多旋翼無人機(jī)檢測輸電線路絕緣子研究

鄭天茹，孫立民，婁婷婷，曹建梅，郭翔

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250003；2.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南250002；3.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東濟(jì)南250012）

多旋翼無人機(jī)檢測輸電線路絕緣子研究

鄭天茹1，孫立民2，婁婷婷1，曹建梅1，郭翔3

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250003；2.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南250002；3.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東濟(jì)南250012）

絕緣子作為支持導(dǎo)線的絕緣體，可以保證橫擔(dān)、桿塔與母線等帶電體有足夠的絕緣性，其性能好壞對電網(wǎng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。在長期運(yùn)行中，絕緣子性能會受到環(huán)境因素、電流作用、機(jī)械力作用的影響和破壞，因此需要在電力線路正常運(yùn)行情況下對高空中的絕緣子性能進(jìn)行檢查。研究一種利用多旋翼無人機(jī)對絕緣子檢測裝置，主要利用多旋翼無人機(jī)這種安全穩(wěn)定的高效手段，通過測量絕緣子兩端電勢與正常值相比較的方法實(shí)現(xiàn)對絕緣子狀態(tài)的檢測。利用該裝置和方法，能夠及時了解和掌握線路絕緣子的運(yùn)行情況，判斷是否存在安全隱患，為有效決策提供依據(jù)；還能夠避免檢測人員爬高進(jìn)行近距離帶電操作的危險(xiǎn)性，同時提高檢測效率。對輸電線路安全性及無人機(jī)巡檢可利用范圍的延伸具有很大的實(shí)際意義。

多旋翼無人機(jī)；絕緣子檢測；電勢測量；升降結(jié)構(gòu)

0 引言

在輸電線路中，絕緣子既要有良好的電氣性能，又要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。在長期運(yùn)行中，絕緣子會由于多種原因不定時偶發(fā)性損壞，為保證輸電線路的安全運(yùn)行，急需一種能夠及時且準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)絕緣子故障的設(shè)備及方法。

介紹一種利用多旋翼無人機(jī)對輸電線路絕緣子檢測的裝置和方法，采用多旋翼無人機(jī)搭載高清攝像頭、與電壓傳感器連接的探測極，同時帶有升降裝置。利用該系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣子狀態(tài)的實(shí)時帶電檢測，及時了解和掌握線路絕緣子的運(yùn)行情況，判斷是否存在安全隱患。

1 現(xiàn)有絕緣子檢測方法

目前絕緣子檢測方法主要有直接觀察法、紫外成像法、紅外成像法、超聲波檢測法、等值鹽密法、電阻法、電場法、泄漏電流法、脈沖電流法和電勢測量法［1-4］。直接觀察法誤差較大，且對絕緣子的內(nèi)絕緣性能無法檢測；紫外成像法只能在局部放電發(fā)生時使用，且受環(huán)境溫度影響較大；紅外成像法檢測定位不準(zhǔn)確，易受環(huán)境溫度的影響；超聲波檢測法因其耦合和衰減及超聲波換能器性能問題不適合現(xiàn)場檢測；等值鹽密法消耗時間長，得出的結(jié)論僅為絕緣子整體污穢的平均水平；電阻法僅適用于低壓線路；電場法對某些不影響電場分布的絕緣損傷靈敏度不高；泄漏電流法需要在每串絕緣子串上安裝相應(yīng)的設(shè)備，而且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有限；脈沖電流法的檢測分辨率依賴于不良絕緣子的阻值、不良絕緣子在串中的位置、絕緣子串的片數(shù)和正常絕緣子的電暈起始電壓等參數(shù)，且該方法并未完全成熟。電勢測量法它通過檢測絕緣子兩端間電勢差，與絕緣子串上各個絕緣子電壓分布的規(guī)律性作對比，可判斷絕緣子絕緣性是否良好。此方法簡單易操作并且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高，但需要檢測人員爬高并進(jìn)行近距離帶電操作，危險(xiǎn)性較高且效率低。

現(xiàn)有的在線監(jiān)測絕緣子設(shè)備［5-6］均不可移動，即需要針對每個絕緣子串或絕緣子片安裝，或需利用檢測人員攜帶該設(shè)備爬高進(jìn)行近距離帶電操作，工作量巨大，且不能完全解決人員安全和效率問題。

