面向架空線路的無(wú)人機(jī)帶電無(wú)損探傷系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李昭君，王泉，虎永紅，李虎，趙志鈺

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川 750011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000）

0 引言

隨著輸電線路規(guī)模逐步增大，壓接型耐張線夾和導(dǎo)線接續(xù)管作為常用壓接工具在輸電線路中大量使用，由于壓接金具受鑄件質(zhì)量、野外天氣、電力負(fù)荷等因素影響，導(dǎo)致其局部發(fā)熱現(xiàn)象頻發(fā)，長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)熱、放電造成導(dǎo)線在耐張線夾中發(fā)生腐蝕、變形、線股損傷甚至斷股，引發(fā)電力事故[1-2]。目前導(dǎo)線壓接金具的異常監(jiān)測(cè)僅憑無(wú)人機(jī)可視化巡檢和紅外測(cè)溫[3]，監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，成像不明顯以及檢測(cè)精度不高，不能滿足電纜隱患的“早發(fā)現(xiàn)、常跟蹤、早處理”全過(guò)程閉環(huán)管理要求，因此，對(duì)于輸電線路壓接金具和接續(xù)金具的工藝質(zhì)量、壓接效果及其在服役狀態(tài)下的老化、隱患的檢測(cè)亟需研究一種方便直觀的帶電檢測(cè)技術(shù)，可直接判斷出內(nèi)部缺陷程度和壓接金具的壓接工藝水平。

針對(duì)不同的輸電線路特性，目前對(duì)輸電線路缺陷檢測(cè)方法主要有超聲波成像、超聲相控陣檢測(cè)、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、紅外光譜檢測(cè)、渦流檢測(cè)、電場(chǎng)分布檢測(cè)以及射線成像法等[4-6]。超聲波成像[7]是復(fù)雜設(shè)備內(nèi)部缺陷檢測(cè)的常用方法，將采集的高靈敏度噪聲以等高線圖譜的方式可視化，形成類似于溫度熱影像探測(cè)效果，能夠?qū)芸站€路穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)聲源進(jìn)行識(shí)別定位，但其受制于電暈放電干擾，在線路帶電運(yùn)行下難以實(shí)際應(yīng)用。超聲相控陣檢測(cè)[8]最初應(yīng)用于高壓電纜終端鉛封缺陷檢測(cè)，具有缺陷回波明顯、成像清晰等優(yōu)點(diǎn)，但在導(dǎo)線老化腐蝕檢測(cè)中受制于電磁干擾及設(shè)備體積難以掛網(wǎng)運(yùn)行。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)[9]流程包括圖像捕捉、圖像處理和伺服執(zhí)行，具有圖像獲取效率高、存儲(chǔ)容量小等優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)器視覺(jué)只能用于設(shè)備表層缺陷檢測(cè)，對(duì)鑄件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)不具備適應(yīng)性。在無(wú)人機(jī)、巡檢機(jī)器人上掛載紅外傳感器[10]來(lái)檢測(cè)線夾的溫度異常是目前較為普遍的缺陷檢測(cè)手段，但其檢測(cè)效果受限于日常環(huán)境溫度和設(shè)備本身的污損。新型巡檢機(jī)器人的渦流檢測(cè)和電場(chǎng)分布檢測(cè)方法可滿足鋼芯鋁絞線的損傷、斷股帶電檢測(cè)，但碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線沒(méi)有電磁特性，電渦流、漏磁等傳感器均無(wú)法遷移至碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的探傷中，因此渦流檢測(cè)和電場(chǎng)分布檢測(cè)不具備通用性?；诠鈱W(xué)的X 射線二維、三維成像技術(shù)[11-12]常用于工業(yè)鑄件、輸電線路的探傷檢測(cè)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部氣隙、夾渣等體積型缺陷較為敏感，對(duì)設(shè)備的移位、變形可高效表征。隨著設(shè)備檢測(cè)向全尺寸、高精度、高時(shí)效方向邁進(jìn)，X 光探傷技術(shù)具有巨大的工程需求?，F(xiàn)有基于X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)難以真正實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的掛網(wǎng)缺陷檢測(cè)：一方面，由于輸電線路外部環(huán)境復(fù)雜，X 射線設(shè)備龐大，不易擺放定位，人機(jī)協(xié)同能力不足，導(dǎo)致檢測(cè)規(guī)范性較差，檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較低；另一方面，缺少針對(duì)輸電線路線夾等重要設(shè)備的圖像處理，缺陷識(shí)別分析模型，導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率低，缺陷識(shí)別智能化水平不足。

