輸電線路山火無人機監測與滅火技術研究

趙宏宇

摘要：隨著電網管理水平的不斷提高，輸電線路巡視方面的科學化管理也在不斷探索，無人機在輸電線路巡視方面的應用，使線路巡視實現了由線到點的轉變，提高了輸電線路巡視的工作效率和質量。

關鍵詞：輸電線路;無人機;山火識別

引言

應用無人機搭載三維激光，識別輸電線路、桿塔及下方植被，進行山火風險評估。無人機搭載YCbCr顏色空間檢測分析模塊進行山火識別。提出了無人機彈道發射、投擲滅火球以及小流量防蒸發噴射等輸電線路初發山火的滅火方法，可快速撲滅初發山火。

1無人機用于輸電線路巡視的意義

無人機在輸電線路巡視方面的應用可以替代傳統的人工巡視，利用航拍和紅外線攝像功能提高輸電線路巡視效率。無人機能夠實現在目標地反復巡查，實現從多角度拍攝觀察的目的，對漏點的反饋信息更加準確可靠。此外無人機還能與衛星系統和計算機網絡系統結合應用，實現視頻發送的時效性。無人機能夠搭載高端的檢測儀器，進入到高危環境中對現場進行實際巡視，將測試數據通過存儲功能和傳送功能實現數據的反饋和備案。因此，采用無人機進行輸電線路巡視是今后發展的方向，是實現科技和信息現代化在電力領域發展的必然趨勢。傳統的輸電線路巡視存在較多的弊端：①工作人員長期對非故障線路進行檢查，容易產生思想上的麻痹大意，無法實現巡視的預期效果，降低了巡視結果的真實性和可靠性;②人工巡視對人員綜合素質要求較高，在人員配備上具有較大的難度，尤其對于處在高山、丘陵和高海拔等惡劣環境中的輸電線路，不僅僅要求工作人員具有電力線路方面的技術，還要有適應環境和自我保護的能力。而這些方面的弊端，通過無人機的投入使用，可以有效的加以規避，使巡視結果更加客觀，降低了環境因素對巡視方面的制約。

2無人機輸電線路山火風險評估技術

2.1山火高發區段線路靜態跳閘風險評估

據現有輸電線路山火故障的統計，輸電線路在山火條件下單相對樹放電占比達到63.6%。可燃物是影響輸電線路山火跳閘概率的首要條件，然而輸電線路山火植被眾多、測量手段有限，急需采用無人機開展輸電線路通道可燃物的管理與預警。輸電線路桿塔形式多樣，且塔型的差異對輸電線路參數建模影響大，輸電線路桿塔塔型識別是輸電通道可燃物管理的關鍵。通過無人機搭載三維激光識別輸電線路桿塔、導線及輸電走廊內的植被，進一步獲得植被離導線的水平距離和垂直距離。結合輸電線路區段歷史山火分布情況、通道可燃物易燃等級、人為用火習俗等因素，劃分區段的山火隱患等級。

2.2輸電線路山火無人機識別算法

目前，可見光識別山火普遍采用RGB顏色空間對火焰顏色進行分析和提取。然而，該算法進行火焰顏色檢測易受場景、光照條件和類似火焰顏色干擾物等影響，誤報率和漏報率較高。筆者采用無人機滅火裝置搭載具備邊緣計算功能的YCbCr顏色空間檢測分析模塊，以分量Y表示亮度信息，以色差分量Cb（藍色分量）和Cr（紅色分量）表示色彩信息。YCbCr顏色空間和RGB顏色空間相互之間存在轉換關系。

3無人機輸電線路山火滅火技術

3.1初發山火無人機滅火方法

對初發山火進行撲救是應對輸電線路山火最有效的技術措施。美國的研究認為，3h是滅火的最佳時機，美國的89%的林火在3h內撲滅或完全控制。因此，必須要提高滅火的時效性。無人機的機型、尺寸不同，其載重、飛行時間、飛行距離等關鍵參數均存在很大差異。結合輸電線路山火無人機滅火的特點，主要滅火方式包括滅火彈發射、投擲滅火彈和小流量防蒸發噴射三類.

