基于無人機(jī)的復(fù)合絕緣子紅外巡檢方法

陳太雷 弓鵬 張全升

（河南送變電建設(shè)有限公司 河南省鄭州市 450000）

電力系統(tǒng)是人們正常生產(chǎn)和生活的必要保證，保障電力系統(tǒng)安全有效地運行是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的前提。架空輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，110-220 千伏線路是地區(qū)、區(qū)域供電的骨干網(wǎng)架。截至2014 年底，我國110kV 及以上電壓等級的輸電線路上運行的復(fù)合絕緣子已經(jīng)突破700 萬支[1-2]。絕緣子作為架空輸電線路的重要組成部分，廣泛分布于輸電線和桿塔的連接處，承擔(dān)著支撐輸電線路以及電氣絕緣的作用。絕緣子大多分布在戶外，長期受氣候環(huán)境、溫度、濕度等的影響，加上其運行過程中的機(jī)械負(fù)荷、機(jī)電負(fù)荷以及冷熱變化等，可能使其機(jī)械性能和絕緣性能降低，進(jìn)而產(chǎn)生閃絡(luò)和掉串現(xiàn)象，為電網(wǎng)的長周期安全穩(wěn)定運行埋下隱患。所以，及時檢測并排除絕緣子故障具有重要的價值。

現(xiàn)階段對復(fù)合絕緣子老化的非電量檢測主要以觀察、紫外成像、超聲波檢測、溫度檢測法為代表[3]。觀察法最為常用，用雙筒望遠(yuǎn)鏡在塔下觀察可發(fā)現(xiàn)絕緣子常見的表面缺陷,但地面觀察不可靠，不登塔檢測難以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣故障。紫外成像法用于檢測絕緣子表面局部放電，夜視裝置可在夜間觀測局部放電現(xiàn)象。超聲波檢測安全可靠、操作簡單、抗干擾能力強(qiáng),主要用于檢測絕緣子芯棒的裂紋。但其存在耦合、衰減及超聲換能器性能不穩(wěn)定等問題且高壓端金具電暈產(chǎn)生的背景噪音會淹沒絕緣子缺陷所發(fā)出的聲波，不適用于現(xiàn)場檢測，比較適合生產(chǎn)在線檢測以及實驗室檢定。而溫度檢測是通過在線測試絕緣子芯棒局部放電發(fā)熱情況來反映其機(jī)械強(qiáng)度的，傳統(tǒng)的測溫技術(shù)主要是人工手持式紅外測溫[4]。以上方法大多是對絕緣子進(jìn)行隨機(jī)抽檢，無法高效驗證輸電線路整體的劣化水平，具有較大隨機(jī)性。此外，根據(jù)抽檢試驗情況采取按一定年限（18 年）全部更換絕緣子的方式以降低其劣化風(fēng)險。這種大面積更換既浪費資金，又需要停電操作，影響電力系統(tǒng)的供電可靠性。無人機(jī)具有荷載可變、觀測角度靈活的優(yōu)勢，采用無人機(jī)進(jìn)行線路巡檢、線路架設(shè)和污穢清理等已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段[5]。隨著輸電線路無人機(jī)巡檢方式的普及，將極大減輕人工工作壓力，在消除人工巡檢盲點的同時，提高了巡檢效率與巡視質(zhì)量，保障了巡檢過程中的人身安全。因此，本文提出了一種基于無人機(jī)紅外技術(shù)的檢測方法，實現(xiàn)不停電條件下對復(fù)合絕緣子劣化的檢測。

2 無人機(jī)紅外巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無人機(jī)紅外巡檢系統(tǒng)由硬件設(shè)施、無線通信及后期處理三部分組成，系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1：無人機(jī)紅外檢測系統(tǒng)框圖

圖2：巡檢前期準(zhǔn)備

圖3：輸電線路管理系統(tǒng)登錄界面

系統(tǒng)采用大疆M210 RTK 多旋翼無人機(jī)為飛行平臺，搭載ZenmuseXT2 紅外熱像儀和可見光傳感器獲取絕緣子紅外和可見光圖像。對復(fù)合絕緣子實行無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化飛行采集數(shù)據(jù)，通過高速TF 卡將紅外熱像圖導(dǎo)入計算機(jī)，再采用數(shù)據(jù)歸集分析軟件對紅外影像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化收集和整理，利用紅外智能分析軟件對絕緣子紅外圖像進(jìn)行去噪及增強(qiáng)等預(yù)處理操作，在預(yù)處理后的圖像中提取絕緣子串區(qū)域并分割出絕緣子盤面區(qū)域，然后從絕緣子盤面區(qū)域中提取溫度分布特征數(shù)據(jù)?；诤Ａ康募t外數(shù)據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)化紅外圖譜數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對架空輸電線路復(fù)合絕緣子的溫度全壽命周期監(jiān)測、故障識別與定位的集成功能。

