多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的應用局限及發展前景

楊 杰，邵 帥，王 凱，張慶雷，高 翔，黃 濤，王文賢

(國網濟南供電公司，山東 濟南 250000)

輸電線路需要進行定期巡視檢修[1-3]，高壓輸電線路的巡檢主要依靠人工方式，工作強度大、工作條件差、工作效率低且存在人身安全的風險[4-5]。隨著無人機技術尤其是多旋翼無人機技術的發展，已逐步開始利用多旋翼無人機為載體，地面監控設備為支撐的輸電線路巡檢系統[6-8]。

目前，大多無人機為通用產品，性能還無法滿足輸電線路巡檢的特殊要求，本文將從高壓輸電線路的特殊需求、輸電線路用多旋翼無人機應用現狀及其在輸電線路巡檢領域未來的發展方向等方面對多旋翼無人機進行探討，以期為未來輸電線路用無人機的發展提供一定的指導。

1 高壓輸電線路的特殊需求

高壓輸電線路一般指35 kV及以上的架空輸電線路，是連接發電廠和變電站的主要設備。由于高壓輸電線路規模龐大、環境復雜而且帶大負荷運行等情況，因此無人機巡視具有以下幾個特點。

1.1 目標小

輸電線路無人機巡檢對象主要為輸電桿塔中的眾多金具，包括延長環、掛板、螺栓、銷子等。這些金具與輸電桿塔相比，大都體型較小，長度在幾厘米到十幾厘米，目標較小，缺陷發現難度較大。

1.2 數量多

隨著社會用電量的持續攀升，電網建設進程不斷加快，需要進行巡視和檢修的桿塔數量和規模不斷擴大。據不完全統計，國網濟南供電公司管轄的輸電線路就達7 200余基，巡檢工作量巨大。

1.3 距離遠

作為連接發電廠與變電站之間及變電站與變電站之間重要電力設施，輸電線路一般長度較長，特別是隨著特高壓交流、直流輸電的發展，單條輸電線路的長度已達幾千公里。同時，為降低建設成本，各桿塔之間的距離設置均比較大，據統計，220 kV及以上線路檔距大多在300 m以上，跨江、跨河等大跨越線路更可達幾千米。

1.4 風速高

隨著城市建設規模的不斷擴大及居民維權意識的日益提高，輸電線路防外破形勢越來越嚴峻。目前有效地解決方式是提高輸電線路桿塔高度，逐步淘汰高度較低的水泥桿數量。以濟南公司為例，近十年來所建設的桿塔均為鐵塔或鋼管塔，并且高度在20～120 m。根據《電力工程高壓送電線路設計手冊(第二版)》可知，以120 m高跨河桿塔為例，假設地面為5級風，風速為10 m/s，則塔頂地線掛點處風速為13.9 m/s，為7級風。

1.5 環境復雜

由于土地資源緊張、民事協調難度大等問題，新建的高壓輸電線路多處于郊區、丘陵、山地等地形復雜地區，特別是南方，輸電線路穿梭于崇山峻嶺之中，為輸電線路巡檢帶來巨大的困難。

1.6 電磁影響惡劣

輸電線路尤其是高壓輸電線路都具有電壓高、電流大的特點，加之輸電線路均為裸導線，其周圍存在較強的電磁場，這對輸電線路用無人機的電磁屏蔽和抗干擾能力提出了更高的要求。

2 多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的應用局限

隨著多旋翼無人機技術的日漸成熟，無人機也越來越廣泛應用于高壓輸電線路巡檢。國網公司已連續進行多次招標，并在中國電科院武漢高壓試驗基地開展了各項多旋翼無人機的試驗項目，這為無人機在輸電線路巡檢中的應用打下了堅實的基礎。

目前市場上存在的多旋翼無人機大體分為兩類，一類是輕型化，以航拍為主要用途的無人機，主要生產廠家是大疆公司；另一類是體型較大，以完成特定作業任務為主要用途的無人機，如噴灑農藥、巡視輸電線路等，其主要生產廠家有伊瓦特、中航智等。

