三峽高海拔山區(qū)500 kV輸電線路地線金具磨損及發(fā)熱缺陷無人機精準排查效率分析

程俊翔，何相奎，金 哲，黃 偉，余 帆，張俊波，楊世強，孔 韜，曾璐陽

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

三峽高海拔山區(qū)地貌特征山地占比69%。桿塔位于連綿起伏的山區(qū)，部分桿塔地線金具位于上下坡中段地形時地線不再保持水平，大小號側受力不均衡，長期振動導致地線金具易磨損加上山區(qū)特有的微氣象區(qū)域［1］，在金具防腐層磨損的基礎上，極易導致金具快速銹蝕，接觸電阻增大，金具發(fā)熱嚴重。所以，三峽高海拔山區(qū)500 kV 三峽出線地線金具磨損及發(fā)熱缺陷顯得尤為突出。輸電線路地線連接金具是輸電桿塔用來連接避雷線的重要受力部件，其失效斷裂會發(fā)生地線脫落、線路跳閘等重大事故［2］。2005 年500 kV 三龍三回110 號桿塔地線金具磨損嚴重導致地線脫落，險些造成嚴重后果。所以精準掌握地線連接金具的運行狀態(tài)，是輸電運維人員的重點和難點工作。傳統(tǒng)的金具檢查方式有兩種，一是在輸電線路停電檢修期間或者臨近帶電設備作業(yè)中，作業(yè)人員攀登上桿塔，通過視覺觀察的方式識別金具運行狀態(tài)；二是在日常巡視檢查中，通過手持紅外測溫設備，對桿塔金具溫度進行測量，找出溫度異常的金具。圖1 是作業(yè)人員登桿檢查地線金具運行狀態(tài)和磨損后的地線金具。

圖1 高空檢查地線金具和磨損嚴重地線金具Fig.1 High-altitude inspection of ground wire fittings and severely worn ground wire fittings

傳統(tǒng)的金具檢查方式需要人員攀登鐵塔或者徒步前往桿塔位置進行檢查，這種方式經長時間運維實踐證明存在諸多不足之處，如圖2 所示。一是桿塔位于三峽高海拔山區(qū)需要耗費人力成本很高，導致排查效率低。二是檢查人員面臨山區(qū)懸崖陡壁、野生動物和高處作業(yè)等各項安全風險，人身傷害風險增加。三是排查準確性與檢查人員自身業(yè)務水平和經驗水平密切相關，檢查質量參差不齊。隨著無人機自主巡檢技術的發(fā)展，在無人機上搭載高分辨率可變焦鏡頭和紅外測溫設備，可以方便準確識別磨損及發(fā)熱金具，可以有效解決高海拔山區(qū)500 kV 三峽出線地線金具檢查中存在的各類問題。

圖2 人工巡檢途中跋山涉水、翻山越嶺Fig.2 Climbing,wading,crossing mountains and ridges during manual inspections

目前已有學者對架空輸電線路無人機巡檢技術進行研究。文獻［3］的架空輸電線路無人機巡檢技術研究進展一文中，提出了傳統(tǒng)人工巡檢方式因存在諸多限制，導致巡檢效率低下、無法有效保障電網的安全運營，但文中并未利用實際的運維數據將人工巡視和無人機巡檢的效率進行對比分析。

近年來，無人機在輸電線路運檢中得到快速發(fā)展，已有不少學者對輸電線路無人機自主巡檢和無人機紅外測溫做了深入的研究分析［4-5］，但并未有實際應用數據驗證無人機自主巡檢在勞動強度、工作質效、事故預防等方面優(yōu)于人工巡視，有必要對其進行分析。

1 人工、無人機在地線金具檢查勞動強度方面的對比

以500 kV峽都一二三回線路為例，結合近幾年實際運維數據，從人工登桿檢查、地面紅外測溫和無人機自主巡檢檢查的人員平均耗能值和平均作業(yè)時長兩個方面進行對比分析。

1.1 平均耗能值對比

500 kV 峽都一二三回線位于三峽高海拔山區(qū)，將每基桿塔步行距離換算成水平步行距離和垂直步行距離，根據統(tǒng)計數據可以得出每基桿塔平均水平距離1.5 km，垂直距離350 m。

