李丹樂 ,李和豐 ,嚴(yán)雪瑩 ,張 輝
(1.國網(wǎng)浙江湖州供電公司,浙江 湖州 313000;2.湖州電力設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 湖州 313000)
隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的電力巡線工作都有無人機(jī)的參與[1]。目前,最常見的巡線工作中均須要作業(yè)人員具備專業(yè)的無人機(jī)駕駛技能,且須要耗費(fèi)一定的時(shí)間和資金成本才能培養(yǎng)出一名專業(yè)的飛手。在電網(wǎng)巡線的過程中,飛手仍須攜帶無人機(jī)抵達(dá)作業(yè)現(xiàn)場,負(fù)責(zé)保障無人機(jī)的飛行安全、為無人機(jī)更換電池、提取飛行后采集數(shù)據(jù)等一系列繁雜工作[2]。這套流程雖相較于傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡巡視和爬塔巡視提高了巡檢的效率,保證了巡檢質(zhì)量,但同時(shí)又為巡檢人員增添了額外的工作任務(wù)。此外,這種工作模式在超視距飛行的過程中仍存在人為誤操作的安全隱患,并沒有從根本上節(jié)省人力物力。
因此,建設(shè)一套全自主無人機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)集無人機(jī)的自動飛行,數(shù)據(jù)的自動采集、分析、處理于一體的自動化巡檢系統(tǒng)成為迫切需求。
以湖州地區(qū)為例,目前全自主無人機(jī)系統(tǒng)已逐步投入使用,截至2020年底全湖州市域范圍內(nèi)共建成1條全自主無人機(jī)巡檢線路,共配備了2只全自主無人機(jī)。據(jù)了解,市場上現(xiàn)有的巡線無人機(jī)續(xù)航能力低,在電力巡線高度或室外溫度較高的情況下,電能損耗速度加快[3],而充電時(shí)間卻往往超過一個(gè)小時(shí)。續(xù)航能力和充電效率的不匹配限制了無人機(jī)的飛行時(shí)間和飛行距離,無法完成長時(shí)間巡線任務(wù)。隨著無人機(jī)自主巡線的推廣,在合適的位置建設(shè)機(jī)場以供無人機(jī)進(jìn)行能源補(bǔ)給和數(shù)據(jù)傳輸成為無人機(jī)自主巡線的必然要求[4]。
經(jīng)市場調(diào)研收資,全自主無人機(jī)機(jī)場可為無人機(jī)自動更換電池或者自動補(bǔ)充充電。根據(jù)不同的任務(wù)指令自動更換吊艙,如光學(xué)變焦鏡頭、紅外熱成像儀、傾斜攝影儀、高空喊話器、360°全景直播儀等,并可根據(jù)不同的需求定制。
全自主機(jī)場通常須要內(nèi)置恒溫系統(tǒng),可保證機(jī)場在任何及極端惡劣的天氣條件下都能正常運(yùn)作。外置小型氣象儀,包含溫濕度傳感、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、RTK 定位裝置,可對無人機(jī)飛行作業(yè)前的天氣狀況進(jìn)行評估,為中控室指揮人員提供下達(dá)指令的依據(jù)。視頻監(jiān)控功能,可對機(jī)庫周邊及機(jī)庫內(nèi)部的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。某廠家提供的機(jī)場外形如圖1所示。
圖1 全自主無人機(jī)機(jī)場外形圖