另外，已有大量的文獻對多旋翼無人機在輸電線路中的應用做了研究[2,5-9]，文獻[10-13]提出了多種利用無人機進行輸電線路缺陷檢測的方法，如紅外檢測、紫外檢測、傳感器數據分析等；文獻[1-3,5-9]都從輸電線路巡視的角度探討了無人機的應用及發展方向。但這些僅是對無人機功能模塊的再次開發，并未對無人機本身的改進提出建設性意見。

目前應用于輸電線路巡檢的多旋翼無人機存在以下幾個方面的問題。

(1)續航能力不足。目前市面上的多旋翼無人機多采用電池供能的形式，其續航時間多在30 min內，無法滿足輸電線路大規模巡視要求。

(2)自身重量與拍攝質量矛盾突出。由于電磁環境的影響，無人機在進行輸電線路巡視時與帶電導線需保持至少10 m的距離，這要求無人機搭載的相機或鏡頭具有可變焦功能，才能發現輸電桿塔上存在的少銷子、少螺栓等微小缺陷。質量輕、體型小的大疆無人機搭載的鏡頭無法實現變焦，而搭載可變焦相機的中航智及伊瓦特無人機又存在體型大、質量重，無法滿足正常巡視要求的問題，因此無人機自身重量與拍攝質量的矛盾限制了其在輸電線路巡檢中的應用。

(3)起降條件要求苛刻。多旋翼無人機起飛和降落時需保持水平狀態，這要求輸電桿塔及線路周圍必須有一塊1～2 m2見方的平地才能滿足無人機的起降要求。而處于丘陵、山地等復雜地區的輸電桿塔周圍幾乎不存在類似場地，大大限制了無人機在丘陵、山地等地區進行輸電線路巡檢作業。

(4)功能較為單一。目前市面上的多旋翼無人機功能大多集中在拍照上，僅僅只能進行輸電線路日常巡視，遠遠無法完成像帶電除異物、補開口銷、校緊引流板等檢修作業。而目前各文獻及專利提出的無人機功能開發也大多停留在試驗室層面，離大規模應用還有很長的一段距離。

3 輸電用多旋翼無人機的未來發展方向

在不久的將來，無人機在輸電線路巡檢方面將獲得廣泛推廣應用，但目前市場中的無人機在輸電線路巡檢中的適應性遠遠無法達到要求。因此，為適應輸電線路巡檢作業的特點，未來輸電用多旋翼無人機應具備以下幾個特點。

3.1 續航時間更長

隨著輸電規模的進一步擴大，無人機巡檢的任務將進一步加重，單純靠增加無人機數量的方式來滿足作業量的迅速增加是不可取的，這要求多旋翼無人機具備較長的續航時間，但由于無人機工作方式的特點，電池的重量還需保證在一定的范圍內。因此，首先，要積極探索新型高能量密度的電池材料，在保證電池體積基本不變的情況下，提高電池容量；其次，提高無人機系統的運行效率，降低無人機系統的能量損耗，進而延長續航時間；最后，開發無人機光伏系統，利用太陽能為無人機提供可持續的動力，提高無人機的續航時間。

3.2 抗電磁干擾能力更強

由于多旋翼無人機多工作在輸電線路周圍，其受到的電磁干擾尤為強烈，無人機在進行近距離工作時，通常會出現鏈路丟失、圖傳延遲、控制滯后等問題，嚴重影響無人機的正常工作，這大大限制無人機在輸電線路巡檢中的應用推廣。如何能夠提高無人機的抗電磁干擾能力，降低甚至屏蔽高壓輸電線路對無人機的電磁干擾，保證無人機在輸電線路附近的正常工作，將是推動輸電線路用無人機發展的一個至關重要的因素。

3.3 地形適應力更好

在丘陵、山地等地形復雜地區，常常因為沒有適合起降的場地而限制多旋翼無人機的使用。開發一種簡單、便攜的無人機起降平臺，作為無人機起降的輔助工具，解決無人機起降的場地限制問題，進而提高無人機的各地形適應能力。