一名1.73 m 的成年人平均體重67 kg，平均腿長90 cm，平均步幅65 cm，在步行時僅考慮克服重力做功的情況下可以求出每一步需做功約39 J。

人工登桿檢查需要人員步行帶上約10 kg 重工器具前往桿塔所在位置，登桿檢查完畢后返回車輛。根據500 kV峽都線桿塔明細表，可得出平均桿塔高度為40 m，在不考慮下塔和下山所耗費的能量基礎上，可以得出人員檢查一基桿塔所需耗費的能量為503.26 kJ。

地面紅外測溫需要人員步行前往桿塔所在位置，對桿塔地線金具溫度進行測量，測量完畢返回車輛，可以得出人員檢查一基桿塔所需耗費能量為438.78 kJ。

無人機自主巡檢只需要選擇安全的飛行點即可完成對桿塔地線金具的檢查，根據統(tǒng)計數據得出每基桿塔平均人員水平距離500 m，可得出人員檢查一基桿塔所需耗費的能量為30 kJ，3 種方式平均耗能值對比如圖3所示。

圖3 人員平均耗能值Fig.3 Average energy consumption of personnel

通過以上數據對比發(fā)現(xiàn)，無人機巡檢的人員平均能耗值是人工登桿檢查和地面紅外測溫檢測的6%和6.8%，如果考慮人員在塔上作業(yè)過程中和下塔下山的能耗值，此項數據將會進一步減小。由此可見，無人機巡檢在人員平均能耗值上明顯優(yōu)于人工登桿檢查和地面紅外測溫檢測。

1.2 作業(yè)時間對比

按照人員步行步頻100步/min，單程巡視期間休息時間10 min進行計算。

人工登桿檢查上下桿塔平均時間為30 min，可以得出人員步行前往桿塔—登桿—下塔—返回車輛所需時間為86.92 min。

地面紅外測溫檢測在現(xiàn)場檢測時間為3 min，可以得出人員步行前往桿塔—檢測—返回車輛所需時間為59.92 min。

無人機自主巡檢由數據得出檢查直線桿塔平均所需時間為3 min，檢查耐張桿塔平均所需時間為5 min，可以得出人員步行前往飛點—檢查—返回車輛所需時間為11.69 min。3 種方式平均作業(yè)時間如圖4 所示。

圖4 人員平均作業(yè)時間Fig.4 Average working time of personnel

通過以上數據對比發(fā)現(xiàn)，無人機巡檢的平均作業(yè)時間是人工登桿檢查和地面紅外測溫檢測的13.4%和19.5%。

綜上所述，通過以上對人員平均能耗值和平均作業(yè)時間對比，無人機在地線金具發(fā)現(xiàn)均明顯占優(yōu)，若假設人員平均能耗值和平均作業(yè)時間權重相同，可以得出無人機自主巡檢的工作強度是人工登桿檢查和地面紅外測溫檢測工作強度的9.7%和13.15%。

2 人工、無人機在地線金具檢查工作質效方面的對比

2.1 檢測效率對比

人工登桿檢查一般在停電檢修中或者臨近帶電設備作業(yè)中進行，由于需要綜合考慮工作安全性、工作質量和工作強度等問題，每天每人登桿數量不宜過多。根據500 kV 峽都一二三回歷年來的停電檢修記錄和臨近帶電設備作業(yè)的數據來看，平均每人每天可以完成3基桿塔地線金具檢查。

地面紅外測溫檢測一般在高溫高負荷的夏季進行，三峽高海拔山區(qū)山高路遠，檢測人員需要頂著高溫前往桿塔位置完成紅外測溫，為了確保人員安全，每天每人紅外測溫桿塔不宜過多。根據500 kV 峽都一二三回歷年來紅外測溫人員安排來看，平均每人每天可以完成5基桿塔地線金具紅外測溫。