目前,湖州地區(qū)已建成的全自主無人機(jī)機(jī)場共有2處,分別位于青山變電站圍墻內(nèi)空余場地和鈕家變電站圍墻外代征場地,均屬地表無人機(jī)機(jī)場范疇。
35 kV青山變電站投運(yùn)于1988年,已建成的無人機(jī)機(jī)場布置于站區(qū)西南側(cè)(生活區(qū)),如圖2所示??梢钥闯觯嗌阶兣潆娧b置場地與生活區(qū)有明確的物理隔離,且生活區(qū)有足夠的空余場地,基于本站的實(shí)際情況將無人機(jī)機(jī)場布置于此處較為合理。但并不是所有變電站都有單獨(dú)劃分的生活區(qū),若將其布置于配電裝置場地須要進(jìn)一步分析無人機(jī)起飛降落對原電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響;自國家電網(wǎng)有限公司推行通用設(shè)計(jì)以來,圍墻內(nèi)面積指標(biāo)控制較為嚴(yán)格,建構(gòu)筑物及電氣設(shè)備布置較為緊湊,近十年以來新投運(yùn)的變電站基本無空余場地。
圖2 青山變電站無人機(jī)機(jī)場布置圖
35 kV鈕家變電站已建成的無人機(jī)機(jī)場布置于站區(qū)圍墻外代征場地,如圖3所示。經(jīng)實(shí)地走訪,本站圍墻外附近較為空曠且原代征地未另作他用,基于本站的實(shí)際情況將無人機(jī)機(jī)場布置于此處較為合理。但并不是所有變電站都有可供利用的圍墻外土地,若考慮新征土地,必然涉及到政策處理及高額的土地征收費(fèi);若部分變電站同本站情況一樣存在可供利用的圍墻外土地,尚須核實(shí)圍墻外周邊環(huán)境是否允許建設(shè)無人機(jī)機(jī)場;將無人機(jī)機(jī)場布置于變電站圍墻外場地做法不利于設(shè)備后期運(yùn)行維護(hù)及防盜。
圖3 鈕家變電站無人機(jī)機(jī)場布置圖
變電站內(nèi)一般建有配電裝置樓、輔助用房、消防泵房及辦公宿舍樓等建筑物,建筑物屋頂均按不上人屋面設(shè)計(jì)考慮,通常僅根據(jù)消防要求會在配電裝置樓屋頂配置消防水箱,屋頂可利用空間完全滿足無人機(jī)機(jī)場布置。各個(gè)建筑物高度由于變電站設(shè)計(jì)方案、建筑物結(jié)構(gòu)類型等不同使得差異性較大,通常建筑物高度在4~20 m不等,綜合考慮電氣設(shè)備的安全性、無人機(jī)起飛降落的方便性、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的合理性等因素,將機(jī)場布置在較低或較高建筑物屋頂。可見,變電站屋頂無人機(jī)機(jī)場建設(shè)幾乎不受限制,較好地解決了由于無人機(jī)自主巡線大面積推廣帶來的機(jī)場建設(shè)問題。
綜合看來,變電站屋頂成為建設(shè)無人機(jī)機(jī)場的最佳位置。本文以已建成的青山變電站地表無人機(jī)機(jī)場為參考,對已投入使用的變電站建設(shè)屋頂無人機(jī)機(jī)場進(jìn)行技術(shù)改造方案研究;同時(shí),對新建變電站建設(shè)屋頂無人機(jī)機(jī)場進(jìn)行深化設(shè)計(jì)方案研究。
青山變地表無人機(jī)機(jī)場主要參數(shù)如表1所示。
表1 青山變地表無人機(jī)機(jī)場主要參數(shù)
擬將青山變無人機(jī)機(jī)場建設(shè)于辦公宿舍樓屋頂,根據(jù)一期圖紙資料得知,建筑物結(jié)構(gòu)類型為混凝土結(jié)構(gòu),屋面次梁布置間距為2.25 m,適宜將無人機(jī)機(jī)場兩側(cè)角支座分別安裝于梁上。采用梁上預(yù)埋地腳螺栓方式進(jìn)行定位安裝,如圖4所示。