借力于現(xiàn)代設(shè)備管理體系變革契機(jī)，結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)和“X 光”無(wú)損探傷應(yīng)用，研制一種適用于架空線路壓接、接續(xù)金具的“X 光”帶電無(wú)損探傷系統(tǒng)，并基于此開(kāi)展缺陷識(shí)別模型研究和應(yīng)用，對(duì)遙感探傷圖像進(jìn)行高斯濾波降噪處理，結(jié)合邊緣檢測(cè)圖像分割算法對(duì)降噪輸出的探傷圖像進(jìn)行故障缺陷分區(qū)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的精準(zhǔn)識(shí)別和檢測(cè)，提高輸電線路“隱蔽缺陷”的識(shí)別準(zhǔn)確度。

1 建立輸電線路設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

建立輸電線路設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系旨在制定基于系統(tǒng)狀態(tài)的維護(hù)策略開(kāi)展架空線路的分級(jí)優(yōu)化管理，以評(píng)分法為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析為手段，將設(shè)備評(píng)價(jià)體系中評(píng)分大于0.4 的金具列為隱患缺陷探傷庫(kù)，在春檢或秋檢時(shí)期進(jìn)行集中探傷檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)消除設(shè)備隱患。

基于輸電線路設(shè)備運(yùn)維信息建立設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系，通過(guò)運(yùn)行年限(Y)和負(fù)荷水平(L)數(shù)據(jù)進(jìn)行打分評(píng)估。根據(jù)層次分析法思想，基于設(shè)備運(yùn)行年限和負(fù)荷水平的相對(duì)重要性得到權(quán)重矩陣，評(píng)估得到的數(shù)據(jù)樣本作為制定檢修策略的參考。表1、表2給出的評(píng)分設(shè)置符合輸電線路的設(shè)備故障率與投運(yùn)時(shí)間的變化規(guī)律“浴盆曲線”，其原因在于架空線路線夾和電纜終端內(nèi)部缺陷與投運(yùn)前期制作工藝和工作服役過(guò)程受熱、受力、負(fù)荷水平息息相關(guān)。

表1 輸電線路關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行年限評(píng)分

表2 輸電線路關(guān)鍵設(shè)備的負(fù)荷水平評(píng)分

將運(yùn)行年限評(píng)分GY和負(fù)荷水平評(píng)分GL采用式(1)、式(2)進(jìn)行歸一化處理：

根據(jù)層次分析法思想，基于設(shè)備運(yùn)行年限和負(fù)荷水平的相對(duì)重要性得到GY和GL的權(quán)重矩陣：

則關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行年限評(píng)分分配GY0和負(fù)荷水平評(píng)分分配GL0為

關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)總分G采用公式(5)進(jìn)行計(jì)算。G的取值范圍為0～1.5，且分值越高代表設(shè)備狀態(tài)越差。

所設(shè)計(jì)的評(píng)估總分判據(jù)將設(shè)備狀態(tài)評(píng)級(jí)為“良好、隱患、缺陷”推薦運(yùn)維策略。最終構(gòu)建的輸電線路設(shè)備評(píng)價(jià)體系如表3所示。