通過2021 年開展的500 kV 峽都一二三回全線無人機自主巡檢的飛手飛行數據可知，平均每人每天可以完成25基桿塔地線金具檢查工作。

綜上所述，可以得出在地線金具檢查方面，無人機自主巡檢的工作效率是人工登桿檢查和地面紅外測溫檢測的8.3倍和5倍。

2.2 檢測精度對比

人員登桿檢查和無人機自主巡檢照片識別都是作業(yè)人員通過肉眼去觀察，本文認為這兩種方式在檢查精度方面相當。本文主要討論通過地面紅外測溫檢測和無人機紅外測溫測量精度的區(qū)別。

2021年500 kV峽都線紅外測溫中，通過對相同桿塔地線金具地面紅外測溫數據和無人機紅外測溫數據對比發(fā)現(xiàn)，兩者測量值不同，前者為40.5 ℃，后者為46.8 ℃，為了研究原因，安排作業(yè)人員在塔下和塔上分別測量，對比測量結果發(fā)現(xiàn)在塔下測量地線金具溫度普遍偏低。

查閱相關資料發(fā)現(xiàn)，文獻［6］分析了距離、發(fā)射率和外界環(huán)境因素對紅外測溫精度的影響，并得出JRTS80 紅外測溫設備的距離-溫度擬合曲線，說明了隨著測量人員與被測物距離越遠，物體測量溫度相對實際溫度下降的幅度越大，這就是在地面測量地線金具溫度普遍低于無人機測量的一個原因。

通過進一步對比分析發(fā)現(xiàn)。當被測目標周圍有其它溫度較高的物體、光源或太陽的輻射時，這些輻射會直接或間接的進入測量光路，造成測量誤差。

地面紅外測溫經常是在夏季烈日當空時，人在地面對著高空的地線金具測量，高輻射太陽光進入測量光路，造成測量結果偏差進一步擴大。相比而言，無人機在高空，通常是水平測量，很好地避開了直射的太陽光進入測量光路，有效降低了測量誤差。

500 kV 峽都線屬于山區(qū)線路，桿塔高度普遍比平原地區(qū)桿塔高，采用地面紅外測溫方式對地線金具進行測量，平均測量直線距離超過40 m，采用無人機紅外測溫，平均測量直線距離不超過5 m 且能有效避免太陽光等輻射進入測量光路造成的誤差。通過分析50號基桿塔的測量數據，地面紅外測溫和無人機紅外測溫平均測量偏差分別為6.8%和0.9%，無人機紅外測溫測量精度高于地面紅外測溫7.6 倍。兩種方式平均偏差對比如圖5所示。

圖5 測量平均偏差Fig.5 Measurement average deviation

3 人工、無人機巡檢在事故預防方面的對比

3.1 運維設備安全方面

本文通過對無人機自主巡檢和人工檢查在開展時間、人為影響、測量設備影響3 個方面進行對比分析，列出表1。

表1 運維設備安全方面Table 1 Operation and maintenance equipment safety

從表1 不難看出，采用無人機自主巡檢技術檢查金具能充分發(fā)揮科技的優(yōu)勢，避免一些影響缺陷識別的因素。通過2021年實際數據統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，無人機自主巡檢發(fā)現(xiàn)金具類缺陷582 處，而人工巡視僅發(fā)現(xiàn)114處，人工發(fā)現(xiàn)金具類缺陷少的原因是停電檢修時間短、任務重，通過人力攀登桿塔排查金具類缺陷的方式，時間和效率均無法滿足。無人機自主巡檢缺陷發(fā)現(xiàn)率高于人工巡視缺陷發(fā)現(xiàn)率的5 倍，極大提高了金具缺陷識別率，使運維設備更加可控、能控、在控，提升了事故預防水平。

3.2 運維人員安全方面

本文通過對人工登桿檢查、地面紅外測溫、無人機自主巡檢在人員作業(yè)時間、人員安全風險、救援及時性3個方面進行對比分析，列出表2。

表2 運維人員安全方面Table 2 Operation and maintenance personnel safety

通過表2 發(fā)現(xiàn)，無人機自主巡檢相比于人工登桿檢查和地面紅外測溫來說，人員安全風險因素少，救援及時性高，作業(yè)人員更安全。

綜上所述，在高海拔山區(qū)輸電線路地線金具缺陷識別中，無人機自主巡檢憑借高效的金具缺陷識別率和較低的人員安全風險，既確保了輸電設備的安全穩(wěn)定運行也降低了作業(yè)人員的安全風險，提高了事故預防水平。

