三峡高海拔山区500 kV输电线路地线金具磨损及发热缺陷无人机精准排查效率分析

程俊翔，何相奎，金 哲，黄 伟，余 帆，张俊波，杨世强，孔 韬，曾璐阳

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

三峡高海拔山区地貌特征山地占比69%。杆塔位于连绵起伏的山区，部分杆塔地线金具位于上下坡中段地形时地线不再保持水平，大小号侧受力不均衡，长期振动导致地线金具易磨损加上山区特有的微气象区域［1］，在金具防腐层磨损的基础上，极易导致金具快速锈蚀，接触电阻增大，金具发热严重。所以，三峡高海拔山区500 kV 三峡出线地线金具磨损及发热缺陷显得尤为突出。输电线路地线连接金具是输电杆塔用来连接避雷线的重要受力部件，其失效断裂会发生地线脱落、线路跳闸等重大事故［2］。2005 年500 kV 三龙三回110 号杆塔地线金具磨损严重导致地线脱落，险些造成严重后果。所以精准掌握地线连接金具的运行状态，是输电运维人员的重点和难点工作。传统的金具检查方式有两种，一是在输电线路停电检修期间或者临近带电设备作业中，作业人员攀登上杆塔，通过视觉观察的方式识别金具运行状态；二是在日常巡视检查中，通过手持红外测温设备，对杆塔金具温度进行测量，找出温度异常的金具。图1 是作业人员登杆检查地线金具运行状态和磨损后的地线金具。

图1 高空检查地线金具和磨损严重地线金具Fig.1 High-altitude inspection of ground wire fittings and severely worn ground wire fittings

传统的金具检查方式需要人员攀登铁塔或者徒步前往杆塔位置进行检查，这种方式经长时间运维实践证明存在诸多不足之处，如图2 所示。一是杆塔位于三峡高海拔山区需要耗费人力成本很高，导致排查效率低。二是检查人员面临山区悬崖陡壁、野生动物和高处作业等各项安全风险，人身伤害风险增加。三是排查准确性与检查人员自身业务水平和经验水平密切相关，检查质量参差不齐。随着无人机自主巡检技术的发展，在无人机上搭载高分辨率可变焦镜头和红外测温设备，可以方便准确识别磨损及发热金具，可以有效解决高海拔山区500 kV 三峡出线地线金具检查中存在的各类问题。

图2 人工巡检途中跋山涉水、翻山越岭Fig.2 Climbing,wading,crossing mountains and ridges during manual inspections

目前已有学者对架空输电线路无人机巡检技术进行研究。文献［3］的架空输电线路无人机巡检技术研究进展一文中，提出了传统人工巡检方式因存在诸多限制，导致巡检效率低下、无法有效保障电网的安全运营，但文中并未利用实际的运维数据将人工巡视和无人机巡检的效率进行对比分析。

近年来，无人机在输电线路运检中得到快速发展，已有不少学者对输电线路无人机自主巡检和无人机红外测温做了深入的研究分析［4-5］，但并未有实际应用数据验证无人机自主巡检在劳动强度、工作质效、事故预防等方面优于人工巡视，有必要对其进行分析。

1 人工、无人机在地线金具检查劳动强度方面的对比

以500 kV峡都一二三回线路为例，结合近几年实际运维数据，从人工登杆检查、地面红外测温和无人机自主巡检检查的人员平均耗能值和平均作业时长两个方面进行对比分析。

1.1 平均耗能值对比

500 kV 峡都一二三回线位于三峡高海拔山区，将每基杆塔步行距离换算成水平步行距离和垂直步行距离，根据统计数据可以得出每基杆塔平均水平距离1.5 km，垂直距离350 m。

一名1.73 m 的成年人平均体重67 kg，平均腿长90 cm，平均步幅65 cm，在步行时仅考虑克服重力做功的情况下可以求出每一步需做功约39 J。

人工登杆检查需要人员步行带上约10 kg 重工器具前往杆塔所在位置，登杆检查完毕后返回车辆。根据500 kV峡都线杆塔明细表，可得出平均杆塔高度为40 m，在不考虑下塔和下山所耗费的能量基础上，可以得出人员检查一基杆塔所需耗费的能量为503.26 kJ。

地面红外测温需要人员步行前往杆塔所在位置，对杆塔地线金具温度进行测量，测量完毕返回车辆，可以得出人员检查一基杆塔所需耗费能量为438.78 kJ。

无人机自主巡检只需要选择安全的飞行点即可完成对杆塔地线金具的检查，根据统计数据得出每基杆塔平均人员水平距离500 m，可得出人员检查一基杆塔所需耗费的能量为30 kJ，3 种方式平均耗能值对比如图3所示。