3.2無人機彈道發射滅火方法

當輸電線路初發山火所處位置崎嶇、水源匱乏時，利用多旋翼無人機搭載滅火劑彈道滅火是最佳選擇。多旋翼無人機穩定性好，可在3m×3m的場地自由起降，不受地形的限制，從而可在最短的時間內趕到火場滅火。無人機彈道滅火根據進程分為瞄準、發射、飛行和滅火4個階段。其中精確瞄準方法采用滅火彈軌道計算理論。滅火彈的炸開方式為溫度敏感控制，當滅火彈探測到溫度大于60℃時，可在0.3s內引燃爆炸裝置，將滅火劑噴射到火場，實現高效滅火。其中，滅火彈發射的滅火劑可以為泡沫、干粉等滅火劑。

3.3無人機投擲滅火彈滅火方法

目前，投彈滅火普遍采用大型固定翼或直升機拋灑大量的小球形滅火彈滅火。對于初發山火，利用多旋翼無人機搭載中型滅火球投灑滅火是一種經濟、高效的手段。在無人機機腹中心位置設計滅火球存儲艙，艙內放置重量約1～5kg的1個或多個滅火球。當無人機飛行到火場上空時，調整無人機的俯仰角，將滅火球投灑到火場上空。筆者采用自動感應滅火的滅火球，當滅火球接觸到火焰3～5s自動爆炸，內置的超細納米干粉自動膨破滅火。

3.4無人機小流量噴射滅火方法

隨著無人機技術的提升，電網輸變電設備防災減災國家重點實驗室已經研發出具有自主知識產權的80kg大載重無人直升機，通過了工業和信息化部計算機與微電子發展研究院（中國軟件評測中心）的評測，裝置滅火系統參數見表2所示。同時，采用移動滅火裝置（載水量2t）中繼運輸滅火水劑，可解決現場取水困難的問題。但是，開展無人機撲救輸電線路山火還需要解決防蒸發和精準滅火的難題。現有滅火水劑黏度小于10cP，分子之間作用力弱。滅火水劑在高空下落過程中，受空氣阻力作用形成速度梯度，水體受力不均易擴散，體積增大100倍以上，與高溫煙羽流接觸面積大，滅火水劑的蒸發量達到70%～80%。目前，國內普遍采用的山火滅火劑主要基于“隔絕氧氣—降溫—防復燃”原理，但無防蒸發的功能，在高空滅火時效率低。針對輸電線路山火滅火防蒸發的需要，開發了溫度敏感型增稠劑，增稠劑成分含有大量的氫鍵，水劑中極性基團與極性水分子以氫鍵相互作用形成內層水膜，內層水與外層水作用發生締合，從而束縛大量的水，形成中黏度（黏度為100～800cP）的防蒸發體系結構，阻止水體擴散，減小滅火水劑體積，且可以減少滅火水劑的漂移。在臨近火場區域，水劑溫度上升，分子運動的速率逐漸加快，隨吸收能量的增加，防蒸發體系結構拆散，黏度降低;在高溫條件下增稠劑成分解聚，使分子量降低導致水劑黏度下降。滅火水劑迅速擴散，降低火場溫度，實現防蒸發滅火。在精準滅火方面，滅火水劑易受風場影響，精準度低，噴射角度需要調整。提出水平和垂直方向二維解耦的旋轉噴頭結構設計方法，包含水平和垂直兩級動作機構，垂直作動架作俯仰運動，水平作動架由轉軸帶動水槍進行方位運動，實現兩個方向的自由同步調節，滅火水劑噴出后，水體射流受到擾動，而使水體分裂成液滴、甚至霧化，導致抗風能力下降，需要減小滅火水劑噴出時的紊亂程度。采用“減縮增壓段、喉道和螺旋噴口”三段式高壓噴頭，在噴頭增壓段增加壓力、提升速度;在漸縮喉道以最大速度噴出，在噴口保持流體附面層的穩定，延緩水柱發散，提高射程。

結語

隨著科技的發展，無人機在輸電線路巡視方面得到應用的同時，也給現代化科技在電力方面發展創造了更多可發揮的空間。隨著今后自動識別技術和智能技術的提高，結合無人機在巡線方面的優勢，可以實現無人機發現故障和自主調度的能力，從而真正實現輸電線路巡視現代化和智能化。

參考文獻

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