基于無人機巡檢平臺的劣化絕緣子帶電檢測技術

張志猛，李 抗，劉 杰，賈伯巖，王 平，耿江海*

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,石家莊 050021；2.國網浙江省電力有限公司寧波供電公司,寧波 315000；3.華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室,保定 071003)

絕緣子是輸電線路中起到機械支撐及電氣連接的重要部件。其中復合絕緣子因其良好的機械性能、耐污性能得到廣泛應用。隨著運行年限的增加，復合絕緣子會出現不同程度和類型的劣化。由于絕緣子劣化導致的線路閃絡停電事件時有發生，對電網的安全穩定運行造成了嚴重威脅[1-2]。

中外的絕緣子帶電檢測方法主要有紫外成像法、紅外成像法和電場測量法。文獻[3]基于紫外成像技術檢測劣化絕緣子的放電動態特性，但受到污穢影響，其劣化位置無法確定，特別當中部的絕緣子發生劣化時，紫外成像儀存在靈敏度低等問題，經常出現誤判等情況；文獻[4-5]基于紅外圖像技術提出絕緣子狀態評價模型，通過實驗證明了方法的有效性，但紅外法受對焦情況、太陽和背景輻射等環境因素的影響；文獻[6-7]指出復合絕緣子傘裙和護套破損時，空間電場強度相比正常時并不會發生明顯改變；文獻[8]指出碳化通道的存在使復合絕緣子串周圍空間的電場分布發的畸變，通道附近的場強值有所增大。碳化通道距高壓端越近，電場的畸變程度越大，距高壓端越遠，電場畸變的程度越小。

綜上可知，外界因素影響會導致紫外法和紅外法極大的測量誤差，造成漏檢錯檢。而已有的空間電場檢測手段只能在試驗室實現，無法做到帶電檢測。采用高集成度光學元件，設計完成小型化的空間電場傳感器，分析了無人機介入對絕緣子原有空間電場的影響。搭建了包括機載端和地面端的無人機巡檢平臺，配套研制基于A/D轉換模塊和射頻模塊的電場信號無線傳輸裝置，實現了無人機巡檢平臺電場測量信號在機載端與地面端的傳輸，并進行了復合絕緣子芯棒局部導通的帶電檢測試驗。

1 無人機巡檢平臺的構成

1.1 電場測量裝置

帶電運行的絕緣子周圍分布有空間電場，利用電場傳感器可以測量絕緣子串的空間電場。基于光電晶體泡克爾斯效應的高電壓電場測量原理為利用晶體的光折射率在一定方向的外加場強下發生改變的特性[9]，將空間場強信號轉化為光功率信號傳輸，再通過光電轉換器將光功率信號轉化為電壓信號，經過相應的換算得到電場值。如圖1所示的電場測量系統示意圖，系統由光發射單元，保偏光纖，電場傳感器及光電轉換單元組成，并通過信號線連接示波器。具體工作原理為：光發射單元發出某一波長的線偏振光，線偏振光經過保偏光纖進入電場傳感器，經過外界電場的作用，輸出的光功率發生改變，輸出的信號經過光纖傳入光電轉換單元，光電轉化裝置將輸入光信號轉化為與輸入光功率幅值成正比的電壓信號，在示波器進行顯示。根據前述的原理設計制作的電場傳感器探頭如圖2所示，探頭主要由外殼，晶體，及光纖組成，其外殼材料為聚乙烯材料，具有良好的絕緣及抗壓性能，外部尺寸為55 mm×8 mm×4 mm。

圖1 電場測量系統原理圖

圖2 電場傳感器探頭實物圖

為了研究傳感器的工頻響應特性，將測量裝置輸出的電信號轉換成電場強度，進行了電場傳感器的工頻電場響應特性試驗。試驗時將電場傳感器放置于0.5 m平板電極中，對板-板間隙施加12～120 kV工頻電壓，升壓步長為10 kV，所對應電場強度為24～240 kV/m，將電場測量系統的輸出電壓與相應的電場強度制作成特性曲線，通過該曲線可以得到電場測量系統輸出的電壓與外界電場強度的關系，如圖3所示。

圖3 電場測量系統輸出電壓與電場強度關系

1.2 無線信號傳輸系統

無線信號傳輸系統設計中，核心的控制器件使用STC89C52單片機來進行控制，該系統結合了單片機、射頻模塊、AD模塊和LED顯示模塊，可實現對外部電壓信號的采集，同時進行無線傳輸，然后經過采樣運算在LED顯示屏上顯示出來波形信號的峰值。系統中傳送的電壓信號最初是模擬正弦信號，然后通過AD模塊進行模數轉換，轉化成數字信號，為了求取峰值，系統中設置了一個容量為40的數組存放一定的樣本信號，每4 ms采樣一次放入數組，一個周期采樣5次，采取8個周期的樣本，放入數組中，然后篩選出樣本中的最大值，作為正弦信號的峰值，將此指通過射頻模塊，從發射端傳送到接收端，單片機將此峰值信號，然后通過液晶顯示模塊。其總體設計方案框圖如圖4所示。

