無人機搭載的高壓噴水清洗絕緣子裝置研制

黃海鵬 王成皓 周海峰

摘 要：本文研究了一種基于無人機平臺的高壓沖洗絕緣子裝置，該裝置能在地面操控無人機對高空電塔的絕緣子進行帶電噴水沖洗，主要由高壓氣瓶、儲水罐、距離探測器、無人機、控制電路等部分組成。相較于傳統(tǒng)水泵驅(qū)動方式，該裝置采用壓縮空氣作為動力能產(chǎn)生比等體積水泵更大的壓力，從而推動水柱由噴頭高速噴出達到清洗絕緣子的目的，并且具有良好的安全性，值得應用推廣。

關(guān)鍵詞：絕緣子沖洗 壓縮空氣 無人機

中圖分類號：TM216 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-0-02

在供電系統(tǒng)中，高壓絕緣子作為重要的電工器械，其維護狀況的好壞對線路的安全運行十分重要。由于長期暴露在外受環(huán)境的影響會在其表面形成一層導電性污垢，會導致污閃等事故給電網(wǎng)的正常運行帶來極大的威脅。因此供電部門每年都要定期對供電線路上的高壓絕緣子進行清洗以保證絕緣子表面的潔凈，對提高輸電線路運行的可靠性具有重要意義。

1 傳統(tǒng)的清洗方法

傳統(tǒng)的清洗方法往往是通過工作人員登上桿塔，使用濕布擦拭絕緣子，對于頑固污漬需配合洗滌劑擦洗，如果還擦洗不凈，則應更換絕緣子。這種方法效率非常低，且為了保證工作人員的安全，施工線路還要停電，對周邊地區(qū)的生活生產(chǎn)造成影響。下面將進一步介紹基于無人機的高壓噴水清洗絕緣子裝置。

2 基于無人機的高壓噴水清洗絕緣子裝置的研究

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機在電網(wǎng)中的應用也日益廣泛，電力系統(tǒng)使用無人機巡檢已經(jīng)很普遍，可在此基礎(chǔ)上，以無人機為平臺實現(xiàn)給絕緣子高壓噴水清洗的目的。相比于普通的無人機噴水清洗裝置，文章研究的噴水裝置并非采用傳統(tǒng)的水泵驅(qū)動，因為受制于無人機的載重量，水泵的體積與重量都很小，因此就限制了最大噴射壓力，因此文章研究的裝置采用高壓空氣作為噴射水柱的動力可得到非常大的噴射壓力[1]。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，基于無人機的高壓噴水清洗絕緣子裝置系統(tǒng)由1無人機、2激光測距模塊、3可見光云臺相機、4高壓噴水裝置、5控制電路等組成。

如圖2所示，基于無人機的高壓噴水清洗絕緣子裝置系統(tǒng)通過激光測距模塊采集距離信息，通過數(shù)傳模塊回傳地面。遙控信號通過數(shù)傳模塊上傳至飛控，并由飛控轉(zhuǎn)發(fā)至控制器，從而對電磁閥進行控制。

2.2 高壓噴水裝置

在提出該解決方案前曾使用柱塞泵作為動力，但受制于無人機的載重量，水泵的體積與重量都很小，導致此種情況下的最大噴射壓力只有1MPa，并不能滿足把絕緣子沖洗干凈的要求，因為部分污漬日積月累非常頑固，所以需要有更大的噴射壓力才能對絕緣子進行有效的沖洗[2]。使用高壓空氣為動力使水柱高壓噴出，因為提供壓縮起源的部分在地面，所以體積和重量并不會對無人機造成影響，因此可得到30MPa甚至更高的壓力。最后將其充進噴水裝置的高壓容器中即可，該容器的尺寸與水泵相當，但其最大壓力可以達到水泵的30倍，效果較為可觀。使用時通過電磁閥控制高壓容器的壓力通入水罐中，即可使水流高速噴出。該噴水裝置主要由儲水罐、高壓氣瓶、軟管、支撐桿、噴嘴等組成。噴嘴固定在一根1.5m長的碳纖維桿末端，以達到無人機遠離高壓線的目的，從而保證安全。

2.3 激光測距模塊

由于高壓線有強烈的電磁干擾，這套裝置在導線帶電作業(yè)時具有一定的危險性。整套裝置要和電網(wǎng)中的高壓線保持安全距離，距離過近，無人機有“觸電”的危險，甚至引發(fā)嚴重的事故。但裝置也不能離絕緣子太遠，否則沖洗效果不佳，失去清洗的意義。因此需要準確地控制飛機與絕緣子之間的距離，在無人機配備RTK的前提下，能抗磁場干擾且定位精度達到±1cm，因此只需要一個能顯示飛機與絕緣子的距離的裝置即可，出于穩(wěn)定性與準確性的考慮，選用激光測距模塊來測量距離，無人機安裝該測距儀后，可以把前方物體的距離數(shù)據(jù)由實時圖傳系統(tǒng)傳送給地面操控者，使操控者可以根據(jù)返回的距離數(shù)值精準地操控無人機對絕緣子進行清洗。

2.4 可見光云臺相機

可見光相機采用相機與云臺一體化設(shè)計，具有重量輕、穩(wěn)定性高的特性，可與無人機平臺快速對接。由于進行作業(yè)時只需要用于判斷飛機與絕緣子的位置，因此不需要變焦功能，只需要小型的定焦可見光云臺相機即可滿足要求，因此像素方面選用1200W像素。此外云臺相機還能輸出高清視頻至圖像傳輸系統(tǒng)，傳回地面用于判斷飛機實時位置。

2.5 無人機

由于噴水裝置對無人機的穩(wěn)定性、抗電磁干擾性能有著較高的要求，經(jīng)過市場上中型負載無人機的橫向?qū)Ρ?，決定采用M600pro機型作為載機，因為該系列產(chǎn)品在電網(wǎng)得到廣泛的應用，使用該機型無需用戶改變使用習慣、無需重新學習駕駛一款新機型，且該機型可配備RTK模塊，使其可以抗電磁干擾，且懸停精度達到1cm，有效負載能力達到6kg，能滿足該裝置的要求[3]。

3 安全性分析

使用無人機去代替人工爬塔做絕緣子噴水清洗最大的優(yōu)點在于可代替人工爬塔，從而極大地保障了作業(yè)人員的人身安全，這就是其在安全性上最大的優(yōu)點。至于無人機本身就是一款可靠的高性能飛行平臺，該機型已廣泛使用且配備三余度飛控系統(tǒng)、RTK高精度定位系統(tǒng)，使該機的穩(wěn)定性、安全性得到進一步的提高，因此用于絕緣子清洗系統(tǒng)中的載機可使整套系統(tǒng)的安全性得到最大的保障。

4 結(jié)語

綜上所述，此基于無人機的高壓噴水清洗絕緣子裝置的操作人員經(jīng)過專業(yè)培訓后，作業(yè)效率較傳統(tǒng)檢測方式有了顯著的提高，且極大地保障了作業(yè)人員的人身安全，模塊化的設(shè)計使使用及維護方便。該裝置的推出可提高絕緣子清洗的效率，對電力系統(tǒng)的安全運行具有重要意義，有巨大的推廣應用前景。

參考文獻

[1] 張祥全，蘇建軍.架空輸電線路無人機巡檢技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2016.

[2] 熊典.輸電線路無人機巡檢路徑規(guī)劃研究及應用[D].武漢：武漢科技大學，2014.

[3] 韓博.淺析高壓絕緣子和高壓電力設(shè)備帶電化學清洗技術(shù)[J].信息通信，2012（1）：290，253.