基于柔性導體的高壓輸電線路無人機新型驗電裝置的研究

藍偉松（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門529200）

0 引言

在高壓輸電線路停電檢修時，需要檢測停電線路是否正確停電還是帶電，以保證檢修作業人員的安全。高壓驗電技術是電網系統中的一種比較成熟的技術，目前我國輸電線路基本采用接觸式驗電器進行驗電，且已有相關標準：《帶電作業用驗電器用于交流1 kV及以上電壓的電容型驗電器》（IEC 61243-1）、《電容型驗電器》（DL/T 740—2014）對接觸式驗電器的設計、制造、操作導則以及試驗方法進行了規范。接觸式驗電器由金屬探針（鉤）、信號處理及絕緣操作桿組成。但由于高壓輸電線路桿塔高、塔頭尺寸大、絕緣子串長，如果不分場合均使用接觸式驗電器進行驗電，則由于相對地距離大，要求絕緣操作桿具有較長的長度（其長度至少超過5 m），這樣一方面操作桿的重量大，會極大地增加作業人員的勞動強度；另一方面較長的絕緣操作桿容易撓曲，不便于操作，再加上高空作業的因素，甚至有可能使驗電操作無法實現[1]。

傳統輸電線路的驗電工作需要作業人員登塔來完成，面臨高空墜落和人身觸電等風險，所需工器具有高壓驗電器、絕緣手套以及個人防護用品，而驗電裝置的絕緣性能及登高作業驗電都存在一定的風險性。統計數據顯示，以110 kV線路停電檢修前的驗電工作為例：采用人工登塔作業方式，驗電作業需要地勤作業人員1名，高空作業人員1名，安全監護人1名，共3人，平均作業約0.5 h，平均作業工時為1.5人/h。電力行業目前迫切需要一種不需要人員登高就能進行高壓驗電的技術，來彌補這一技術的缺陷。

1 新型柔性導體驗電裝置的總體設計

基于柔性導體的高壓輸電線路無人機新型驗電裝置包括空中驗電系統和地面監控系統。空中驗電系統包括無人機和安裝在無人機云臺上的輕型絕緣桿，輕型絕緣桿上設置驗電模塊和無線發送模塊，地面監控系統包括圖像接收模塊、圖像顯示模塊、無線接收模塊和報警模塊。

2 新型柔性導體驗電裝置的外部結構

基于柔性導體的高壓輸電線路無人機新型驗電裝置的組裝構件采用計算機三維建模和熔融堆疊立體打印技術制作，用以固定柔性導體于無人機平臺的前方。基于柔性導體的高壓輸電線路空中驗電裝置的三維模型整體結構如圖1所示。

圖1 驗電裝置整體結構圖

熔融堆疊立體打印技術是一種增材制造技術，是軟件數學分層的定位模型構建，通過加熱層擠出熱塑性纖維，適用于幾乎任何形狀和尺寸的復雜幾何建筑耐用部件。通過此技術打印出來的構件具有卓越的熱穩定性和耐化學性，并有良好的強度重量比，保證了驗電裝置整體結構的剛度[2]。

輕型絕緣桿前端將傳統的高壓驗電器接觸金屬棒改為柔性導體，不損傷輸電導線，同時增大接觸面，降低操作難度。

3 空中驗電系統

基于柔性導體的高壓輸電線路無人機新型驗電裝置采用獨立于無人機控制系統的無線通信驗電系統，包含天空端驗電模組和地面端提示模組，兩模組之間采用NRF24L01射頻模塊進行通信。

3.1 天空端驗電模組

天空端驗電模組是新型柔性導體驗電裝置的中樞神經，該模組使用MSP430F5529微控制器作為主控，采集和處理由驗電模塊傳入的數據，并將數據調制后通過射頻模塊傳輸至地面端。同時保留了傳統驗電器聲、光提示的接口，在無線通信失效的極端情況下仍然可以正常驗電。基于柔性導體的高壓輸電線路空中驗電裝置天空端驗電模組的電路原理如圖2所示。

3.2 地面端提示模組

地面端提示模組是新型柔性導體驗電裝置的重要部分，該模組同樣使用MSP430F5529微控制器作為主控，將地面端射頻模塊接收到的信號解調后，在OLED屏幕上顯示輸電線路的狀態（帶電/停電）[3]。基于柔性導體的高壓輸電線路空中驗電裝置地面端提示模組的電路原理如圖3所示。

3.3 程序流程

天空端和地面端采用的MSP430F5529微控制器基于C語言編程，開發環境是TI公司的Code Composer Studio。天空端程序流程圖和地面端程序流程圖分別如圖4、圖5所示。

圖2 天空端驗電模組電路原理圖

圖3 地面端提示模組電路原理圖

圖4 天空端程序流程圖

圖5 地面端程序流程圖

當無人機搭載驗電模塊飛行至被檢測高壓線上空后，無人機云臺的圖像采集模塊對驗電模塊與待測線路實時對接的狀況進行采集，通過圖像發送模塊、圖像接收模塊傳送至地面，圖像顯示模塊為地面操控人員提供實時信息，便于及時調整無人機的飛行狀態。

驗電模塊對待測線路進行檢測，當線路帶有電壓時，天空端驗電模組將控制指令經由無線發送模塊、無線接收模塊傳送至地面端提示模組，地面端提示模組控制報警模塊工作，報警模塊顯示輸電線路的狀態“帶電”并同時聲光報警，提醒作業人員線路帶電；若線路無電壓，則顯示輸電線路的狀態“停電”，無動作。

4 結語

本文設計研究的基于柔性導體的高壓輸電線路無人機新型驗電裝置，采用柔性導體代替傳統高壓驗電器的接觸金屬棒，依托無人機平臺搭載實現空中高壓驗電檢測，無需人員登高作業，降低了作業的危險性。根據測試應用數據分析：使用新型柔性導體驗電裝置需要無人機駕駛員1名，監護人1名，共2人，預計作業0.2 h，預計作業工時為0.4人/h，工作效率顯著提高，有效解決了高壓輸電線路驗電的功效低、耗時長、風險高等技術問題。