表3 輸電線路設(shè)備評(píng)價(jià)體系

2 基于無(wú)人機(jī)的架空線路X光無(wú)損探傷模型

由表3可知輸電線路設(shè)備評(píng)價(jià)符合正態(tài)分布規(guī)律，隨著架空線路運(yùn)行年限增加，對(duì)于位居“隱患”狀態(tài)占比較大的設(shè)備，制定設(shè)備檢修策略，進(jìn)行架空線路的探傷檢測(cè)?；跓o(wú)人機(jī)的架空線路X 光無(wú)損探傷模型由無(wú)人機(jī)搭載探傷設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)輸電線路壓接金具、電纜終端的帶電探傷，可對(duì)輸電導(dǎo)線的材料缺陷、鋼芯斷股和散股、鋼芯表面劃傷及金具的制造和裝配等缺陷進(jìn)行直觀檢測(cè)。

2.1 探傷原理

X 光探傷是利用具有較高穿透能力的X 射線使金屬材料發(fā)生可見(jiàn)熒光，通過(guò)金屬內(nèi)部產(chǎn)生的熒光反應(yīng)將金屬結(jié)構(gòu)區(qū)分開(kāi)，X 射線成像板的感光效應(yīng)可反映出金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電纜終端的探傷原理如圖1所示。

圖1 架空線路金具探傷

強(qiáng)度為I0的X 射線投射厚度為x的輸電線路后，射線的投射強(qiáng)度與輸電線路的厚度、密度、射線光量子能量有關(guān)，投射強(qiáng)度衰減規(guī)律為

式中：μ為線路無(wú)缺陷時(shí)的衰減系數(shù)。

當(dāng)輸電線路內(nèi)部存在Δx間隙時(shí)，射線強(qiáng)度為

式中：μ1為線路內(nèi)部有間隙時(shí)的衰減系數(shù)，即電纜終端內(nèi)部存在放電間隙、導(dǎo)線散股現(xiàn)象。

由式(6)、式(7)可得，射線強(qiáng)度變化為

X 射線在金屬材料存在的氣隙缺陷、雜質(zhì)缺陷、熱收縮缺陷、老化腐蝕缺陷、應(yīng)力損傷缺陷呈現(xiàn)不同的感光程度，對(duì)輸電線路內(nèi)部缺陷可直觀展示。

2.2 X光探傷模型設(shè)計(jì)

針對(duì)輸電線路設(shè)備的檢測(cè)需求，在無(wú)人機(jī)上設(shè)計(jì)一種便攜、安全可靠、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、檢測(cè)效率高的X 射線前端檢測(cè)裝備，可以快速完成常規(guī)位置的檢測(cè)，提高工作效率。整個(gè)檢測(cè)裝備包括探傷儀、測(cè)控系統(tǒng)、攝像儀。利用無(wú)人機(jī)和其搭載的探傷儀、攝像儀構(gòu)成測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路及其設(shè)備多角度、全方位拍攝和探傷檢測(cè)。圖2為系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2 無(wú)人機(jī)無(wú)損探傷系統(tǒng)

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

探傷模型主要包含無(wú)人機(jī)電控增穩(wěn)系統(tǒng)、高靈敏度抗干擾設(shè)計(jì)、圖像智能分析三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.1 無(wú)人機(jī)電控增穩(wěn)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)一種電控增穩(wěn)云臺(tái)，如圖3 所示。采用航空鋁框架及快拆式設(shè)計(jì)理念，搭配云臺(tái)電機(jī)、攝像儀、微型控制器。云臺(tái)攜帶陀螺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)具有主動(dòng)減振功能，能減小擾動(dòng)對(duì)探傷的影響，為X光射線脈沖機(jī)提供穩(wěn)定的拍攝角度，在工作空間內(nèi)可以無(wú)死角覆蓋缺陷疑似區(qū)域。

圖3 無(wú)人機(jī)電控增穩(wěn)系統(tǒng)

2.3.2 高靈敏度抗干擾設(shè)計(jì)