現(xiàn)有利用機(jī)器人進(jìn)行絕緣子檢測技術(shù)［7-8］，機(jī)器人仍需人工由地面運(yùn)送到桿塔上進(jìn)行使用，無法完全避免人員近距離帶電操作。

現(xiàn)有利用無人機(jī)進(jìn)行絕緣子檢測的技術(shù)，僅采用視覺方式從絕緣子外觀判斷其是否正常，檢測正確率低，無法檢測到外觀無明顯變化的缺陷。

因此需要尋求一種方法，既能夠利用電勢測量法的簡單可靠性，又能夠避免需要檢測人員爬高進(jìn)行近距離帶電操作的危險(xiǎn)性，同時提高檢測效率。隨著利用無人機(jī)巡線技術(shù)的日趨成熟［9-11］，考慮到利用無人機(jī)這種安全穩(wěn)定的高效手段，結(jié)合電勢測量法進(jìn)行對于絕緣子的檢測。

2 多旋翼無人機(jī)檢測絕緣子系統(tǒng)

研制一種多旋翼無人機(jī)檢測絕緣子裝置，其外觀和結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

如圖1所示，探測上、下極為上下兩金屬圓環(huán)，與機(jī)體和旋翼之間均采用中空碳纖維管絕緣連接；電壓傳感器及其兩端相連的導(dǎo)線均處于碳纖維管內(nèi)部；旋翼與舵機(jī)相連導(dǎo)線也處于碳纖維管內(nèi)部；其余部件均處于多旋翼無人機(jī)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)固定安裝，其中高清攝像頭為朝向外側(cè)固定安裝，其他各部件的位置和次序無要求，但安裝時需滿足旋翼無人機(jī)配重平衡要求。

圖1 多旋翼無人機(jī)檢測絕緣子裝置外觀

圖2 多旋翼無人機(jī)檢測絕緣子裝置結(jié)構(gòu)

如圖2所示，多旋翼無人機(jī)檢測絕緣子裝置包括多旋翼無人機(jī)、絕緣子檢測裝置和升降結(jié)構(gòu)。絕緣子檢測裝置包括探測上極和探測下極，分別連接電壓傳感器，通過A/D轉(zhuǎn)化單元將信號輸入DSP處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DSP處理單元輸入端與多旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)連接。多旋翼無人機(jī)包括飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，與其相連的有無人機(jī)衛(wèi)星定位模塊、無人機(jī)數(shù)字羅盤、無人機(jī)三軸陀螺儀、無人機(jī)三軸加速度計(jì)、無人機(jī)舵機(jī)控制器、無人機(jī)氣壓高度計(jì)、無人機(jī)轉(zhuǎn)速測量傳感器、無人機(jī)PCM遙控接收機(jī)、機(jī)載無線通信單元；其中，無人機(jī)衛(wèi)星定位模塊、無人機(jī)數(shù)字羅盤、無人機(jī)三軸陀螺儀、無人機(jī)三軸加速度計(jì)、無人機(jī)氣壓高度計(jì)、無人機(jī)轉(zhuǎn)速測量傳感器、無人機(jī)PCM遙控接收機(jī)均將所采集的數(shù)據(jù)輸入飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)將無人機(jī)衛(wèi)星定位模塊和無人機(jī)氣壓高度計(jì)采集到的多旋翼無人機(jī)在檢測時的GPS值和高度值與所檢測到的DSP處理單元輸入的電勢差值相匹配后，通過機(jī)載無線通信單元將數(shù)據(jù)傳輸給地面站無線通信單元，地面站信息處理裝置可以將檢測電勢差數(shù)據(jù)分析處理，并結(jié)合GPS值和高度值，可以判斷非正常工作的絕緣子片位置。

多旋翼無人機(jī)搭載高清攝像頭，與飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)相連，不但能將所采集視頻通過機(jī)載無線通信單元傳送給地面站無線通信單元，由地面站人員可實(shí)時監(jiān)控多旋翼無人機(jī)的飛行狀態(tài)；同時，可在多旋翼無人機(jī)靠近絕緣子的過程中依靠高清攝像頭實(shí)時傳回的圖像，操控飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)飛行高度以及探測上、下極之間的距離，使探測上極與探測下極能夠分別接觸絕緣子兩端，分別測得電勢值。

飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)通過機(jī)載無線通信單元接收到地面站信息處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)探測上極與探測下極之間的距離的信號后，發(fā)出指令給升降單元，由升降單元調(diào)節(jié)升降結(jié)構(gòu)從而改變探測上極與探測下極之間的距離。其中，升降單元為可編程單片機(jī)與升降結(jié)構(gòu)中的電機(jī)驅(qū)動單元連接，主要將飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的距離信號轉(zhuǎn)化為電機(jī)驅(qū)動信號，以調(diào)節(jié)升降結(jié)構(gòu)。升降結(jié)構(gòu)如圖3所示［12］。

圖3 升降結(jié)構(gòu)

2.1 工作過程

多旋翼無人機(jī)檢測絕緣子裝置共分為7步完成對絕緣子的檢測。

1）在飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)中設(shè)置彈開命令所執(zhí)行的線路和距離；其中，彈開命令執(zhí)行的設(shè)置應(yīng)避免與絕緣子串、桿塔和導(dǎo)線的碰撞。

2）在地面站信息處理系統(tǒng)中設(shè)置好絕緣子電勢差的標(biāo)準(zhǔn)曲線；其中，標(biāo)準(zhǔn)曲線參照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 487—2000《330 kV及500 kV交流架空送電線路絕緣子串的分布電壓》中的規(guī)定進(jìn)行設(shè)置；由于不同環(huán)境、地域中絕緣子串電壓分別也會略有差異，還可選擇不設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)曲線，僅在最終分析結(jié)果時，將整個絕緣子串上各個絕緣子檢測的電勢差值繪制曲線，找到變化趨勢與其他各點(diǎn)不一致的點(diǎn)對應(yīng)的絕緣子，即為疑似非正常工作絕緣子。

3）選取多旋翼無人機(jī)起飛地點(diǎn)，并設(shè)置飛行高度；其中，所選取的起飛地點(diǎn)和飛行高度應(yīng)在保證安全飛行的前提下，盡可能使絕緣子串處于高清攝像頭的視野中，便于后續(xù)工作的進(jìn)行。

4）多旋翼無人機(jī)上搭載絕緣子檢測裝置起飛后，根據(jù)高清圖像實(shí)時緩慢調(diào)節(jié)懸停位置，最終確保探測上、下極分別接觸到絕緣子上下兩端，而后通過電壓傳感器、A/D轉(zhuǎn)化單元、DSP處理單元將所測得數(shù)據(jù)輸入飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)。

5）飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)得到一個電勢差數(shù)據(jù)后，立即將彈開命令輸出給無人機(jī)舵機(jī)控制器，進(jìn)而由無人機(jī)舵機(jī)控制器控制伺服舵機(jī)，指揮多旋翼模塊動作，多旋翼無人機(jī)將按照步驟一種設(shè)置的路線和距離迅速離開被檢測絕緣子。

6）重復(fù)4）、5），至整個絕緣子串上所有絕緣子檢測完畢。

7）絕緣子串檢測完畢后，地面站信息處理單元中即生成疑似非正常工作的絕緣子編號報(bào)告，該編號為根據(jù)GPS、高度及檢測順序信息判定的絕緣子具體位置；而后，應(yīng)將生成的報(bào)告發(fā)給線路維護(hù)人員，以進(jìn)行絕緣子重點(diǎn)更換。

