基于无人机巡检平台的劣化绝缘子带电检测技术

张志猛，李 抗，刘 杰，贾伯岩，王 平，耿江海*

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,石家庄 050021；2.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司,宁波 315000；3.华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,保定 071003)

绝缘子是输电线路中起到机械支撑及电气连接的重要部件。其中复合绝缘子因其良好的机械性能、耐污性能得到广泛应用。随着运行年限的增加，复合绝缘子会出现不同程度和类型的劣化。由于绝缘子劣化导致的线路闪络停电事件时有发生，对电网的安全稳定运行造成了严重威胁[1-2]。

中外的绝缘子带电检测方法主要有紫外成像法、红外成像法和电场测量法。文献[3]基于紫外成像技术检测劣化绝缘子的放电动态特性，但受到污秽影响，其劣化位置无法确定，特别当中部的绝缘子发生劣化时，紫外成像仪存在灵敏度低等问题，经常出现误判等情况；文献[4-5]基于红外图像技术提出绝缘子状态评价模型，通过实验证明了方法的有效性，但红外法受对焦情况、太阳和背景辐射等环境因素的影响；文献[6-7]指出复合绝缘子伞裙和护套破损时，空间电场强度相比正常时并不会发生明显改变；文献[8]指出碳化通道的存在使复合绝缘子串周围空间的电场分布发的畸变，通道附近的场强值有所增大。碳化通道距高压端越近，电场的畸变程度越大，距高压端越远，电场畸变的程度越小。

综上可知，外界因素影响会导致紫外法和红外法极大的测量误差，造成漏检错检。而已有的空间电场检测手段只能在试验室实现，无法做到带电检测。采用高集成度光学元件，设计完成小型化的空间电场传感器，分析了无人机介入对绝缘子原有空间电场的影响。搭建了包括机载端和地面端的无人机巡检平台，配套研制基于A/D转换模块和射频模块的电场信号无线传输装置，实现了无人机巡检平台电场测量信号在机载端与地面端的传输，并进行了复合绝缘子芯棒局部导通的带电检测试验。

1 无人机巡检平台的构成

1.1 电场测量装置

带电运行的绝缘子周围分布有空间电场，利用电场传感器可以测量绝缘子串的空间电场。基于光电晶体泡克尔斯效应的高电压电场测量原理为利用晶体的光折射率在一定方向的外加场强下发生改变的特性[9]，将空间场强信号转化为光功率信号传输，再通过光电转换器将光功率信号转化为电压信号，经过相应的换算得到电场值。如图1所示的电场测量系统示意图，系统由光发射单元，保偏光纤，电场传感器及光电转换单元组成，并通过信号线连接示波器。具体工作原理为：光发射单元发出某一波长的线偏振光，线偏振光经过保偏光纤进入电场传感器，经过外界电场的作用，输出的光功率发生改变，输出的信号经过光纤传入光电转换单元，光电转化装置将输入光信号转化为与输入光功率幅值成正比的电压信号，在示波器进行显示。根据前述的原理设计制作的电场传感器探头如图2所示，探头主要由外壳，晶体，及光纤组成，其外壳材料为聚乙烯材料，具有良好的绝缘及抗压性能，外部尺寸为55 mm×8 mm×4 mm。

图1 电场测量系统原理图

图2 电场传感器探头实物图

为了研究传感器的工频响应特性，将测量装置输出的电信号转换成电场强度，进行了电场传感器的工频电场响应特性试验。试验时将电场传感器放置于0.5 m平板电极中，对板-板间隙施加12～120 kV工频电压，升压步长为10 kV，所对应电场强度为24～240 kV/m，将电场测量系统的输出电压与相应的电场强度制作成特性曲线，通过该曲线可以得到电场测量系统输出的电压与外界电场强度的关系，如图3所示。

图3 电场测量系统输出电压与电场强度关系

1.2 无线信号传输系统

无线信号传输系统设计中，核心的控制器件使用STC89C52单片机来进行控制，该系统结合了单片机、射频模块、AD模块和LED显示模块，可实现对外部电压信号的采集，同时进行无线传输，然后经过采样运算在LED显示屏上显示出来波形信号的峰值。系统中传送的电压信号最初是模拟正弦信号，然后通过AD模块进行模数转换，转化成数字信号，为了求取峰值，系统中设置了一个容量为40的数组存放一定的样本信号，每4 ms采样一次放入数组，一个周期采样5次，采取8个周期的样本，放入数组中，然后筛选出样本中的最大值，作为正弦信号的峰值，将此指通过射频模块，从发射端传送到接收端，单片机将此峰值信号，然后通过液晶显示模块。其总体设计方案框图如图4所示。