圖4 地腳螺栓安裝示意圖
完整安裝流程如下:屋面次梁開鑿預(yù)埋所需孔洞→鋼板與直錨鋼筋、地腳螺栓進(jìn)行焊接固定→定位安裝并適時(shí)進(jìn)行二次灌漿。
經(jīng)PKPM軟件的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算,當(dāng)將無人機(jī)機(jī)場置于屋面梁上后不能保證原有梁的承載能力,須采取相應(yīng)的加固方案。采用粘貼鋼板法進(jìn)行屋面梁加固,梁底和梁頂加固示意分別如圖5和圖6所示。
圖5 梁底加固示意圖
圖6 梁頂加固示意圖
梁底加固鋼板范圍為梁中1/3跨度長;鋼板全長通過布置雙排間距400 mm錨栓進(jìn)行連接固定,其中兩端采取粘貼U形扁鋼箍外加錨栓的方式;梁底粘貼鋼板施工前須對梁面進(jìn)行鑿毛處理。
梁頂加固鋼板范圍為兩側(cè)梁端各1/3跨度長;鋼板全長通過布置單排間距400 mm錨栓進(jìn)行連接固定;梁頂粘貼鋼板施工前須鑿除原屋面建筑層至結(jié)構(gòu)層表面,并對梁面進(jìn)行鑿毛處理。
3.4.1 主次梁設(shè)計(jì)
以半戶內(nèi)110 kV新建變電站通用設(shè)計(jì)方案為例,配電裝置樓結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu),為充分保障無人機(jī)起飛降落時(shí)的安全性與便捷性,擬將無人機(jī)機(jī)場建設(shè)于建筑物高屋面GIS室上空。本次設(shè)計(jì)不改變原屋面主次鋼梁布置形式,根據(jù)機(jī)場外形尺寸新增跨度2.5 m,間距1.15 m的次梁3根,同時(shí)根據(jù)機(jī)場重量核算新增次梁型號HN400×150,材質(zhì)Q355。高屋面鋼梁平面布置圖如圖7所示。
圖7 高屋面鋼梁平面布置圖
3.4.2 機(jī)場安裝
本次設(shè)計(jì)考慮新建混凝土梁作為機(jī)場支座,梁上再預(yù)埋地腳螺栓方式進(jìn)行定位安裝。新建混凝土梁梁寬200 mm,梁高可根據(jù)機(jī)場安裝高度確定,梁跨、數(shù)量及布置間距同新增屋面次鋼梁,與屋面板采用混凝土一次整體澆筑。無人機(jī)機(jī)場支座大樣如圖8所示。
圖8 無人機(jī)機(jī)場支座大樣圖
在改造中,計(jì)算共須花費(fèi)29822元,其中建筑工程費(fèi)用18662元,安裝工程費(fèi)5448元,其他費(fèi)用5712元。
變電站屋頂機(jī)場的推廣帶來的直接效益是節(jié)約了機(jī)場建設(shè)的土地征用成本(現(xiàn)有大部分變電站地面空間不足以建設(shè)機(jī)場且影響設(shè)備安全運(yùn)行)。根據(jù)湖州臨滬變電站的征地成本文件來看,征地666.667 m2大約需21萬元,則一座無人機(jī)機(jī)場需要土地大約為25 m2,則征地成本為8000元。而且地面機(jī)場還須要額外增加防撞護(hù)欄費(fèi)用,根據(jù)220 kV德莫線的護(hù)欄基礎(chǔ)定額和主材價(jià)格,則無人機(jī)機(jī)場所需的防撞護(hù)欄成本約為10300元。外加安裝工程費(fèi)和其他費(fèi)用,成本明顯高于屋頂機(jī)場。所以屋頂無人機(jī)機(jī)場的建設(shè)可以大幅削減機(jī)場建設(shè)推廣成本。
本文中依據(jù)青山變?yōu)榉侗舅龅募夹g(shù)改造與概算,結(jié)果表明在變電站屋頂上建設(shè)無人機(jī)機(jī)場可行且成本不高,在未來的自主無人機(jī)推廣中,應(yīng)首選建設(shè)屋頂機(jī)場。