圖4 無線信號傳輸系統總體設計

系統中存在發射端和接收端兩個部分每個部分都有一個單片機作為核心控制器，其主要功能如圖5所示。

圖5 發射端及接收端單片機的主要功能

在發射端的51單片機，其主要功能為：接收AD模塊采集到的電壓信號，此模擬電壓信號已經經過了模數轉換，成為數字代碼，可以被單片機讀取；將數字電壓信號放入樣本數組中，樣本容量為40，當樣本放滿后，便通過算法篩選樣本中的電壓峰值；將峰值電壓進行拆解分離，設計中分離成了四位，分別代表電壓信號的個、十、百、千位(電壓單位為毫伏)；將四位數值依次放入射頻程序的發射包中；通過循環結構，依次發送發射包中的四位數字信息；設立LED燈的閃爍程序，當成功發送時，LED 燈會多個一起閃爍代表發送成功。

在接收端的51單片機，其主要功能為：接收NRF24L01芯片收到的數據包，并且有相應的接收數組放置數字信息將接收包數組放入LCD1602液晶顯示的程序中去，通過循環結構顯示出四位數字信息，代表檢測到的電壓信號峰值。設立LED燈的閃爍程序，當成功接收到數據時，LED燈會閃爍，代表接收數據成功。

根據前述的設計思路，研制出了無線傳輸裝置，如圖6(a)、圖6(b)所示。為了測試傳輸性能，用信號發生器產生幅值1 V，頻率為50 Hz的標準正弦波，輸入到無線傳輸裝置的發送端，接收端通過顯示屏觀測。測量結果如圖6(b)所示。

圖6 無線傳輸裝置

如圖6(c)可知，液晶屏的顯示值與信號發生器產生的電壓值(峰值1 V)相比，誤差為1.1%～8.8%，估測平均誤差范圍在1%～9%。滿足工程需要，在無遮擋的空地上進行測試，得到系統的傳輸極限距離大約為150 m。

結合多個商業綜合體開發的實踐案例來看，商業綜合體的開發往往和交通規劃是緊密相連的，商業綜合體一般都建設在城市的交通發達區域。對于交通規劃而言，商業綜合體的開發需要交通規劃的有效支撐，交通快速和便利的因素對商業綜合體的開展運營發揮著重要影響，如果交通不暢通或不便捷，就會影響人們的高效率出行，那么產生的消費行為也就明顯的減少，這對商業綜合體的運營是極為不利的。因此，在商業綜合體的實際開發建設中，必須要將交通規劃納入到整體開發建設當中，并為其創造積極有利的條件。

2 無人機測量系統對原電場影響分析

高壓輸電線路是三相交流電，變化的電場產生變化的磁場，并不斷向四周激發，與高壓線的距離越近，場強也就越大[10]。基于COMSOL軟件，建立了一個均勻空間電場，分析無人機的引入對空間電場測量結果的影響。針對大疆M600 PRO型號的無人機，在COMSOL軟件中建立其三維模型，物理場選擇靜電場，分析了在穩態情況下無人機對均勻空間電場的影響。

當無人機位于均勻空間電場中時，由于無人機的存在會造成周圍空間電場的變化，如果電場傳感器正好處于電場變化區域，會造成測量誤差。因此為確定電場傳感器的最佳懸掛位置，利用COMSOL建立一個1 V/m的均勻電場空間，將無人機位于該電場空間的中心位置，計算由于無人機的引入對電場的影響。為了測量的安全性，無人機飛行時不能距離絕緣子過近，故在無人機下方安裝了長度為50 cm的絕緣桿，將場強傳感器探頭安裝在絕緣桿頂部，由于無人機飛行方向與空間電場方向的關系的任意性，計算了外加電場垂直于無人機和外加電場平行于無人機兩種情況下無人機對均勻電場的影響。根據圖7建立無人機全尺寸模型。圖8給出了外加電場垂直于無人機和外加電場平行于無人機兩種情況下的電場加載方式。

圖7 無人機測量裝置實物圖

圖8 外加電場

2.1 外加電場平行于無人機

由圖9可知，當外加電場垂直于無人機時，無人機整體場強在0.2～1.4 kV/m，無人機的起落架場強較大，電場傳感器表面電場在0.981～0.921 kV/m，與產生的1 kV/m標準長期相比，誤差為0.8%～1.9%，滿足工程需要。

