输电线路无人机巡检技术应用现状及相关问题分析

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(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,湖北 武汉 430074；2.国家电网公司直流 建设分公司,北京 100032；3.中国能源建设集团江苏省电力建设第三工程有限公司, 江苏 镇江 212000 )

1 引言

无人机巡检试点工作开展以来，国内外生产、检测、科研、应用单位对无人机巡检进行了诸多研究。期间，多地部门组织开展了小型无人直升机(多旋翼无人机)、固定翼和中型无人直升机高、低海拔环境下的巡检性能测试，明确了功能定位和技术参数，并形成了各型无人机技术规范书。在标准、检测、培训、维护保养、评估等支撑体系建设方面取得了初步成效，为输电线路无人机巡检技术推广应用奠定了技术基础。

2 无人机巡检系统分类

2.1 小型无人直升机巡检系统

小型无人直升机巡检系统[1-3]一般由小型无人机、任务设备组成。旋翼数量大于等于四个的无人机(空机)重量多数在3～7kg，个别机型7～9kg；一般通过两轴云台搭载摄像机或红外成像仪作为任务设备，个别使用三轴云台，也有个别机型的任务设备是可见光红外一体化成像仪，仅一个机型的红外具备热图数据；低海拔续航时间一般为13～22分钟，最低的仅10分钟，最高的一个机型可达45分钟，高海拔续航时间一般为13～19分钟，较低的仅9分钟，最高的可达28分钟；测控距离绝大多数为0.8～1km，个别2km。

小型无人直升机巡检系统主要对目视范围内、人不方便到达的一到两基杆塔进行飞行巡检，巡检距离较短；在某些情况下也可以检查设备发热情况，因此可实现可见光、红外设备互换，且红外具备热图数据；其缺点主要是无人机飞行时存在晃动，摄像机成像时间较长，存在拖影，难以满足巡检需要，因此巡检时应使用曝光时间较短的照相模式。

2.2 中型无人直升机巡检系统

中型无人直升机巡检系统[4]由中型无人直升机、吊舱、任务设备组成。中型无人机由于尺寸较大，不全在目视范围内巡检作业。续航时间多数为10分钟左右，个别可达90～120分钟，荷载一般为10kg左右，个别可达30kg，测控距离一般为5km，可通过预设航线自主飞行一次、精细巡检10基左右杆塔。巡检拍照距离一般在50m左右(水平30m)，因此，小型云台加任务设备的模式很难满足成像质量要求，必须使用吊舱。任务吊舱种类较多，但受飞行平台有效载荷限制、以及目前现有任务设备质量的约束，将任务吊舱规定为单光源吊舱(可见光吊舱、红外吊舱)，限制重量小于7kg。现有吊舱能保证水平、俯仰两轴转动范围，可同时搭载摄像机和照相机，重量一般为5～7kg。可见光任务设备成像范围大、清晰度高，能远距离检测销钉级缺陷。红外任务设备分辨率相对较高，具备热图数据。

目前国内成熟的中型无人直升机机型较少，多数采用25B改装。飞控系统良莠不齐，部分飞行稳定性难以满足要求。无论设备结构还是维护保养都较为复杂，操作上操控手、程控手和任务操作手相互配合作业较多。因此，对作业人员培训的要求高、内容多、时间长。

2.3 大型无人直升机巡检系统

大型无人直升机巡检系统[5]中的无人直升机尺寸更大，一般空机质量大于116kg，其续航时间也大大增加，可超过2小时，测控距离一般大于20km。国内大型机机型成熟度不高，多为科研转化阶段。巡检使用和维护保养都极其复杂，对作业人员培训的要求极高，且需专门机库存放、专业班组定期维护。目前只在福建、四川等省电力公司有应用。

2.4 固定翼无人机巡检系统

固定翼无人机巡检系统[6-7]与直升机巡检系统主要区别在于动力系统。固定翼的动力供给包括燃油和动力电池。电动固定翼无人机的续航时间受电池制约，一般在23 ～35分钟不等，较少的仅11分钟，个别可达1小时左右；起飞重量一般在7kg以下；一般采用手抛或弹射方式起飞、伞降或机腹擦地方式降落；巡航速度60～80km/h。油动固定翼的续航时间一般在1.5～3小时左右，部分可达10小时；起飞质量相对较大，一般在12～25kg左右；采用弹射或滑跑方式起飞，伞降、滑降方式降落；巡航速度90～120km/h，个别可达160km/h。

固定翼无人机巡检系统主要对大范围的通道情况进行巡视检查，在发生灾害时，能迅速获取通道的倒塔断线情况，进行通道普查。一般由省检修公司用于500kV及以上输电线路通道巡视和灾后电网评估。

