無人機帶電水沖洗與噴涂技術的研究與應用

賀 欣 凌志剛 陳 超 聶 彤 郝欣健

（內蒙古電力（集團）有限責任公司薛家灣供電公司，內蒙古鄂爾多斯 017100）

0 引言

隨著現代工業(yè)技術的不斷發(fā)展，機器代替人工已經成為行業(yè)發(fā)展的主流趨勢[1]。在此背景下，無人機因其在控制方面表現出的靈活性、在應用方面表現出的便捷性以及在使用效果方面表現出的高效性而受到了各行各業(yè)的廣泛關注[2]。

特別是對于危險性較高或人力資源消耗較大的工作而言，無人機的應用不僅可以有效提高工作質量，同時也可以縮短工作時間[3]。

其中，帶電水沖洗作業(yè)是對正在運行的電力設備進行清洗，受運行需求的影響，部分電力設備不具備停運清洗的條件，必須在帶電的條件下對其進行水源清洗，該操作具有較高的危險性[4]。

在噴涂施工過程中，當待施工面積加大時，需要的人力資源開銷會明顯上升，且最終的噴涂質量與施工人員的專業(yè)性直接相關，這也是導致噴涂效果難以得到有效控制的關鍵[5]。

無人機作為近些年來新型的科技產物之一，可以通過遠程控制的方式對無人機的運行狀態(tài)進行自主調節(jié)，并且通過在無人機上搭載對應的設備實現多種應用性功能。

結合這一特點，將無人機應用到帶電水沖洗和噴涂施工中，具有巨大的開發(fā)和研究空間[6]。

在此基礎上，本文對無人機帶電水沖洗與噴涂技術進行研究，并通過實際應用測試的方式分析驗證了該技術的效果，希望能夠為無人機在更多領域的深度應用提供一定的參考。

1 無人機帶電水沖洗技術研究

1.1 無人機沖洗方向

一般情況下，電力設備表面會覆蓋一層絕緣子層，當絕緣子層表面處于潮濕狀態(tài)時，待清洗的污穢物會在外力作用下溶解[7]，當外力作用為雨水時，待清洗的污穢物會懸浮在水膜表面，但無論是何種形式，最后都會在重力的作用下出現下墜趨勢[8]。

當待清洗的污穢物積累到一定規(guī)模時，會在設備的下端凝結，這就使得設備的上表面相對干凈。以此為基礎，在利用無人機實施帶電水沖洗時，水柱需要按照從下向上的方向噴射，只有這樣才能確保沖洗效果，達到有效去除設備表面污穢物的作用[9]。

其次就是對無人機沖洗角度的控制，水柱與無人機中心軸的夾角成90°時，對應的清洗效果最好，但是考慮到無人機的使用安全要求，在實際應用階段可以調整至60°。

1.2 無人機水柱形狀

在利用無人機對電力設備表面進行沖洗時，大多采用扇形水柱，這也是高壓沖洗過程中最為常用的水柱形式之一。在應用效果上，扇形水柱具有沖刷面積大的特點，可以在一定程度上提高沖洗的效率。

但需要注意的是，扇形水柱也存在一定的弊端，與圓柱形水柱相比，在相同的水壓條件下，扇形水柱的有效沖洗距離相對較短。因此，在實際的應用過程中，需要結合實際情況對無人機水柱進行差異化選擇。

具體的選擇標準如表1所示。

按照表1所示的方式，結合待沖洗設備的實際情況，合理選擇無人機對應的水柱形狀。

表1 無人機水柱形狀選擇標準

需要注意的是，當無人機采用的水柱類型為扇形時，在進行沖洗的過程中需提供更高的壓力。這就意味著需要更大壓力水泵或加壓機裝置為無人機的輸出提供動力，此時就需要結合無人機的實際荷載能力，對具體的水柱形狀進行選擇。

結合上述分析，當無人機的荷載能夠承擔水泵的重量時，在允許的條件下首選扇形水柱，當無人機的荷載不能夠承擔水泵的重量時，選擇圓柱形水柱進行清洗。

1.3 無人機清洗用水

對帶電水沖洗作業(yè)實施的相關要求進行分析可知，采用的清洗用水結合實際的應用環(huán)境需要進行差異化設置，只有這樣才能保障作業(yè)的安全性。在此基礎上，本文結合衡量水的導電能力的指標參數——水電阻率，對無人機帶電水沖洗的水源標準進行設置。本文以20 ℃條件下單位體積水的電阻為指標，設計的無人機帶電水沖洗作業(yè)用水標準如表2所示。

按照表2所示的方式，根據無人機帶電水沖洗環(huán)境的實際情況，有針對性地選擇對應的沖洗水。需要注意的是，在對絕緣子進行帶電水沖洗時，沖洗水本身不屬于純絕緣介質材料，因此可以將絕緣子上帶電部分看作是帶電導體在電阻的作用下處于接地狀態(tài)，此時水沖洗與用絕緣桿進行帶電操作的原理基本一致。通過這樣的方式，可以實現對帶電設備的安全沖洗。