3.4 控制距離更遠

目前，市場上多數多旋翼無人機的控制距離在2 000 m以內，大概為3～4檔輸電線路的距離。隨著輸電線路規模的不斷擴大、巡檢作業量的增加以及無人機續航能力的提高，該控制距離將無法滿足未來的工作要求。因此，提高地面站信號收發能力，擴大無人機控制范圍，將是未來輸電用無人機的一個重要發展趨勢。

3.5 抗風性能更高

隨著桿塔尤其是大跨越桿塔高度的持續增加，多旋翼無人機巡檢作業處的風速將超過目前市場上大多數無人機的承受范圍(注：目前市場上大多數無人機的抗風能力為4～5級)，無人機巡檢能力得到嚴重限制。如何改進多旋翼無人機的飛控系統，提高無人機抵御高強度大風的能力，對于無人機的在輸電線路巡檢領域的發展同樣起著比較重要的作用。

3.6 質量更輕

由于輸電線路規模巨大，巡檢作業量持續增加，加之有相當部分的輸電線路桿塔位于山地、丘陵等復雜地區，質量過大的無人機反而會成為輸電線路巡檢的負擔，降低巡檢效率和質量。采取優化無人機結構及使用新型材料等措施，在保證無人機自身強度的情況下，降低無人機整體的質量，才能不斷拓展無人機在輸電線路巡檢中的應用。

3.7 拍照性能更優

作為主要巡檢對象的輸電桿塔上的眾多金具多具有體型小、難發現的特點。另外，由于輸電線路周圍強烈的電磁干擾影響，無人機無法進行近距離工作。這要求無人機搭載的相機需具備更優的拍照性能，更強的變焦能力，才能及時發現輸電線路中存在的各種缺陷，提高巡檢質量和水平。

3.8 輸電檢修功能更多

據統計，市場上的多旋翼無人機90%以上只具有拍照功能，僅只能滿足輸電線路日常巡視的要求，而且需要人工進行控制，這大大限制了多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的應用。為提高多旋翼無人機的可用性及實用性，其自身功能需要進行一定程度的拓展。目前已有一些單位開始進行相關的研究，如文獻《基于無人機紫外檢測的輸電線路電暈放電缺陷智能診斷技術》、《基于無人機紅外視頻的輸電線路發熱缺陷智能診斷技術》等都對無人機的巡檢功能進行了拓展，通過紫外、紅外等技術手段對輸電線路缺陷進行診斷，提高了無人機在輸電巡檢中的適用性；國網山東電科院及國網浙江檢修公司都開發出了無人機噴火系統，用來進行輸電線路的帶電除異物等。此外，作為輸電線路巡檢的重要工具，無人機還應具有定導線軌跡飛行、導線探傷、補開口銷、校緊引流板、涂刷防污閃材料等各種輸電線路巡檢功能。因此，在軟件方面，一是無人機開發者應對輸電線路巡檢需要做出充分調研，開發出適用于輸電巡檢的各種功能模塊；二是未來多旋翼無人機應具備可二次開發功能，預留足夠的開發端口，方便輸電巡檢人員開發功能模塊，提高無人機在輸電巡檢中的適應性，推動多旋翼無人機在輸電線路巡檢領域的發展，提高輸電線路巡檢效率和水平；在硬件方面，多旋翼無人機應配置綜合性多功能云臺，方便各種拓展功能的硬件接入或組裝，以達到一機多能的目的，提高無人機的應用范圍。

4 結語

(1)高壓輸電線路具有桿塔高、距離遠、數量多、目標小、環境復雜以及電磁影響惡劣等特點，這為輸電線路用多旋翼無人機提出了更高的要求。

(2)目前市場上多數無人機為通用產品，作為輸電線路巡檢工具，其具有續航能力不足、自身重量與拍攝質量矛盾突出、起降條件要求苛刻及功能較為單一的缺陷，遠遠無法滿足日益增長的輸電線路巡檢需求。

(3)為適應龐大且復雜的輸電線路巡檢作業，未來的無人機應向著更長的續航時間、更強的抗電磁干擾能力、更好的地形適應力、更遠的控制距離、更高的抗風性能、更輕的質量、更優的拍照性能及更多的輸電作業功能等方向發展，才能真正滿足輸電線路巡檢需求，提高輸電線路巡檢質量和水平。

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