X光帶電檢測(cè)采用無(wú)人機(jī)攜帶射線機(jī)和成像板，因?yàn)槌上癜逯苯咏佑|高壓導(dǎo)線，其關(guān)鍵在于系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。電磁干擾主要是導(dǎo)線表面的電暈放電及成像板與導(dǎo)線接觸瞬間的火花放電。常用的電磁屏蔽的方法是切斷傳播途徑，因此將地面GPS 天線連接至一個(gè)金屬地板，這樣可以有效避免射頻干擾，提高無(wú)人機(jī)的電磁屏蔽性能。

2.3.3 圖像智能分析

為實(shí)現(xiàn)架空線路缺陷部位的精準(zhǔn)識(shí)別，將前期采集的模糊遙感圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像降噪、圖像信息融合和圖像分塊分割[13-14]，然后進(jìn)行輸電線路內(nèi)部紋理分割和邊緣輪廓檢測(cè)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)線路缺陷位置。無(wú)人機(jī)采集的X 光遙感探傷圖像表達(dá)式為

式中：h(x, y)為X 光成像板像素值；η(x,y) 為內(nèi)部紋理分割灰度值。

由于內(nèi)部紋理η(x,y) 干擾遙感圖像，通過(guò)圖像濾波進(jìn)行降噪處理，采用值濾波降噪方法進(jìn)行圖像重構(gòu)，濾波函數(shù)為

式中：f^(x,y)為邊緣輪廓像素估計(jì)值；F(x, y)為圖像在坐標(biāo)(x, y)處的像素值；ml為X 光成像板隨機(jī)點(diǎn)序列；δ2l為序列方差。

通過(guò)圖像濾波后，輸出高質(zhì)量像素的探傷圖像為[15]

式中：c1，c2分別為探傷圖像的灰度勢(shì)能和光線程基元；L(C)，A(C)分別為探傷區(qū)域長(zhǎng)度和面積大??；λ1，λ2，λ3，λ4分別為各圖像空間掃描的束向量的權(quán)重系數(shù)，均為大于0的常數(shù)。

為提高設(shè)備探傷的特征分辨力，對(duì)探傷圖像進(jìn)行缺陷區(qū)域分割，建立探傷圖像特征幀點(diǎn)分布狀態(tài)描述方程為

式中：Ct，Ce代表探傷圖像特征幀點(diǎn)分布集合；bint，bine分別為關(guān)聯(lián)系數(shù)[16]。

缺陷區(qū)域分割結(jié)果為

式中：a為X光成像的亮度補(bǔ)償值。

2.4 無(wú)人機(jī)X光帶電無(wú)損探傷檢測(cè)流程

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，無(wú)人機(jī)分兩架次起飛。一次起飛搭載機(jī)械臂抓取X光成像板，無(wú)人機(jī)飛臨導(dǎo)線，在機(jī)械臂攝像頭的輔助下，將X 光成像板放置在待檢測(cè)位置，機(jī)械手打開(kāi)，將X光成像板留在導(dǎo)線上，無(wú)人機(jī)返回降落。如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)一次飛行

其中在第一次飛行中，無(wú)人機(jī)掛載成像板固定于待測(cè)導(dǎo)線具體流程：首先，無(wú)人機(jī)在地面完成掛載機(jī)械臂，機(jī)械臂攜帶X 光成像板；其次，無(wú)人機(jī)吊裝成像板飛至導(dǎo)線線夾待檢測(cè)位置，機(jī)械臂上裝有第一視角攝像頭，可以清晰直觀地觀察作業(yè)目標(biāo)環(huán)境，通過(guò)遙控控制完成掛載動(dòng)作；最后，位于X 光成像板的兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)掛載架由伺服機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，將成像板掛載于導(dǎo)線上，并電子壓緊。無(wú)人機(jī)吊裝成像板掛載導(dǎo)線如圖5所示。

圖5 無(wú)人機(jī)吊裝成像板掛載導(dǎo)線

二次飛行前將機(jī)械手換載三軸電控增穩(wěn)云臺(tái)，該云臺(tái)搭載X射線脈沖機(jī)，無(wú)人機(jī)攜帶X射線脈沖機(jī)飛臨導(dǎo)線，在攝像頭的輔助下，對(duì)準(zhǔn)X光成像板進(jìn)行拍照，如圖6所示。

