照相机、红外检测仪、紫外检测仪放置在飞机（或吊舱）内。无人机自身安装GPS自主线路导航控制模块，通过控制中心控制平台，实现飞机的航线的设定和相关的飞行操作。无人机上各种检测仪器实时检测的图像，可以通过无线网络传输至控制中心监控台，实现实时观测，或者在巡航完成时，将设备巡航影像资料取回进行观测分析。    无人机巡检应在天气晴朗时进行，以便进行巡视图像录制、拍摄等工作。一般飞机巡线时宜在导线侧上方沿导线飞行，飞机和太阳宜在导线同侧，避免逆光；镜头轴线应与水平面成一定角度，距导线小于100m。镜头的指向（一般可自动调焦）通常预先在地面固定好，飞行中不再变动。若需变动时，靠改变飞机飞行轨迹来实现。如果在运动的飞行器上配备十分复杂陀螺稳定系统云台就可以实现自动瞄准，一次成像，然后进行精细输电分析。    控制中心利用特高压智能巡检系统，通过对无人机巡视图像的分析，判断巡视结果，成成相应报表，完成线路巡视工作。    4．无人直升机的选型    无人直升机应能在野外1000kV交流输电线路走廊对线路和杆塔进行巡检，其工作环境具有以下特点：①环境温度为-20～50℃，阳光直射；②湿度为20%RH～90%RH;③飞行环境存在电磁场。无人直升机应能满足以上三点工作要求并具备以下功能：①具有遥控启动功能；②具有自主起降功能；③能按照事先规划的路线全自动自主悬停和飞行；④操控距离应大于20km；⑤具有一定的防潮、防尘功能；⑥具有良好的操控性和实时性。    无人直升机在满足以上条件后应根据以下五方面参数考量备选机型：①飞机自身参数，包括升限、巡航能力、抗风等级、飞行半径、载重能力等；②飞行稳定性；③系统完整性，包括飞机平台、飞控系统、通信系统、云台、地面控制站等；④研发队伍的实力，主要以研发团队的人员数量、经验、专业性来衡量；⑤售后服务能力。通过以上对比及调研，初步选定ZN-1型及ZN-2型两种无人直升机供线路巡检使用，表3-4所列为技术数据对比，仅供读者参考。    表3-4    无人直升机方案对比
    项 目     参    数     机型     ZN-1     ZN-2     最大任务荷载(kg)     20     11     最大平飞速度(km/h)     不小于70     90     实用升限(m)     海拔1000     海拔800     续航时间(h)     不小于1.5     1     控制半径(km)     不小于20     不小于20     展开时间( min)     30     30     发动机(hp)     25     10     空重(kg)     68     18     展开时间(min)     30     15     旋翼直径(mm)     3200     2200     机场(mm)     2700     2300     全长(mm)     3600     2700     高度(mm)     1109     800     产地     完全国产     机体进口     运输     中型依维柯     三菱帕杰罗越野车     机组成员（人）     5     5     定位     大荷载、大规模巡检任务     低成本、易维护、小范围特巡     ZN-1型直升机吊舱主要技术参数见表3-5。    表3-5     ZN-1型直升机吊舱主要技术参数
    项 目     参 数     项 目     参 数     重量(kg)     ≤10     俯仰(°)     110～30     高度(mm)     ≤370     旋转速度(°/s)     ≥60     宽度(mm)     ≤270     工作电压(V)     28     工作温度(℃)     20～60     最大功耗(W)     ≤60（不含传感器）     工作湿度 20%RH~90%RH  稳定精度μrad (RMS)     200     水平旋转(°)     0～360 　- 　-     随着输电可靠性的要求越来越高，各种电压等级无人机巡检的不断尝试及应用，特高压架空输电线路无人机巡检将逐步成为可能，它将大幅提高巡检作业的质量和科学管理技术水平，增强电力生产自动化综合能力，创造更高的经济效益和社会效益。