表2 無人機帶電水沖洗水電阻率值標準

上面已經提到，沖洗水并非絕對絕緣體，因此會產生一定的泄漏電流，為了保障無人機及周圍環(huán)境的安全，本文對該部分進行了細化研究。泄漏電流的兩條回路，一條經由水柱、噴嘴、人體入地，另一條經絕緣子表面泄漏電阻入地。保障經人體入地回路的電流強度滿足人體安全要求，經絕緣子表面入地回路的電流滿足設備安全要求，是實施帶電水沖洗的另一個重要內容，針對此，本文通過對水柱長度進行差異化設置，控制通過人體泄漏電流的強度。

具體的控制標準如表3所示。

按照表3所示的方式，設置無人機帶電水沖洗水柱的長度，在實施水沖洗的過程中，需要為噴嘴和水龍頭設備表面設置防雨罩，以保障沖洗效果能夠達到預期。

表3 無人機帶電水沖洗水柱長度控制標準

1.4 無人機沖洗方式

在沖洗絕緣子時，需要按照一定的順序進行。當待沖洗的絕緣子串處于垂直安裝狀態(tài)時，按照由下往上的順序進行沖洗；當待沖洗的絕緣子串處于耐張狀態(tài)時，優(yōu)先沖洗帶電體側的絕緣子結構，最后沖洗接地端的絕緣子結構。當待沖洗的電力設備中包含不同的兩相時，要避免同時沖洗，并防止水柱跨接兩相，以降低出現短路情況的概率。在實際的沖洗過程中，也有可能會由于電壓分布的改變出現電火花，此時可以直接利用沖洗的水柱對火花進行處理，直至火花熄滅為止。部分設備可能存在密封不良或表面絕緣子層存在缺陷的情況，沖洗水柱也要避免與該類部位發(fā)生接觸。

2 無人機噴涂技術研究

2.1 噴涂操作方式

在利用無人機實施噴涂操作時，只需將無人機定位在待噴涂環(huán)境的頂端，操作人員在固定地點對無人機的飛行姿態(tài)進行控制，一般情況下，對應的飛行方式分為上下豎排工作模式和左右橫排工作模式兩種。在四軸螺旋槳操作系統(tǒng)的控制作用下，無人機借助攝像頭采集工作面的實際情況，并通過調節(jié)噴頭的角度實現對死角的噴涂。借助這樣的方式，窗框、墻角等復雜空間范圍也可以實現完整噴涂。在此基礎上，借助無人機工作區(qū)間模塊化的設置方式，當完成對當前區(qū)間的噴涂后，通過增加供電供料管的長度，無人機可以在無人工參與的條件下直接前往下一個施工區(qū)間。

2.2 噴涂控制方式

當無人機內涂料需要補充時，工作人員在涂料基站增加涂料的供給壓力，將涂料輸送到無人機的儲存罐中，通過這樣的方式確保無人機實現連續(xù)工作。結束噴涂施工后，拆下基站連接的供料管，并通過減壓的方式將管內剩余的涂料反流到容器。需要注意的是，無人機噴槍的噴射范圍直接決定了其飛行的間距，保持二者處于一致的狀態(tài)，可避免噴涂效果出現厚度超標或噴涂不完整的問題。對于無人機噴槍角度的控制，通過軟膠皮管建立噴槍噴射管與涂料罐之間的連接關系，將桿件轉動固定在噴射管兩側，以此實現對噴槍角度的360°控制調節(jié)。

3 應用測試與分析

3.1 測試環(huán)境

本文以某電力企業(yè)的220 kV配電網設備為目標進行測試，對應的測試環(huán)境如圖1所示。

圖1 測試環(huán)境示意圖

對該配電網的基礎設施情況進行分析，已經連續(xù)運行622天，受周圍環(huán)境影響，設備和線路表面存在明顯的附著物，一定程度上影響了供電安全；對設備表面的絕緣涂層情況進行觀察，部分區(qū)域已經出現破損，嚴重威脅配電環(huán)境安全。在此基礎上，分別采用人工方法和無人機方式對兩組相同規(guī)模的配電結構進行清洗，并在干燥狀態(tài)下進行絕緣材料的噴涂，分別統(tǒng)計對應的施工效果。

3.2 測試結果與分析

分別統(tǒng)計不同處理技術下對應的處理效果，得到的數據結果如表4所示。

通過對表4中的數據進行對比可以看出，利用本文所提無人機處理技術對測試配電網設備進行清洗時，在相同施工規(guī)模下，對應的時間開銷僅為2天，與人工處理方法相比縮短了1.5天，用水量也減少了39.1 m3。在進行噴涂施工時，本文所提無人機處理技術完成施工的耗時為2.5天，用料量為5.2 L，與人工處理方法相比均分別降低了1/2左右。通過測試結果可以得出以下結論：利用無人機實施帶電水沖洗與噴涂施工時，可以有效縮短耗時，減少資源使用量。

表4 不同處理方法效果對比表

4 結語

利用無人機實施帶電水沖洗和噴涂施工不僅可以在極大程度上保障施工的安全性，同時也可以有效提高施工的效率和質量。本文對無人機帶電水沖洗和噴涂技術進行了研究，在明確了相關技術具體實施方式的基礎上，以實際環(huán)境為基礎，分析測試了所提技術的應用效果。希望本文的研究能夠為加速無人機在更多領域的應用提供有價值的幫助。