圖6 無(wú)人機(jī)二次飛行

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

對(duì)本文所述基于無(wú)人機(jī)的X光無(wú)損探傷系統(tǒng)原理進(jìn)行驗(yàn)證，按照所述設(shè)計(jì)理念研制了無(wú)人機(jī)X光無(wú)損探傷原型機(jī)，如圖7所示。

圖7 無(wú)人機(jī)X光無(wú)損探傷原型機(jī)

多旋翼無(wú)人機(jī)采用工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)飛行控制器及碳纖維材質(zhì)的機(jī)身，標(biāo)準(zhǔn)載重15 kg，抗風(fēng)等級(jí)6 級(jí)，最大飛行速度15 m/s；搭載D-RTK GNSS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度定位，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)將三維定位精度提升至厘米級(jí)。電控增穩(wěn)云臺(tái)搭配HT200 云臺(tái)電機(jī)，為X 光射線脈沖機(jī)提供穩(wěn)定的拍攝角度。采用Golden XRS-3X 射線脈沖機(jī)，設(shè)有用戶界面，具備可變脈沖設(shè)置功能。

3.2 射線成像質(zhì)量測(cè)試

為驗(yàn)證基于無(wú)人機(jī)的X光無(wú)損探傷系統(tǒng)的射線成像效果，選擇在西北某市20基220 kV耐張塔壓接管和耐張線夾進(jìn)行帶電探傷檢測(cè)，導(dǎo)線材質(zhì)分別為鋼芯鋁絞線和碳纖維導(dǎo)線。為減少風(fēng)偏對(duì)探傷效果的影響，選則在靜風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。如圖8所示。

圖8 無(wú)人機(jī)X光帶電探傷

圖9 為無(wú)人機(jī)原始采集的探傷圖像，對(duì)其進(jìn)行包括圖像降噪、圖像信息融合和圖像分塊分割的智能處置，得到高分辨的內(nèi)部紋理和邊緣輪廓，如圖10所示。

圖9 無(wú)人機(jī)原始采集的探傷圖像

圖10 優(yōu)化后的探傷圖像

對(duì)20基桿塔的線夾壓接進(jìn)行探傷檢測(cè)，通過(guò)圖像分割技術(shù)共發(fā)現(xiàn)2 處壓接不良，共2 個(gè)凹槽，漏壓1槽，屬于嚴(yán)重缺陷，如圖11所示。

圖11 壓接不良的探傷圖像

對(duì)20基桿塔的線夾單幀探傷時(shí)間耗時(shí)統(tǒng)計(jì)，如圖12所示，探傷單幀平均耗時(shí)為11.1 s，最大耗時(shí)為15 s。

圖12 20基桿塔單次探傷耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)表明，所提出的X 光帶電無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備帶電運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)效率高，能夠有效診斷輸電線路耐張線夾連接情況，能夠準(zhǔn)確掌握輸電線路設(shè)備內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)備內(nèi)部隱蔽的機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷。

4 結(jié)論

1）完成探傷無(wú)人機(jī)完整樣機(jī)的研制并在模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地完成上線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其動(dòng)力性能與探傷效果、定位精度、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性滿足實(shí)驗(yàn)要求，探傷單次平均耗時(shí)控制在15 min 以內(nèi)，探傷圖像合格率達(dá)到95%及以上，具有工程實(shí)用價(jià)值。

2）在無(wú)人機(jī)遙感圖像處理中創(chuàng)新了圖像智能處理分析模塊，通過(guò)建立X 射線原始圖形采集、圖像預(yù)處理、缺陷智能識(shí)別模型，提高X 射線圖像相對(duì)質(zhì)量和探傷檢測(cè)的效率。

3）基于無(wú)人機(jī)的“X光”探傷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)架空線路附屬設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)，大幅降低線路運(yùn)維人員的工作量，提高輸電線路帶電檢測(cè)的效率，減少人員登塔作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。