程俊翔，何相奎，金 哲，黃 偉，余 帆，張俊波，楊世強(qiáng)，孔 韜，曾璐陽

（國(guó)網(wǎng)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(shí)地線不再保持水平，大小號(hào)側(cè)受力不均衡，長(zhǎng)期振動(dòng)導(dǎo)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(chǔ)上，極易導(dǎo)致金具快速銹蝕，接觸電阻增大，金具發(fā)熱嚴(yán)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(huì)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(hào)桿塔地線金具磨損嚴(yán)重導(dǎo)致地線脫落，險(xiǎn)些造成嚴(yán)重后果。所以精準(zhǔn)掌握地線連接金具的運(yùn)行狀態(tài)，是輸電運(yùn)維人員的重點(diǎn)和難點(diǎn)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(shè)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(shí)別金具運(yùn)行狀態(tài)；二是在日常巡視檢查中，通過手持紅外測(cè)溫設(shè)備，對(duì)桿塔金具溫度進(jìn)行測(cè)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(yùn)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(yán)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(jìn)行檢查，這種方式經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)維實(shí)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(fèi)人力成本很高，導(dǎo)致排查效率低。二是檢查人員面臨山區(qū)懸崖陡壁、野生動(dòng)物和高處作業(yè)等各項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)，人身傷害風(fēng)險(xiǎn)增加。三是排查準(zhǔn)確性與檢查人員自身業(yè)務(wù)水平和經(jīng)驗(yàn)水平密切相關(guān)，檢查質(zhì)量參差不齊。隨著無人機(jī)自主巡檢技術(shù)的發(fā)展，在無人機(jī)上搭載高分辨率可變焦鏡頭和紅外測(cè)溫設(shè)備，可以方便準(zhǔn)確識(shí)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(xué)者對(duì)架空輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［3］的架空輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)研究進(jìn)展一文中，提出了傳統(tǒng)人工巡檢方式因存在諸多限制，導(dǎo)致巡檢效率低下、無法有效保障電網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)，但文中并未利用實(shí)際的運(yùn)維數(shù)據(jù)將人工巡視和無人機(jī)巡檢的效率進(jìn)行對(duì)比分析。

近年來，無人機(jī)在輸電線路運(yùn)檢中得到快速發(fā)展，已有不少學(xué)者對(duì)輸電線路無人機(jī)自主巡檢和無人機(jī)紅外測(cè)溫做了深入的研究分析［4-5］，但并未有實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)驗(yàn)證無人機(jī)自主巡檢在勞動(dòng)強(qiáng)度、工作質(zhì)效、事故預(yù)防等方面優(yōu)于人工巡視，有必要對(duì)其進(jìn)行分析。

1 人工、無人機(jī)在地線金具檢查勞動(dòng)強(qiáng)度方面的對(duì)比

以500 kV峽都一二三回線路為例，結(jié)合近幾年實(shí)際運(yùn)維數(shù)據(jù)，從人工登桿檢查、地面紅外測(cè)溫和無人機(jī)自主巡檢檢查的人員平均耗能值和平均作業(yè)時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 平均耗能值對(duì)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(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(zhǎng)90 cm，平均步幅65 cm，在步行時(shí)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(jù)500 kV峽都線桿塔明細(xì)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(fèi)的能量基礎(chǔ)上，可以得出人員檢查一基桿塔所需耗費(fèi)的能量為503.26 kJ。

地面紅外測(cè)溫需要人員步行前往桿塔所在位置，對(duì)桿塔地線金具溫度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完畢返回車輛，可以得出人員檢查一基桿塔所需耗費(fèi)能量為438.78 kJ。

無人機(jī)自主巡檢只需要選擇安全的飛行點(diǎn)即可完成對(duì)桿塔地線金具的檢查，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(fèi)的能量為30 kJ，3 種方式平均耗能值對(duì)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(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)巡檢的人員平均能耗值是人工登桿檢查和地面紅外測(cè)溫檢測(cè)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(xiàng)數(shù)據(jù)將會(huì)進(jìn)一步減小。由此可見，無人機(jī)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(cè)溫檢測(cè)。

1.2 作業(yè)時(shí)間對(duì)比

按照人員步行步頻100步/min，單程巡視期間休息時(shí)間10 min進(jìn)行計(jì)算。

人工登桿檢查上下桿塔平均時(shí)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(shí)間為86.92 min。

地面紅外測(cè)溫檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)間為3 min，可以得出人員步行前往桿塔—檢測(cè)—返回車輛所需時(shí)間為59.92 min。

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

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

通過以上數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)巡檢的平均作業(yè)時(shí)間是人工登桿檢查和地面紅外測(cè)溫檢測(cè)的13.4%和19.5%。

綜上所述，通過以上對(duì)人員平均能耗值和平均作業(yè)時(shí)間對(duì)比，無人機(jī)在地線金具發(fā)現(xiàn)均明顯占優(yōu)，若假設(shè)人員平均能耗值和平均作業(yè)時(shí)間權(quán)重相同，可以得出無人機(jī)自主巡檢的工作強(qiáng)度是人工登桿檢查和地面紅外測(cè)溫檢測(cè)工作強(qiáng)度的9.7%和13.15%。