圖9 外加電場垂直時無人機電場表面分布

2.2 外加電場垂直于與無人機

由圖10可知，當外加電場平行于無人機時，無人機整體場強比受到垂直電場時要大，場強在0.1～1.6 kV/m，電場傳感器探頭在0.921～0.982 kV/m，與產生的1 kV/m標準場強相比，誤差為1.8%～7.9%，滿足工程需要。

圖10 外加電場平行時無人機電場表面分布

3 帶電檢測試驗

3.1 無人機搭載裝置

整個系統包括機載端和地面端。機載端包括電場測量模塊和激光測距模塊；地面段包括電場測量數據接收模塊，無人機飛行控制遙控器和高清顯示屏；機載端和地面端通過無線信號進行通信。整個測量模塊包括無人機平臺、電場測量模塊、激光測距模塊、可見光拍攝模塊和無線數據傳輸模塊。電場傳感器模塊由電場傳感器探頭、光纖、絕緣桿和信號處理單元構成。激光測距模塊由激光鏡頭和脈沖寬度調制開關組成。可見光拍攝模塊包含高清鏡頭和高清顯示屏。無線傳輸模塊主要由數據鏈路。無人機測量裝置模塊，如圖11所示。

圖11 無人機測量裝置模塊

3.2 試驗結果與分析

為了驗證無人機檢測系統的性能，在電力科學研究院試驗基地進行了實際測試，選擇場地比較開闊測試點，并且無居民區和樹木。測試當天溫度25 ℃，相對濕度為50%。輸電線路為110 kV交流電壓，線路上所懸掛的絕緣型號為FXBW-110/120-2，長度為1 240 mm，一共片25傘裙，其中大傘13片，小傘12片。無人機飛行時通過激光測距儀保持電場傳感器探頭距離絕緣子兩傘裙間芯棒距離不變，到達每個測量位置時，地面端等數據穩定記錄下該位置的數據后，為了減小誤差，測試時沿軸向方向從高壓端到低壓端采集一次數據，再從低壓端到高壓端采集一次數據，求得測量平均數。在得到最終數據后，經過處理后進行分析。

3.2.1 實驗一

由圖12可知，當絕緣子串完好時，不同距離下得到各測量點得到的電場分布曲線都為U形分布，高壓端和低壓端電場強度較大，中壓端電場強度最小。測量距離越大，整體電場越小。

圖12 無劣化時不同距離下電場分布曲線

3.2.2 實驗二

在絕緣子高壓端設置不同長度缺陷時保持無人測量系統探頭距離絕緣子串40 cm時得到測量值。

圖13可知，當高壓端存在5 cm缺陷時，在測量點3處電場明顯減小，在點2、4缺陷兩端電場增大。當高壓端存在10 cm缺陷時在測量點3、4處電場，在點2、5電場增大。當高壓端存在15 cm缺陷時，在測量點3、4、5處電場明顯減小，在點2、6缺陷兩端電場增大。通過測量數據(圖13)可知，缺陷長度越大，越容易檢測出來。

圖13 高壓端存在不同長度缺陷時電場分布曲線

3.2.3 實驗三

在絕緣子串的高壓端、中壓端和低壓端芯棒處分別埋上10 cm銅線，保持無人機測量系統探頭距離絕緣子串40 cm，測量得到相應的電場。

圖14可知，在高壓端存在10 cm缺陷時，電場畸變較大。當缺陷位于中壓端和低壓端時，電場畸變較小，不易檢測。

圖14 不同位置存在10 cm缺陷時電場分布曲線

4 結論

主要內容是設計了小型化電場測量裝置，研制了電場信號無線傳輸裝置并測試了傳輸性能，將其搭載在無人機上，通過仿真分析研究了無人機測量裝置介入對原空間電場的影響，并利用集成后的無人機測量裝置進行了劣化絕緣子帶電檢測試驗。得到如下結論。

(1)設計的電場測量系統性能線性度較好，可以用于測量絕緣子串的空間電場，研制的無線信號傳輸裝置性能良好，接收端誤差在10%以內。

(2)通過仿真可知，當外加電場垂直或者平行于無人機測量裝置時，電場傳感器測得的電場誤差都在10%以內，證明基于無人機的電場測量裝置滿足工程實際需要。

(3)現場檢測試驗表明，基于無人機平臺搭載電場傳感器能有效地檢測出存在芯棒導通的劣化絕緣子串，絕緣子串的不同位置存在導通情況都可以檢測出來。