一種基于無人機(jī)的輸電線路登塔防墜方法

張 雪，楊 鑫

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

0 引言

攀登桿塔是輸電線路檢修工作中體能消耗高、心理壓力大的作業(yè)之一。GB 26860—2021《電力安全工作規(guī)程》明確規(guī)定：“攀登桿塔和轉(zhuǎn)移位置時不應(yīng)失去安全帶保護(hù)”,但由于一些防墜工器具需要停電加裝且后期維護(hù)不當(dāng)易損壞,或者人機(jī)功效差、使用不方便等原因,導(dǎo)致部分作業(yè)人員使用意愿不強(qiáng),以致上下塔不采取保護(hù)措施,出現(xiàn)作業(yè)即違章的現(xiàn)象。

目前,常見的登塔防墜保護(hù)裝置主要有兩類：一是防墜落雙延長繩、雙鉤防墜器、平安環(huán),這類防墜工具使用過程中作業(yè)人員須改變原有的登塔習(xí)慣,體能消耗較大,登塔的墜落風(fēng)險增加,以致一線班組使用意愿不強(qiáng)；二是加裝防墜爬梯、防墜導(dǎo)軌、防墜鋼絞線,這類防墜裝置需要停電加裝,成本高、投資大,后期維護(hù)難度大,僅適用于新建鐵塔,不適合存量鐵塔。

針對以上問題,通過采取無人機(jī)運載登塔保護(hù)固定支架和安保繩的方式,實現(xiàn)登高防墜全程“可視化+自動化”。與現(xiàn)有成熟防墜工具相比,該方法可有效解決當(dāng)前固定式防墜導(dǎo)軌安裝數(shù)量有限、后續(xù)再安裝周期長以及防墜落雙延長繩、平安環(huán)等臨時性防墜措施使用不便帶來的潛在隱患。

1 無人機(jī)選型

多旋翼無人機(jī)特征尺寸在80～200 cm之間,具有體積小、靈活度高、操控性能好、電磁兼容性與無線電抗干擾能力強(qiáng)、起飛著陸場地小、成本低等特點；正常作業(yè)環(huán)境下搭載有效荷載時,懸停時間不小于15 min；裝有雙GPS增穩(wěn)系統(tǒng),保證定點懸停時水平漂移量小于0.5 m,垂直漂移量小于0.3 m；絕緣安保繩與固定支架質(zhì)量應(yīng)不大于拋繩無人機(jī)有效荷載的80 %,滿足DL/T 1482—2015《架空輸電線路無人機(jī)巡檢作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》要求。

經(jīng)研究得出,安保繩固定支架的設(shè)計質(zhì)量為4.5～5.5 kg,M600 PRO、M300 RTK、 T10三款無人機(jī)均可滿足相應(yīng)負(fù)載要求,其基本性能參數(shù)見表1。考慮到無人機(jī)懸停精度及掛載操作難度,載重量更小但懸停精度更高的M300 RTK四旋翼無人機(jī)成為首選。

表1 三款無人機(jī)的基本性能參數(shù)

M300 RTK無人機(jī)官方指導(dǎo)最大載重為2.7 kg,但實際測試發(fā)現(xiàn)其最大載重為5.5 kg。

2 無人機(jī)進(jìn)入路徑分析

輸電直線塔高44.1 m,220 kV導(dǎo)線直徑為23.88 mm,采用二分裂；500 kV導(dǎo)線直徑為33.6 mm,采用四分裂。無人機(jī)簡化模型機(jī)身(含旋翼)對角線長85 cm,機(jī)身(含旋翼)高度為20 cm,機(jī)身材料采用碳纖維,設(shè)置相關(guān)電氣參數(shù),相對介電常數(shù)為7,電導(dǎo)率為100 S/m。

式中,Req為等效分裂半徑,R為分裂半徑,m為分裂數(shù),r為分裂子導(dǎo)線半徑。

以220 kV電壓等級模型為例,研究無人機(jī)在水平進(jìn)入、45°進(jìn)入、豎直進(jìn)入、135°進(jìn)入時,判斷其電場最大值與其位置關(guān)系是否會引起故障。無人機(jī)不同進(jìn)入路徑下的電場數(shù)據(jù)如圖1～3所示。

圖1 水平進(jìn)入時無人機(jī)表面電場分布

圖2 45°和135°進(jìn)入時無人機(jī)表面電場分布

圖3 豎直進(jìn)入時無人機(jī)表面電場分布

由圖1～3可知,無人機(jī)表面最大電場強(qiáng)度隨著與邊相導(dǎo)線距離的增大而減小。一般而言,在10 kV/m的電場強(qiáng)度下,電子元器件的性能就會受到影響。無人機(jī)水平進(jìn)入且距離導(dǎo)線5 m左右時,無人機(jī)表面電場值就達(dá)到了10.39 kV/m；豎直方向進(jìn)入時,無人機(jī)與導(dǎo)線的距離是以邊相導(dǎo)線為水平線向上移動,距離-1 m左右時電場值最大,為11.04 kV/m；45°和135°方向進(jìn)入時,電場值隨距離的增大而減小,在距離小于等于3 m左右時,135°進(jìn)入時電場值略小于45°進(jìn)入。

