无人机专栏电力巡线无人机

       空中巡线 早有需求,毋庸置疑,电力早已成为推动整个人类文明发展的一股至关重要的力量。如今,我们已经很难想象离开电力该怎样生活了。不过,由于自然资源的地理分布与大城市的地理分布往往是不能重合的,发电厂与大城市之间通常会相隔甚远。发电厂发出的电能需要通过漫长的输电线路才能够抵达渴求电力的大都市和小山村。

       与世界其他国家相比,中国的电网建设无论是在规模上还是在新建网络的速度上都已处于较为领先的地位。大规模电网是与我国的城市化进程的迅速推进以及制造业大国的定位相匹配的不可或缺的基础建设。目前,我国已经形成了华北、华东、华中、东北、西北和南方一共6个跨越省份行政区划的巨型电网。而我国优质的煤炭、石油、天然气等火力发电资源和高落差和径流量的水力发电资源的分布与沿海城市群的规划之间的距离大多较为遥远。为了减少电能在输送过程中的损失,我国建设了规模庞大的高压输电网络。截至目前,我国仅11万伏特电压以上的输电线路已达51.5万千米。

       另外,特高压直流输电系统的出现与发展使得输电距离进一步增加。与传统交流输电相比,特高压直流输电投资较少,电能损耗较低,因此在长距离的电能输送方面更有优势,电源点与负荷中心电输送效率更高。与交流输电相比,输出同样的功率,直流架空线路可节省约三分之一的钢芯铝线,三分之一的钢材,三分之一的线路造价与线路损耗。(直流输电的电能损耗一般为每1 000千米3%,随着电压等级和结构的不同而有所差异。)

       如今,全球输电距离最长的高压直流输电系统位于巴西,从其西部的韦柳港到南部的阿拉拉夸拉的玛代拉河的高压直流输电系统(即在电力行业内非常著名的Rio Madeira HVDC系统)。该系统采用±60万伏的直流电输送电力,全长2 375千米,自2014年开始正式启用。

高压输电系统需要使用绝缘子进行绝缘,同时漫长的输电线路无时无刻地不再受着自然的侵蚀。在升压线路和降压线路部分,有大量变电设备需要定期进行巡检。需要有专业人员进行定期巡检和维护。图为工作人员在距离地面50米的高空进行电力线路作业。

      飞行器可以省去山河阻隔,不怕路途险远,能够更快地完成巡视作业。高压输电系统需要使用绝缘子进行绝缘,同时漫长的输电线路无时无刻地不在受着自然的侵蚀。在升压线路和降压线路部分,有大量变电设备需要定期进行巡检。这就对整个电力线路系统提出了巡检需求。按我国的现状来看,每年在电力行业的投资规模在1 000亿元人民币左右,其中有73%的资金直接投放到了硬件设施的建设中。如果保证这些硬件设施的可靠性与安全性,是个很大的课题。

       长期以来,我国依赖人工进行电力线路的巡检作业。通常来说,每100千米的输电线路的巡检需要耗费160个工时。也就是说,如果想要在1个工作日内完成100千米的线路巡检的话,需要同时雇佣20名巡线工作人员。而且,高压输电线路的搭建是从来都不会躲避深山老林和崇山峻岭的,电力巡线人员为了保障人民的生活用电与工业建设用电,会冒着很大的风险进行作业。

       如果能够在空中进行电力巡线作业,岂不是一件很好的事情?如今的高压输电铁塔有十几层楼高,用飞行器接近高压电线铁塔的顶端进行巡视,可以距离绝缘子更近,能够看得更清楚,而且飞行器可以省去山河阻隔,不怕路途险远,能够更快地完成巡视作业。实际上,电力巡线和电力作业与直升机之间的渊源可以追溯到很早之前。1939年春,美国的伊戈尔·伊万诺维奇·西科尔斯基完成了VS-300直升机的全部设计工作,同年夏天制造出一架原型机。这种单旋翼带尾桨直升机构型成为现在最常见的直升机构型。10年后,在直升机还算是新鲜事物的时候,美国和欧洲就有人分别对使用直升机进行电力巡检进行了探索。

       反应快速 深入山林,后来,英国EA电力咨询公司与英国威尔士大学合作,实施了世界上最早利用无人直升机进行电力巡线的正式应用。到1979年,美国的迈克尔·寇蒂斯就率先进行了直升机等电位带电作业的尝试。到了上世纪80年代,美国、加拿大和澳大利亚都逐渐从直升机输电线路巡线、检修等作业任务发展到了直升机等电位带电作业,使直升机电力作业技术又向前迈进了一大步。

       相对于传统的电力线路巡视流程来说,直升机巡视线路能够更快地实施作业。但是,实际上,这样的作业形式依然有需要解决的问题。当工作人员对电线杆、刀闸、铁塔、高压导线、变压器、绝缘子等设备进行巡检的时候,主要还是以纸质形式保存巡检记录。这就存在对手工录入人员的工作强度和出错概率有着较高的要求的问题。