图4 无线信号传输系统总体设计

系统中存在发射端和接收端两个部分每个部分都有一个单片机作为核心控制器，其主要功能如图5所示。

图5 发射端及接收端单片机的主要功能

在发射端的51单片机，其主要功能为：接收AD模块采集到的电压信号，此模拟电压信号已经经过了模数转换，成为数字代码，可以被单片机读取；将数字电压信号放入样本数组中，样本容量为40，当样本放满后，便通过算法筛选样本中的电压峰值；将峰值电压进行拆解分离，设计中分离成了四位，分别代表电压信号的个、十、百、千位(电压单位为毫伏)；将四位数值依次放入射频程序的发射包中；通过循环结构，依次发送发射包中的四位数字信息；设立LED灯的闪烁程序，当成功发送时，LED 灯会多个一起闪烁代表发送成功。

在接收端的51单片机，其主要功能为：接收NRF24L01芯片收到的数据包，并且有相应的接收数组放置数字信息将接收包数组放入LCD1602液晶显示的程序中去，通过循环结构显示出四位数字信息，代表检测到的电压信号峰值。设立LED灯的闪烁程序，当成功接收到数据时，LED灯会闪烁，代表接收数据成功。

根据前述的设计思路，研制出了无线传输装置，如图6(a)、图6(b)所示。为了测试传输性能，用信号发生器产生幅值1 V，频率为50 Hz的标准正弦波，输入到无线传输装置的发送端，接收端通过显示屏观测。测量结果如图6(b)所示。

图6 无线传输装置

如图6(c)可知，液晶屏的显示值与信号发生器产生的电压值(峰值1 V)相比，误差为1.1%～8.8%，估测平均误差范围在1%～9%。满足工程需要，在无遮挡的空地上进行测试，得到系统的传输极限距离大约为150 m。

结合多个商业综合体开发的实践案例来看，商业综合体的开发往往和交通规划是紧密相连的，商业综合体一般都建设在城市的交通发达区域。对于交通规划而言，商业综合体的开发需要交通规划的有效支撑，交通快速和便利的因素对商业综合体的开展运营发挥着重要影响，如果交通不畅通或不便捷，就会影响人们的高效率出行，那么产生的消费行为也就明显的减少，这对商业综合体的运营是极为不利的。因此，在商业综合体的实际开发建设中，必须要将交通规划纳入到整体开发建设当中，并为其创造积极有利的条件。

2 无人机测量系统对原电场影响分析

高压输电线路是三相交流电，变化的电场产生变化的磁场，并不断向四周激发，与高压线的距离越近，场强也就越大[10]。基于COMSOL软件，建立了一个均匀空间电场，分析无人机的引入对空间电场测量结果的影响。针对大疆M600 PRO型号的无人机，在COMSOL软件中建立其三维模型，物理场选择静电场，分析了在稳态情况下无人机对均匀空间电场的影响。

当无人机位于均匀空间电场中时，由于无人机的存在会造成周围空间电场的变化，如果电场传感器正好处于电场变化区域，会造成测量误差。因此为确定电场传感器的最佳悬挂位置，利用COMSOL建立一个1 V/m的均匀电场空间，将无人机位于该电场空间的中心位置，计算由于无人机的引入对电场的影响。为了测量的安全性，无人机飞行时不能距离绝缘子过近，故在无人机下方安装了长度为50 cm的绝缘杆，将场强传感器探头安装在绝缘杆顶部，由于无人机飞行方向与空间电场方向的关系的任意性，计算了外加电场垂直于无人机和外加电场平行于无人机两种情况下无人机对均匀电场的影响。根据图7建立无人机全尺寸模型。图8给出了外加电场垂直于无人机和外加电场平行于无人机两种情况下的电场加载方式。

图7 无人机测量装置实物图

图8 外加电场

2.1 外加电场平行于无人机

由图9可知，当外加电场垂直于无人机时，无人机整体场强在0.2～1.4 kV/m，无人机的起落架场强较大，电场传感器表面电场在0.981～0.921 kV/m，与产生的1 kV/m标准长期相比，误差为0.8%～1.9%，满足工程需要。