經(jīng)實測,水平方向進(jìn)入時,電場最大值位于機(jī)翼,在距離導(dǎo)線較遠(yuǎn)時最大值在靠近導(dǎo)線側(cè)機(jī)身處,轉(zhuǎn)軸連接處電場值也較高；45°進(jìn)入時,電場最大值從轉(zhuǎn)軸連接處轉(zhuǎn)移到機(jī)翼。

因此,無人機(jī)在飛行過程中應(yīng)平穩(wěn),盡量避免快速上升、下降。無人機(jī)運載登塔保護(hù)固定支架和安保繩飛至鐵塔頂端,具體路徑為先水平進(jìn)入,到達(dá)掛點位置時再上下移動,無人機(jī)在移動過程中要保持與帶電導(dǎo)線的安全距離。

3 基于無人機(jī)技術(shù)的登塔防墜方法

3.1 登塔防墜原理

基于無人機(jī)技術(shù)的登塔防墜方法原理為通過無人機(jī)運載登塔保護(hù)固定支架和安保繩飛至鐵塔頂端,利用固定支架的自鎖緊機(jī)械機(jī)構(gòu),在實時視頻圖傳輔助下,實現(xiàn)固定支架在塔頂快速安裝與拆除；安保繩一端固定在登塔保護(hù)固定支架,另一端固定于塔底,防墜器與安保繩連接后形成完整的保護(hù)措施,可有效保障登塔人員的安全(見圖4、5)。

圖4 基于無人機(jī)技術(shù)的登塔防墜方法路徑

圖5 防墜原理

3.2 操作流程

3.2.1 起飛前準(zhǔn)備

一是檢查電池電量,確保無人機(jī)與遙控拓展電池電量大于80 %；二是檢查無人機(jī)結(jié)構(gòu),確保機(jī)臂完全展開且機(jī)臂卡扣固定牢固,無人機(jī)腳架安裝完成且固定牢固,無人機(jī)槳葉完全打開；三是檢查無人機(jī)功能,確保無人機(jī)遙控連接正常,遙控顯示無人機(jī)自檢無報錯,遙控實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)功能正常,無人機(jī)下部照明功能開關(guān)可正常打開與關(guān)閉,無人機(jī)遙控?fù)u桿定義正常；四是檢查無人機(jī)下部避障,確保避障關(guān)閉以防無法進(jìn)行降落操作；五是確認(rèn)拋投器功能正常；六是確認(rèn)無人機(jī)端可視化多關(guān)節(jié)柔性載具與登塔保護(hù)固定支架、安保繩以及與飛機(jī)上的舵機(jī)連接完成。

3.2.2 飛掛操作

控制無人機(jī)飛至指定位置進(jìn)行掛鉤裝置的放置動作,待掛鉤安裝卡掛到位后操作無人機(jī)下降使其與固定支架掛鉤脫離,并通過無人機(jī)拍攝掛鉤卡位圖片,確認(rèn)裝置已卡掛牢固,即完成飛掛操作。在無人機(jī)攜帶機(jī)端可視化多關(guān)節(jié)柔性載具返回且接近地面時,通過遙控器打開無人機(jī)下視探燈來打開拋投器銷桿,將機(jī)端可視化多關(guān)節(jié)柔性載具與無人機(jī)脫離,脫離后無人機(jī)正常落地即可。

3.2.3 安保繩固定與登塔

在完成登塔保護(hù)固定支架的安裝作業(yè)后,地面工作人員將安保繩一端固定于塔腿,并安裝防墜器。施工人員將安全帶與塔上安保繩通過速差高空防墜自鎖器連接牢固,由安全員檢查確認(rèn)各部位連接可靠后,施工人員方可開展爬塔登高作業(yè)。

3.2.4 固定支架拆除

通過控制無人機(jī)飛至指定位置進(jìn)行裝置的抓取動作,操作人員通過地面端圖像監(jiān)測輔助系統(tǒng)觀察無人機(jī)端的可視化載具掛鉤與固定支架掛鉤連接后,操作無人機(jī)垂直向上飛,使固定支架與鐵塔分離并返回地面。

4 結(jié)束語

基于無人機(jī)技術(shù)的登塔防墜方法可有效消除當(dāng)前固定式防墜導(dǎo)軌安裝數(shù)量有限、后續(xù)再安裝周期長以及防墜落雙延長繩、平安環(huán)等臨時性防墜措施使用不便進(jìn)而影響登塔動作連貫性所帶來的潛在隱患,同時可實現(xiàn)登塔全過程的防墜保護(hù),有效減輕了登塔人員的心理壓力,降低了墜落風(fēng)險。