图3 人员平均耗能值Fig.3 Average energy consumption of personnel

通过以上数据对比发现，无人机巡检的人员平均能耗值是人工登杆检查和地面红外测温检测的6%和6.8%，如果考虑人员在塔上作业过程中和下塔下山的能耗值，此项数据将会进一步减小。由此可见，无人机巡检在人员平均能耗值上明显优于人工登杆检查和地面红外测温检测。

1.2 作业时间对比

按照人员步行步频100步/min，单程巡视期间休息时间10 min进行计算。

人工登杆检查上下杆塔平均时间为30 min，可以得出人员步行前往杆塔—登杆—下塔—返回车辆所需时间为86.92 min。

地面红外测温检测在现场检测时间为3 min，可以得出人员步行前往杆塔—检测—返回车辆所需时间为59.92 min。

无人机自主巡检由数据得出检查直线杆塔平均所需时间为3 min，检查耐张杆塔平均所需时间为5 min，可以得出人员步行前往飞点—检查—返回车辆所需时间为11.69 min。3 种方式平均作业时间如图4 所示。

图4 人员平均作业时间Fig.4 Average working time of personnel

通过以上数据对比发现，无人机巡检的平均作业时间是人工登杆检查和地面红外测温检测的13.4%和19.5%。

综上所述，通过以上对人员平均能耗值和平均作业时间对比，无人机在地线金具发现均明显占优，若假设人员平均能耗值和平均作业时间权重相同，可以得出无人机自主巡检的工作强度是人工登杆检查和地面红外测温检测工作强度的9.7%和13.15%。

2 人工、无人机在地线金具检查工作质效方面的对比

2.1 检测效率对比

人工登杆检查一般在停电检修中或者临近带电设备作业中进行，由于需要综合考虑工作安全性、工作质量和工作强度等问题，每天每人登杆数量不宜过多。根据500 kV 峡都一二三回历年来的停电检修记录和临近带电设备作业的数据来看，平均每人每天可以完成3基杆塔地线金具检查。

地面红外测温检测一般在高温高负荷的夏季进行，三峡高海拔山区山高路远，检测人员需要顶着高温前往杆塔位置完成红外测温，为了确保人员安全，每天每人红外测温杆塔不宜过多。根据500 kV 峡都一二三回历年来红外测温人员安排来看，平均每人每天可以完成5基杆塔地线金具红外测温。

通过2021 年开展的500 kV 峡都一二三回全线无人机自主巡检的飞手飞行数据可知，平均每人每天可以完成25基杆塔地线金具检查工作。

综上所述，可以得出在地线金具检查方面，无人机自主巡检的工作效率是人工登杆检查和地面红外测温检测的8.3倍和5倍。

2.2 检测精度对比

人员登杆检查和无人机自主巡检照片识别都是作业人员通过肉眼去观察，本文认为这两种方式在检查精度方面相当。本文主要讨论通过地面红外测温检测和无人机红外测温测量精度的区别。

2021年500 kV峡都线红外测温中，通过对相同杆塔地线金具地面红外测温数据和无人机红外测温数据对比发现，两者测量值不同，前者为40.5 ℃，后者为46.8 ℃，为了研究原因，安排作业人员在塔下和塔上分别测量，对比测量结果发现在塔下测量地线金具温度普遍偏低。

查阅相关资料发现，文献［6］分析了距离、发射率和外界环境因素对红外测温精度的影响，并得出JRTS80 红外测温设备的距离-温度拟合曲线，说明了随着测量人员与被测物距离越远，物体测量温度相对实际温度下降的幅度越大，这就是在地面测量地线金具温度普遍低于无人机测量的一个原因。

通过进一步对比分析发现。当被测目标周围有其它温度较高的物体、光源或太阳的辐射时，这些辐射会直接或间接的进入测量光路，造成测量误差。

地面红外测温经常是在夏季烈日当空时，人在地面对着高空的地线金具测量，高辐射太阳光进入测量光路，造成测量结果偏差进一步扩大。相比而言，无人机在高空，通常是水平测量，很好地避开了直射的太阳光进入测量光路，有效降低了测量误差。

500 kV 峡都线属于山区线路，杆塔高度普遍比平原地区杆塔高，采用地面红外测温方式对地线金具进行测量，平均测量直线距离超过40 m，采用无人机红外测温，平均测量直线距离不超过5 m 且能有效避免太阳光等辐射进入测量光路造成的误差。通过分析50号基杆塔的测量数据，地面红外测温和无人机红外测温平均测量偏差分别为6.8%和0.9%，无人机红外测温测量精度高于地面红外测温7.6 倍。两种方式平均偏差对比如图5所示。