图9 外加电场垂直时无人机电场表面分布

2.2 外加电场垂直于与无人机

由图10可知，当外加电场平行于无人机时，无人机整体场强比受到垂直电场时要大，场强在0.1～1.6 kV/m，电场传感器探头在0.921～0.982 kV/m，与产生的1 kV/m标准场强相比，误差为1.8%～7.9%，满足工程需要。

图10 外加电场平行时无人机电场表面分布

3 带电检测试验

3.1 无人机搭载装置

整个系统包括机载端和地面端。机载端包括电场测量模块和激光测距模块；地面段包括电场测量数据接收模块，无人机飞行控制遥控器和高清显示屏；机载端和地面端通过无线信号进行通信。整个测量模块包括无人机平台、电场测量模块、激光测距模块、可见光拍摄模块和无线数据传输模块。电场传感器模块由电场传感器探头、光纤、绝缘杆和信号处理单元构成。激光测距模块由激光镜头和脉冲宽度调制开关组成。可见光拍摄模块包含高清镜头和高清显示屏。无线传输模块主要由数据链路。无人机测量装置模块，如图11所示。

图11 无人机测量装置模块

3.2 试验结果与分析

为了验证无人机检测系统的性能，在电力科学研究院试验基地进行了实际测试，选择场地比较开阔测试点，并且无居民区和树木。测试当天温度25 ℃，相对湿度为50%。输电线路为110 kV交流电压，线路上所悬挂的绝缘型号为FXBW-110/120-2，长度为1 240 mm，一共片25伞裙，其中大伞13片，小伞12片。无人机飞行时通过激光测距仪保持电场传感器探头距离绝缘子两伞裙间芯棒距离不变，到达每个测量位置时，地面端等数据稳定记录下该位置的数据后，为了减小误差，测试时沿轴向方向从高压端到低压端采集一次数据，再从低压端到高压端采集一次数据，求得测量平均数。在得到最终数据后，经过处理后进行分析。

3.2.1 实验一

由图12可知，当绝缘子串完好时，不同距离下得到各测量点得到的电场分布曲线都为U形分布，高压端和低压端电场强度较大，中压端电场强度最小。测量距离越大，整体电场越小。

图12 无劣化时不同距离下电场分布曲线

3.2.2 实验二

在绝缘子高压端设置不同长度缺陷时保持无人测量系统探头距离绝缘子串40 cm时得到测量值。

图13可知，当高压端存在5 cm缺陷时，在测量点3处电场明显减小，在点2、4缺陷两端电场增大。当高压端存在10 cm缺陷时在测量点3、4处电场，在点2、5电场增大。当高压端存在15 cm缺陷时，在测量点3、4、5处电场明显减小，在点2、6缺陷两端电场增大。通过测量数据(图13)可知，缺陷长度越大，越容易检测出来。

图13 高压端存在不同长度缺陷时电场分布曲线

3.2.3 实验三

在绝缘子串的高压端、中压端和低压端芯棒处分别埋上10 cm铜线，保持无人机测量系统探头距离绝缘子串40 cm，测量得到相应的电场。

图14可知，在高压端存在10 cm缺陷时，电场畸变较大。当缺陷位于中压端和低压端时，电场畸变较小，不易检测。

图14 不同位置存在10 cm缺陷时电场分布曲线

4 结论

主要内容是设计了小型化电场测量装置，研制了电场信号无线传输装置并测试了传输性能，将其搭载在无人机上，通过仿真分析研究了无人机测量装置介入对原空间电场的影响，并利用集成后的无人机测量装置进行了劣化绝缘子带电检测试验。得到如下结论。

(1)设计的电场测量系统性能线性度较好，可以用于测量绝缘子串的空间电场，研制的无线信号传输装置性能良好，接收端误差在10%以内。

(2)通过仿真可知，当外加电场垂直或者平行于无人机测量装置时，电场传感器测得的电场误差都在10%以内，证明基于无人机的电场测量装置满足工程实际需要。

(3)现场检测试验表明，基于无人机平台搭载电场传感器能有效地检测出存在芯棒导通的劣化绝缘子串，绝缘子串的不同位置存在导通情况都可以检测出来。