2.2 工作原理

探測上、下級分別接觸帶電作業(yè)的絕緣子兩端，得到的電信號由兩個電壓傳感器分別變成電壓信號后，通過A/D轉(zhuǎn)化單元將電壓模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，輸入DSP處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而后將處理后得到的絕緣子兩端電勢差值輸入多旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)。飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)同時接受多旋翼無人機(jī)飛行狀態(tài)和各個部件工作情況的多種信息，將其中多旋翼無人機(jī)的GPS值和高度信息提取后，與電勢差值一一匹配后，通過無線傳輸傳遞給地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷絕緣子的狀態(tài)及其具體位置；同時，高清攝像頭也將所采集的視頻通過與飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)由無線傳輸傳遞給地面站，地面站人員可實(shí)時監(jiān)控多旋翼無人機(jī)的飛行狀態(tài)，也可在多旋翼無人機(jī)靠近絕緣子的過程中依靠高清攝像頭實(shí)時傳回的圖像操控飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)飛行高度以及探測上極與探測下極之間的距離，使探測上極與探測下極能夠分別接觸絕緣子兩端，分別測得電勢值。飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)通過無線通信接收到地面站調(diào)節(jié)探測上極與探測下極之間的距離的信號后，發(fā)出指令給升降單元，由升降單元調(diào)節(jié)升降結(jié)構(gòu)從而改變探測上極與探測下極之間的距離。

此外，飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)在得到DSP處理單元輸入的電勢差值后，為盡量減少接觸絕緣子的檢測時間，提高檢測安全性，會輸出給無人機(jī)舵機(jī)控制器一個彈開命令，進(jìn)而由無人機(jī)舵機(jī)控制器控制伺服舵機(jī)，指揮多旋翼模塊動作，迅速按照預(yù)先設(shè)定的路線離開絕緣子。

3 應(yīng)用效果

該裝置既利用了電勢測量法的簡單可靠性，克服了視覺方式等其他絕緣子檢測方法的不足，又利用了無人機(jī)這種安全穩(wěn)定的高效手段，能夠避免需要檢測人員爬高進(jìn)行近距離帶電操作的危險(xiǎn)性，同時具有操控簡單、適用范圍廣、不必大范圍安裝的性能，極大提高了檢測效率。

該裝置添加了升降單元，由其通過調(diào)節(jié)升降結(jié)構(gòu)而改變探測上、下極間的距離，省去了在檢測前先測量絕緣子間距的步驟，使該裝置適用于更多種間距的絕緣子檢測，大大增加了使用范圍。

該裝置采用了彈開命令設(shè)置，飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)在得到DSP處理單元輸入的電勢差值后，為盡量減少接觸絕緣子的檢測時間，提高檢測安全性，會輸出給無人機(jī)舵機(jī)控制器一個彈開命令，進(jìn)而由無人機(jī)舵機(jī)控制器控制伺服舵機(jī)，指揮多旋翼模塊動作，迅速按照預(yù)先設(shè)定的路線離開絕緣子。

4 結(jié)語

利用該多旋翼無人機(jī)檢測絕緣子裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對絕緣子狀態(tài)的實(shí)時帶電檢測，及時了解和掌握線路絕緣子的運(yùn)行情況，判斷是否存在安全隱患，為有效決策提供依據(jù)；還避免了檢測人員爬高進(jìn)行近距離帶電操作的危險(xiǎn)性，同時提高了檢測效率。對輸電線路的安全性及無人機(jī)巡檢可利用范圍的延伸具有很大的實(shí)際意義。

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Detection Transmission Line Insulators Using Multi-rotor UAV

ZHENG Tianru1，SUN Limin2，LOU Tingting1，CAO Jianmei1，GUO Xiang3
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China; 2.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China；3.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

As the conductor insulator，insulators ensure enough insulation of the cross arm，tower，and bus，and play a vital role in the safe operation of the grid.In the long-term work，insulators performance is affected and damaged by environmental factors，current and mechanical forces.It is necessary that the insulators performance can be checked in the case of the normal operation of the power line.The equipment and method for detection transmission line insulators are described using multi-rotor UAV.This device detects insulators with a safe and stable multi-rotor UAV，using the method of comparing the measured value and the correct value of the potential of both ends of the insulators.Using this equipment and method，not only as a means of monitoring，can master the operation of the line insulator and the existence of security risks timely，to provide the basis for effective decision-making.It still be able to avoid the risk of inspection personnel for live operation，while improving detection efficiency.The detection method has great practical significance for the security of the transmission line and range extending of using multi-rotor UAV.

multi-rotor UAV；insulators detection；potential measurement；lifting structure

TM216

A

1007－9904（2017）05－0025－04

2017-01-04

鄭天茹（1986），女，工程師，從事無人機(jī)電力巡檢研究相關(guān)工作。