       采用多旋翼架构的无人机可以进行定点悬停,对重点区域和故障多发部位进行凝视监测。也可以沿电力线路进行较长距离的巡视。在山林之间穿梭飞行,同时要极度靠近高压铁塔和高压电线,这给电力线路的巡检工作引入太多不安全因素。借助现代的光学吊舱,直升机能够完成一些自动化巡检作业。但是,再好的吊舱也需要用飞行员驾驶的直升机升上天空,而对飞行员的雇佣和培训始终是一项较大的开销。对于电力巡检常用的Bell-206和MD-500直升机的飞行员来说,在山林之间穿梭飞行,同时要极度靠近高压铁塔和高压电线,这给电力线路的巡检工作引入太多不安全因素。而直升机电力巡检工作人员出现伤亡的事故也时有报道。另外,有人驾驶的直升机的巡航距离通常在500千米左右,对于往返作业的巡检工作而言,直升机的巡检距离大多控制在200千米左右。这对于动辄就数百千米的高压线路来说,仍显不足。因此,需要在直升机巡检线路附近,每隔几百千米就设立直升机起降和前线维护保养的简易机场。这无疑会大幅增加电力巡检的投入。

          于是,电力巡线无人机应运而生。采用多旋翼架构的无人机可以进行定点悬停,对重点区域和故障多发部位进行凝视监测,而采用固定翼架构的无人机可以在被监测区域上空进行盘旋飞行,对铁塔、线路的整体情况进行判断,对特定时期的电线结冰情况及时提出预警(这在我国南方部分地区尤其重要)。日本关西电力公司总结了几年来使用无人机进行电力巡检的经验后,认为采用无人机进行电力巡检比采用有人驾驶的直升机进行巡检要节省50%的支出。同时,能够获得无人机特有的灵活性,并大幅降低人员伤亡的风险。而无人机的维护保养相对于有人驾驶的直升机来说,要简单得多。只需一块不大的空地,无人机就可以垂直起降,只需一辆带有地面站的保障车辆,就能够让无人机实现连续作业。

       按照几十年来国际电力巡检领域的行业经验,进行精细化巡检的作业速度应当保持在15至25千米/小时之间,进行快速高效巡检的作业速度则在30至40千米/小时之间。这样的速度范围尤其适合无人机进行作业。对于采用高效巡检模式工作的无人机来说,如果其续航时间为1小时,那么其4个架次的起降作业便可以相当于30名巡检工作人员一天的工作量的总和。需要引入红外热成像设备,以便对导线连接点的过热情况、绝缘子的工作状态等进行检测。

电力巡线无人机上搭载的设备会给电力巡检工作人员提供巨大的帮助。

      技术引领 服务民生,我国对能源的需求很大,对电力能源持续可靠的供应有较高的要求。随着全国各地超高压电力线路的搭建,越来越多的地貌特征会见证高压线路的铺设。当高压线路跨越大面积的湖区上空时,当其飞跃崇山峻岭的时候,会对巡检人员提供更多的挑战。幸而有电力巡线无人机的出现,让人们不再受地形地貌的限制,实现了巡线的自动化和全地形化。当然,就像无人机在其他行业领域中的应用一样,在电力巡线中进行使用的无人机也需要这个行业独特的技术手段来对其进行支撑。

       电力巡线无人机拍摄的高清画面有助于工作人员快速发现输电线路出现的问题。无人机将大量巡检员从深山老林中解救出来,使他们免受山体滑坡、泥石流和虫害的侵扰。无人机的核心技术体现在飞行器本身与载荷两个方面。因为电力无人机经常要在深山或者湖区上空飞行,并且要靠近危险的高压输电线路,因此要对其可靠性提出较高的要求。同时,对于飞行过程中的数据实时传输的数据链要提出长距离、抗干扰和适合野外作业等要求。从载荷方面来说,电力巡线无人机需要装备可见光高清拍摄装置,并且要有功能强大的陀螺仪增稳系统的辅助。另外,还需要引入红外热成像设备,以便对导线连接点的过热情况、绝缘子的工作状态等进行检测。按照重点线路需要每年至少巡检12次的规范,电力巡线无人机还应该做到能够在野外环境中长期工作而保持较好状态的能力。这对无人机设计和制造单位提出了挑战。

       电力巡线无人机将大量巡检员从深山老林中解救出来,使他们免受山体滑坡、泥石流和虫害的侵扰,将很多电力作业直升机飞行员的工作强度和危险程度降低,使他们不再因为要贴近观察绝缘子的情况而冒着旋翼碰触高压电线的风险。随着技术的发展,更多更加智能的电力巡线无人机会及时发现输电线路的问题,帮助人们抵御冰灾,为保障人们生产生活的电力供应贡献更多力量。

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