4 案例分析

4.1 地線金具磨損情況分析

作業(yè)人員通過迎峰度夏期間桿塔金具無人機精細化自主巡檢拍攝的照片，識別出500 kV三龍三回52號桿塔右地線線夾金具嚴重磨損，金具掛板和本體的螺栓磨損近1/3，如圖6所示。

經分析是因為該基桿塔地線采用單掛點雙聯(lián)形式，處于連續(xù)上下坡中段地形時地線不再保持水平，而是呈現(xiàn)一定角度的傾斜狀態(tài)，如圖7所示，這將導致兩個線夾受力不均，其中大號側線夾承受荷載較大，小號側所承受的荷載較小，加上三龍三回52號桿塔沿山谷溝壑走向且位于微氣象區(qū)域［7-18］，極易受到交替氣流影響，微風振動頻繁，導致金具間極易發(fā)生擺動，當表面鍍鋅層損傷后，頻繁微風振動和電化學腐蝕雙重作用下，加速了金具磨損。

圖7 52號桿塔平斷面圖Fig.7 The horizontal section of the No.52 tower

從圖6 看出，缺陷位于地線支架外側地線金具螺栓上，登桿檢查人員需要在狹窄的地線支架上將身體探出才能觀察到地線金具螺栓，并且觀察角度并不理想，屬于從上向下俯看，檢查人員很難看出金具螺栓發(fā)生磨損，但無人機自主巡檢可以很便捷地拍攝高清且角度合適的照片［19-24］，觀察人員可以通過觀察照片中陰影區(qū)域快速識別出地線金具磨損。

4.2 地線金具發(fā)熱情況分析

作業(yè)人員通過迎峰度夏期間桿塔金具無人機自主巡檢紅外測溫發(fā)現(xiàn)500 kV峽都二回125號桿塔左地線大號側鋼錨與U 型掛環(huán)連接處發(fā)熱嚴重，現(xiàn)場測量溫度達118 ℃，如圖8所示。經分析，一方面是由于進站區(qū)段線路密集導致地線上面感應電流增大，電阻熱效應發(fā)熱量增加導致接點溫度上升。另一方面是因為進站段孤立檔金具松弛連接加上振動導致金具表層的熱鍍鋅破壞，進而引發(fā)的電化學腐蝕，使金具加速銹蝕，接觸電阻增大，接點溫度上升。

圖8 金具發(fā)熱缺陷照片F(xiàn)ig.8 Photo of heating defect of fittings

采用地面紅外測溫測量接點溫度為79 ℃，經分析，由于500 kV峽都二回125號桿塔屬于共桿塔，導致測量距離增加，加之測量當天為夏季正午，高溫高輻射太陽光進入測量光路導致產生極大誤差，所以造成地面紅外測溫精度低。由圖8 看出，無人機金具紅外測溫相對與人工地面紅外測溫更靈活、更準確，有效避免了人工紅外測溫導致的各種人為誤差的產生。

5 結語

經上文分析得出：1）無人機自主巡檢的工作強度是人工登桿檢查和地面紅外測溫檢測工作強度的9.7%和13.15%。2）無人機自主巡檢的工作效率是人工登桿檢查和地面紅外測溫檢測的8.3倍和5倍；無人機紅外測溫測量精度高于地面紅外測溫7.6倍。3）無人機自主巡檢提高了桿塔地線金具安全運行水平，降低了人員作業(yè)安全風險，提升了事故預防水平。

本文有待改進之處在于數據樣本并不能覆蓋到三峽高海拔山區(qū)500 kV全部輸電線路，樣本存在一定的局限性，勞動強度分析中橫向對比了不同作業(yè)的勞動強度，但在每種作業(yè)具體勞動強度上沒有深入研究。檢測精度分析中，并未通過數據得出測量距離和溫度下降對應數據關系。下一步，將通過數據分析高海拔山區(qū)桿塔地線金具磨損和發(fā)熱問題所處的環(huán)境和金具自身結構方面的共性問題。