图5 测量平均偏差Fig.5 Measurement average deviation

3 人工、无人机巡检在事故预防方面的对比

3.1 运维设备安全方面

本文通过对无人机自主巡检和人工检查在开展时间、人为影响、测量设备影响3 个方面进行对比分析，列出表1。

表1 运维设备安全方面Table 1 Operation and maintenance equipment safety

从表1 不难看出，采用无人机自主巡检技术检查金具能充分发挥科技的优势，避免一些影响缺陷识别的因素。通过2021年实际数据统计发现，无人机自主巡检发现金具类缺陷582 处，而人工巡视仅发现114处，人工发现金具类缺陷少的原因是停电检修时间短、任务重，通过人力攀登杆塔排查金具类缺陷的方式，时间和效率均无法满足。无人机自主巡检缺陷发现率高于人工巡视缺陷发现率的5 倍，极大提高了金具缺陷识别率，使运维设备更加可控、能控、在控，提升了事故预防水平。

3.2 运维人员安全方面

本文通过对人工登杆检查、地面红外测温、无人机自主巡检在人员作业时间、人员安全风险、救援及时性3个方面进行对比分析，列出表2。

表2 运维人员安全方面Table 2 Operation and maintenance personnel safety

通过表2 发现，无人机自主巡检相比于人工登杆检查和地面红外测温来说，人员安全风险因素少，救援及时性高，作业人员更安全。

综上所述，在高海拔山区输电线路地线金具缺陷识别中，无人机自主巡检凭借高效的金具缺陷识别率和较低的人员安全风险，既确保了输电设备的安全稳定运行也降低了作业人员的安全风险，提高了事故预防水平。

4 案例分析

4.1 地线金具磨损情况分析

作业人员通过迎峰度夏期间杆塔金具无人机精细化自主巡检拍摄的照片，识别出500 kV三龙三回52号杆塔右地线线夹金具严重磨损，金具挂板和本体的螺栓磨损近1/3，如图6所示。

经分析是因为该基杆塔地线采用单挂点双联形式，处于连续上下坡中段地形时地线不再保持水平，而是呈现一定角度的倾斜状态，如图7所示，这将导致两个线夹受力不均，其中大号侧线夹承受荷载较大，小号侧所承受的荷载较小，加上三龙三回52号杆塔沿山谷沟壑走向且位于微气象区域［7-18］，极易受到交替气流影响，微风振动频繁，导致金具间极易发生摆动，当表面镀锌层损伤后，频繁微风振动和电化学腐蚀双重作用下，加速了金具磨损。

图7 52号杆塔平断面图Fig.7 The horizontal section of the No.52 tower

从图6 看出，缺陷位于地线支架外侧地线金具螺栓上，登杆检查人员需要在狭窄的地线支架上将身体探出才能观察到地线金具螺栓，并且观察角度并不理想，属于从上向下俯看，检查人员很难看出金具螺栓发生磨损，但无人机自主巡检可以很便捷地拍摄高清且角度合适的照片［19-24］，观察人员可以通过观察照片中阴影区域快速识别出地线金具磨损。

4.2 地线金具发热情况分析

作业人员通过迎峰度夏期间杆塔金具无人机自主巡检红外测温发现500 kV峡都二回125号杆塔左地线大号侧钢锚与U 型挂环连接处发热严重，现场测量温度达118 ℃，如图8所示。经分析，一方面是由于进站区段线路密集导致地线上面感应电流增大，电阻热效应发热量增加导致接点温度上升。另一方面是因为进站段孤立档金具松弛连接加上振动导致金具表层的热镀锌破坏，进而引发的电化学腐蚀，使金具加速锈蚀，接触电阻增大，接点温度上升。

图8 金具发热缺陷照片Fig.8 Photo of heating defect of fittings

采用地面红外测温测量接点温度为79 ℃，经分析，由于500 kV峡都二回125号杆塔属于共杆塔，导致测量距离增加，加之测量当天为夏季正午，高温高辐射太阳光进入测量光路导致产生极大误差，所以造成地面红外测温精度低。由图8 看出，无人机金具红外测温相对与人工地面红外测温更灵活、更准确，有效避免了人工红外测温导致的各种人为误差的产生。

5 结语

经上文分析得出：1）无人机自主巡检的工作强度是人工登杆检查和地面红外测温检测工作强度的9.7%和13.15%。2）无人机自主巡检的工作效率是人工登杆检查和地面红外测温检测的8.3倍和5倍；无人机红外测温测量精度高于地面红外测温7.6倍。3）无人机自主巡检提高了杆塔地线金具安全运行水平，降低了人员作业安全风险，提升了事故预防水平。

本文有待改进之处在于数据样本并不能覆盖到三峡高海拔山区500 kV全部输电线路，样本存在一定的局限性，劳动强度分析中横向对比了不同作业的劳动强度，但在每种作业具体劳动强度上没有深入研究。检测精度分析中，并未通过数据得出测量距离和温度下降对应数据关系。下一步，将通过数据分析高海拔山区杆塔地线金具磨损和发热问题所处的环境和金具自身结构方面的共性问题。