圖4：紅外圖像分析流程

3 無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)巡檢的關(guān)鍵是無人機(jī)搭載紅外熱像儀現(xiàn)場進(jìn)行航拍圖像采集，故其采集的復(fù)合絕緣子航拍圖像的成像質(zhì)量直接影響到后期對航拍圖像的處理和分析。無人機(jī)巡檢紅外圖像的采集過程中會受到太陽輻射、溫度、風(fēng)速、雨雪天氣、檢測角度、距離等的影響，為抑制以上因素對紅外熱像儀拍攝圖像的影響，因此對無人機(jī)巡檢提出了環(huán)境要求：避免在高溫環(huán)境下進(jìn)行紅外檢測，選擇相對濕度適中的環(huán)境進(jìn)行檢測，選擇傍晚時分、晴朗的夜晚、陰天或日出前進(jìn)行紅外檢測，避免太陽輻射過強(qiáng)或過弱造成的影響，選擇無風(fēng)或風(fēng)速低于0.1m/s 時進(jìn)行紅外檢測，避免風(fēng)速對絕緣子散熱系數(shù)的影響，不宜在大霧或雨水天氣進(jìn)行紅外檢測。此外，在巡檢之前需要進(jìn)行充分的準(zhǔn)備工作，如圖2 所示。根據(jù)線路結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行現(xiàn)場飛行試驗，進(jìn)而選擇合適的無人機(jī)機(jī)型。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境情況，選擇相機(jī)參數(shù)，確定合適的拍攝機(jī)位以及飛行航跡，制定標(biāo)準(zhǔn)化飛行方案。采用相對溫差法（指設(shè)備在相同工作條件下對兩個對應(yīng)測量點之間的溫度差值進(jìn)行測量，因此一定程度上抑制了外界環(huán)境對絕緣子檢測精度的影響）對輸電線路進(jìn)行紅外拍攝，并盡量將紅外熱像儀正對被測絕緣子，調(diào)好焦距后對可疑的絕緣子進(jìn)行多次測量，以防偶然因素的干擾造成對設(shè)備的誤判。在圖像采集拍攝過程中，需將GPS 信息數(shù)據(jù)一并采集，關(guān)聯(lián)圖像信息與地理位置信息，以供后期圖像數(shù)據(jù)歸集。

4 輸電線路管理系統(tǒng)

為實現(xiàn)絕緣子的全壽命周期管理，開發(fā)輸電線路管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的登錄界面如圖3 所示。該系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)歸集和紅外智能分析兩大軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸集、圖像檢索、紅外圖像標(biāo)注、絕緣子診斷報告打印等功能。

4.1 數(shù)據(jù)歸集軟件

由于無人機(jī)紅外巡視的輸配電線路絕緣子數(shù)目多，同時在拍攝角度要求下造成可見光和紅外圖片量極大，因此對大量的照片進(jìn)行位置屬性分類命名等后期整理工作顯得尤為重要。故開發(fā)數(shù)據(jù)歸集軟件，對無人機(jī)采集的大量離散型數(shù)據(jù)按照目錄樹構(gòu)架進(jìn)行統(tǒng)一命名、統(tǒng)一格式、統(tǒng)一架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化收集、歸類、歸檔，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的紅外圖譜數(shù)據(jù)庫，通過對復(fù)合絕緣子型號、運行時長、運行環(huán)境的污穢度、紅外檢測結(jié)果、可見光檢查結(jié)果等運行數(shù)據(jù)的深度全面挖掘，找到復(fù)合絕緣子在不同自然條件下的劣化特點和劣化規(guī)律，實現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選標(biāo)注，為復(fù)合絕緣子的運行提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 紅外智能分析軟件

在對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸集的基礎(chǔ)上，對紅外圖像進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、熔巖化和區(qū)域分割等預(yù)處理，以減小其邊界模糊、對比度低、信噪比低、受太陽輻射和噪聲影響較大等缺點的影響。開發(fā)紅外智能分析軟件，對預(yù)處理后的紅外圖像進(jìn)行智能分析。基于表面溫度判斷法，對復(fù)合絕緣子劣化情況進(jìn)行診斷分析。紅外圖像分析流程如圖4 所示。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息豐富的紅外圖譜數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)絕緣子部位和缺陷的標(biāo)準(zhǔn)化描述和標(biāo)注，而后生成規(guī)范化分析報告，最終為實現(xiàn)絕緣子的全壽命周期管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

但是，在好氧條件下硝化菌工作、反硝化菌處于抑制狀態(tài)，僅靠硝化工藝并不能有效將污水脫氮。根據(jù)反硝化作用的原理，在缺氧條件下反硝化菌能將NO3

5 結(jié)束語

本文將傳統(tǒng)紅外測溫手段與無人機(jī)、數(shù)據(jù)歸集、紅外智能分析等技術(shù)相結(jié)合，提出了一種適用于架空輸電線路復(fù)合絕緣子的紅外巡檢技術(shù)方案，對架空線路的復(fù)合絕緣子進(jìn)行全方位高效檢測。通過數(shù)據(jù)歸集軟件，形成標(biāo)準(zhǔn)化圖譜數(shù)據(jù)，以紅外溫測技術(shù)為核心，實現(xiàn)對絕緣子全壽命周期管理，匯總絕緣子劣化診斷信息，構(gòu)建紅外圖譜數(shù)據(jù)庫，為輸配電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合絕緣子劣化診斷提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。