一種基于無人機的輸電線路登塔防墜方法

張 雪，楊 鑫

(廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局，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)移位置時不應失去安全帶保護”,但由于一些防墜工器具需要停電加裝且后期維護不當易損壞,或者人機功效差、使用不方便等原因,導致部分作業(yè)人員使用意愿不強,以致上下塔不采取保護措施,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慣,體能消耗較大,登塔的墜落風險增加,以致一線班組使用意愿不強；二是加裝防墜爬梯、防墜導軌、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,通過采取無人機運載登塔保護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前固定式防墜導軌安裝數(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 無人機選型

多旋翼無人機特征尺寸在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、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)量應不大于拋繩無人機有效荷載的80 %,滿足DL/T 1482—2015《架空輸電線路無人機巡檢作業(yè)技術(shù)導則》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、 T10三款無人機均可滿足相應負載要求,其基本性能參數(shù)見表1?？紤]到無人機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四旋翼無人機成為首選。

表1 三款無人機的基本性能參數(shù)

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

2 無人機進入路徑分析

輸電直線塔高44.1 m,220 kV導線直徑為23.88 mm,采用二分裂；500 kV導線直徑為33.6 mm,采用四分裂。無人機簡化模型機身(含旋翼)對角線長85 cm,機身(含旋翼)高度為20 cm,機身材料采用碳纖維,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為分裂子導線半徑。

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

圖1 水平進入時無人機表面電場分布

圖2 45°和135°進入時無人機表面電場分布

圖3 豎直進入時無人機表面電場分布

由圖1～3可知,無人機表面最大電場強度隨著與邊相導線距離的增大而減小。一般而言,在10 kV/m的電場強度下,電子元器件的性能就會受到影響。無人機水平進入且距離導線5 m左右時,無人機表面電場值就達到了10.39 kV/m；豎直方向進入時,無人機與導線的距離是以邊相導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°進入時電場值略小于45°進入。

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

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

3 基于無人機技術(shù)的登塔防墜方法

3.1 登塔防墜原理

基于無人機技術(shù)的登塔防墜方法原理為通過無人機運載登塔保護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械機構(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 起飛前準備

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

3.2.2 飛掛操作

控制無人機飛至指定位置進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下降使其與固定支架掛鉤脫離,并通過無人機拍攝掛鉤卡位圖片,確認裝置已卡掛牢固,即完成飛掛操作。在無人機攜帶機端可視化多關(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下視探燈來打開拋投器銷桿,將機端可視化多關(guān)節(jié)柔性載具與無人機脫離,脫離后無人機正常落地即可。

3.2.3 安保繩固定與登塔

在完成登塔保護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

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

4 結(jié)束語

基于無人機技術(shù)的登塔防墜方法可有效消除當前固定式防墜導軌安裝數(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,有效減輕了登塔人員的心理壓力,降低了墜落風險。