3 无人机巡检内容及作业方式

3.1 无人机巡检内容

无人机巡检主要包含正常巡检、故障巡检、特属巡检等内容。正常巡检时，主要应用无人机巡检系统对输电线路导线、地线和杆塔上部的塔材、金具、绝缘子、附属设施、线路走廊等进行常规性检查；巡检时根据线路运行情况、检查要求，选择性搭载相应的检测设备进行可见光巡检、红外巡检项目。故障巡检时，根据故障信息，应用无人机巡检系统确定重点巡检区段和部位，查找故障点及其他异常情况。特殊巡检时，可以利用无人机巡检系统辅助完成鸟害巡检、树竹巡检、防火烧山巡检、外破巡检、灾后巡检等特殊巡检内容。

3.2 无人机巡检作业方式

根据无人机巡检系统的分类及当前我国无人机巡检系统应用情况可将无人机巡检作业方式分为小型无人直升机作业方式、中型无人直升机作业方式、固定翼无人机作业方式等三类。

小型无人直升机作业方式应始终保持通视状态下作业。不应采用手动飞行模式在巡检作业点进行巡检作业，可采用自主或增稳飞行模式飞至巡检作业点，然后以增稳模式进行巡检作业。不可长时间在设备正上方悬停，不可在重要建筑及设施、公路和铁路等的正上方悬停巡检作业时，巡检飞行速度不宜大于10m/s。距线路设备距离不小于5m，距周边障碍物距离不小于10m。

中型无人直升机作业方式宜采用自主起飞，增稳降落模式。起飞和降落点宜相同，且远离周边军事禁区、军事管理区、人员活动密集区、森林防火区、重要建筑和设施等。相邻两回线路边相之间距离小于100m(山区150m)时，不得使用大型无人直升机巡检系统在两回线路之间飞行。距线路设备距离不小于30m、水平距离不小于25m，距周边障碍物距离不小于50m。巡检飞行速度不宜大于15m/s。

固定翼无人机作业方式其航线任一点应高出巡检线路包络线100m以上。巡检飞行速度不宜大于30m/s。

4 无人机巡检运行中典型故障原因分析及措施建议

4.1 无人机巡检典型故障案例原因分析

(1)案例一为丢星故障。无人机在距塔线较小距离飞行时，有时容易突然丢星，无人机在重新定位过程中位置晃动，撞击塔线导致摔机。经过事后分析可知，飞行过程中，GPS模块与通讯板的连接线脱落。无人机重新定位过程中，飞控手未及时切换至手动模式接管无人机是无人机出现丢星现象的主要原因。因此，针对上述原因，解决方案包括改进连接线固定措施；优化任务设备，在要求的安全距离下可获取清晰影像；加强应急操控能力等。

(2)案例二为动力丢失现象。无人机在巡视过程中，有时出现异常晃动，机体不受遥控器控制，出现翻转，随后动力丢失，呈自由落体坠落。经过分析，造成无人机动力丢失的原因为，电池插头连接时未可靠固定，出现松动现象，飞行时飞控断电。在此建议对电池连接插头进行更换,采用反锁固定方式，可大大降低无人机动力丢失现象的发生机率。

经过多次故障分析可知，无人机巡检系统主要技术指标基本固化，技术实现上不存在困难，目前应用中出现的问题基本是厂家生产质量良莠不齐，主要表现为：

①选用的动力电池性能降低，使用中出现鼓包现象；充放电寿命不满足要求；容量降低，导致续航时间降低等；

②选用的图传、数传链路性能降低，使用中常发生闪断现象。飞行稳定性和可靠性不够；

③选用的任务设备性能降低，成像质量降低；

④其它问题，如地面站续航时间不足、任务设备续航时间不足、插接件连接未有效固定等。

4.2 措施建议

为了解决上述问题，无人机设备厂商应该结合输电线路具体的运行环境，完善无人机在材料、结构、系统等方面的优化设计，并在生产前进行相关产品定型试验，电力运行部门作为无人机巡检使用单位，更应该对无人机巡检系统进行严格的入网检测和验收，提高无人机巡检系统的可靠性和实用性。

5 总结

随着电网的快速发展和大力建设，越来越多的输电线路投入运行，大大增加了线路巡检的工作量。本文结合当前无人机巡检研究现状，从结构入手介绍了四种无人机巡检系统，从实际应用工况介绍了无人机巡检的内容和作业方式，并根据相关典型故障案例分析了无人机巡检存在的问题，提出了一定的措施建议。