配网架空输电线路无人机综合巡检技术

2 综合巡检模块配置

针对配电网架空线路无人机综合巡检需要，对无人机平台配置高速图像模块，红外、紫外成像传感模块，特高频局放、超声波局放传感模块等任务设备，以完成综合巡检作业。

2.1 高速图像模块

高速图像模块主要是实现飞行条件下可见光的视频图像采集功能，通过无人机搭载高分辨率可见光相机进行巡检拍摄的可见光图像，可以检测出配网线路导线的毛刺、断股、绝缘子脱落等缺陷信息。为保证巡检效果和质量，可见光传感器的技术参数配置要求：(1)有效像素数不低于1 000万;(2)拍摄速度不低于25帧/s，具备4倍光学变焦功能，且连续可调;(3)具备自动对焦功能。

2.2 红外、紫外成像传感模块

红外成像传感模块主要用来检测导线接头、线夹等部件的发热故障，可通过无人机搭载红外热像仪进行巡查。红外热像仪的技术指标配置要求：(1)有效像素数不低于30万;(2)自动对焦功能;(3)具有热图数据且热图数据可导出，可实时显示影像中温度最高点位置及温度值。

紫外成像传感模块主要用来检测电气设备及线路的电晕放电情况[11]，可通过小型无人机搭载日盲紫外电晕探测模组，日盲紫外电晕探测模组的技术要求：(1)探测灵敏度高;(2)体积小、重量轻(质量不大于1.5 kg);(3)能获取光子计数信息、最好能够兼顾可见光进行常规故障的巡检。

目前，有3种探测系统可供选择：改进型可见光/日盲紫外双谱段探测仪、定焦距日盲紫外探测仪以及日盲紫外探测仪+微型可见光相机。3种方案的比较如表1所示。综合考虑以上3种方案优缺点、成本和开发周期，本项目推荐采用常规改进型的日盲紫外电晕探测模组。

2.3 特高频局放、超声波局放传感模块

在变压器、电缆接头等电气设备内部发生局部放电时，会产生正负电荷中和的过程，同时伴随有较陡的电流脉冲，会产生发光、发热、声音、电磁波等现象[12-13]。目前，主要检测方法有脉冲电流法、特高频法和超声波法。

近年来，随着无人机巡检技术快速发展，可采用无人机平台搭载特高频传感器、超声波传感器等设备，实现电气设备局部放电缺陷的带电检测。对于无人机挂载的超声波、特高频传感器，考虑到成本、研发周期、实用性等因素，可采用现有比较成熟的局部放电检测仪的改进方案。常规改进型的传感器配置要求：(1)超声波传感器质量不大于1.5 kg;(2)特高频传感器质量不大于1.5 kg;(3)12 V DC电源，功耗不小于36 W。

3 无人机综合巡检功能实现和测试验证

综合以上技术设计试制了配网架空线路无人机综合巡检系统，并对巡检系统的环境适应性、测控性能、巡检功能等关键技术指标开展试验测试，以验证其综合巡检功能。

环境适应性类测试项目包括低温环境适应性、高温环境适应性、模拟海拔环境适应性和户外抗风、抗雨飞行性能，其中模拟海拔环境适应性试验采用人工环境气候试验室(箱)开展模拟试验。测试结果：(1)环境温度范围为–20~45 ℃;(2)可通过最高海拔高度为2 000 m的模拟高海拔环境适应性试验;(3)在瞬时风速不大于7 m/s环境条件下可正常工作，悬停时与悬停点的水平偏移不大于1.5 m、偏差不大于0.75 m，垂直偏移不大于3 m、偏差不大于1.5 m;(4)在小雨环境条件下可稳定飞行，飞行时间不小于5 min。

测控性能测试项目主要包括巡航时间、测控距离和悬停控制精度。测试结果：(1)正常工作任务载荷下为30 min;(2)飞行高度20 m时，测控数据和图像传输距离为2 km(通视条件下);(3)悬停控制精度，垂直方向±0.5 m，水平方向±1.0 m，能精确定点近距离巡检杆塔，结合地面站模块的实时飞行数据及可视化地图，可精确地完成全自动起飞/降落、航线飞行、绕点飞行、定点悬停等巡检任务。

巡检功能测试项目包括云台转动及可见光、红外、紫外传感器等任务设备性能。测试结果：(1)云台具有水平和俯仰2个方向的转动性能，平转动范围为360°，俯仰转动范围为–60°~+30°;(2)无人机可搭载可见光、红外、紫外、超声波和特高频传感器，载荷采用插拔式连接方式;(3)对于可见光传感器，有效像素数为1 200万，具备变焦功能且连续可调，具备自动对焦功能，可见光传感器成像质量如图7所示;(4)对于红外传感器，有效像素数为30万，具备自动对焦功能，影像为伪彩显示，具备热图数据，可实时显示影像中温度最高点位置及温度值，红外传感器成像质量如图8所示。

4 结语

本文针对配网架空线路巡检应用需求，提出了基于小型无人直升机平台的配网架空线路综合巡检技术。

(1)研究确定了无人机综合巡检平台的机体、云台、悬臂等主要部件的设计要求和方案，并采用流体分析法对设计的无人机结构进行分析。

(2)针对无人机综合巡检需求，研究确定了无人机搭载综合巡检模块的配置方法，对于可见光传感器，有效像素数不低于1 000万，具备变焦和自动对焦功能;对于红外传感器，有效像素数不低于30万，具备自动对焦功能，具有热图数据;对于紫外传感器，质量不大于1.5 kg，建议采用改进型日盲紫外双谱段探测仪;特高频局放、超声波局放传感模块，可采用改进型的超声波、特高频局部放电检测仪。

(3)对无人机综合巡检系统的环境适应性、测控性能、巡检功能等关键技术指标进行了试验测试，测试结果表明各项功能满足配网架空线路巡检作业需求。

作者：吴立远 , 毕建刚 , 常文治 , 杨圆 , 弓艳朋    

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