2 人工、無人機(jī)在地線金具檢查工作質(zhì)效方面的對(duì)比

2.1 檢測(cè)效率對(duì)比

人工登桿檢查一般在停電檢修中或者臨近帶電設(shè)備作業(yè)中進(jìn)行，由于需要綜合考慮工作安全性、工作質(zhì)量和工作強(qiáng)度等問題，每天每人登桿數(shù)量不宜過多。根據(jù)500 kV 峽都一二三回歷年來的停電檢修記錄和臨近帶電設(shè)備作業(yè)的數(shù)據(jù)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(cè)溫檢測(cè)一般在高溫高負(fù)荷的夏季進(jìn)行，三峽高海拔山區(qū)山高路遠(yuǎn)，檢測(cè)人員需要頂著高溫前往桿塔位置完成紅外測(cè)溫，為了確保人員安全，每天每人紅外測(cè)溫桿塔不宜過多。根據(jù)500 kV 峽都一二三回歷年來紅外測(cè)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(cè)溫。

通過2021 年開展的500 kV 峽都一二三回全線無人機(jī)自主巡檢的飛手飛行數(shù)據(jù)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(jī)自主巡檢的工作效率是人工登桿檢查和地面紅外測(cè)溫檢測(cè)的8.3倍和5倍。

2.2 檢測(cè)精度對(duì)比

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

2021年500 kV峽都線紅外測(cè)溫中，通過對(duì)相同桿塔地線金具地面紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和無人機(jī)紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者測(cè)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(cè)量，對(duì)比測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)在塔下測(cè)量地線金具溫度普遍偏低。

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

通過進(jìn)一步對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)周圍有其它溫度較高的物體、光源或太陽的輻射時(shí)，這些輻射會(huì)直接或間接的進(jìn)入測(cè)量光路，造成測(cè)量誤差。

地面紅外測(cè)溫經(jīng)常是在夏季烈日當(dāng)空時(shí)，人在地面對(duì)著高空的地線金具測(cè)量，高輻射太陽光進(jìn)入測(cè)量光路，造成測(cè)量結(jié)果偏差進(jìn)一步擴(kuò)大。相比而言，無人機(jī)在高空，通常是水平測(cè)量，很好地避開了直射的太陽光進(jìn)入測(cè)量光路，有效降低了測(cè)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(cè)溫方式對(duì)地線金具進(jìn)行測(cè)量，平均測(cè)量直線距離超過40 m，采用無人機(jī)紅外測(cè)溫，平均測(cè)量直線距離不超過5 m 且能有效避免太陽光等輻射進(jìn)入測(cè)量光路造成的誤差。通過分析50號(hào)基桿塔的測(cè)量數(shù)據(jù)，地面紅外測(cè)溫和無人機(jī)紅外測(cè)溫平均測(cè)量偏差分別為6.8%和0.9%，無人機(jī)紅外測(cè)溫測(cè)量精度高于地面紅外測(cè)溫7.6 倍。兩種方式平均偏差對(duì)比如圖5所示。

圖5 測(cè)量平均偏差Fig.5 Measurement average deviation

3 人工、無人機(jī)巡檢在事故預(yù)防方面的對(duì)比

3.1 運(yùn)維設(shè)備安全方面

本文通過對(duì)無人機(jī)自主巡檢和人工檢查在開展時(shí)間、人為影響、測(cè)量設(shè)備影響3 個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，列出表1。

表1 運(yùn)維設(shè)備安全方面Table 1 Operation and maintenance equipment safety

從表1 不難看出，采用無人機(jī)自主巡檢技術(shù)檢查金具能充分發(fā)揮科技的優(yōu)勢(shì)，避免一些影響缺陷識(shí)別的因素。通過2021年實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)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(shí)間短、任務(wù)重，通過人力攀登桿塔排查金具類缺陷的方式，時(shí)間和效率均無法滿足。無人機(jī)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(shí)別率，使運(yùn)維設(shè)備更加可控、能控、在控，提升了事故預(yù)防水平。

3.2 運(yùn)維人員安全方面

本文通過對(duì)人工登桿檢查、地面紅外測(cè)溫、無人機(jī)自主巡檢在人員作業(yè)時(shí)間、人員安全風(fēng)險(xiǎn)、救援及時(shí)性3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，列出表2。

表2 運(yùn)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(jī)自主巡檢相比于人工登桿檢查和地面紅外測(cè)溫來說，人員安全風(fēng)險(xiǎn)因素少，救援及時(shí)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(shí)別中，無人機(jī)自主巡檢憑借高效的金具缺陷識(shí)別率和較低的人員安全風(fēng)險(xiǎn)，既確保了輸電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行也降低了作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了事故預(yù)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(jī)精細(xì)化自主巡檢拍攝的照片，識(shí)別出500 kV三龍三回52號(hào)桿塔右地線線夾金具嚴(yán)重磨損，金具掛板和本體的螺栓磨損近1/3，如圖6所示。

經(jīng)分析是因?yàn)樵摶鶙U塔地線采用單掛點(diǎn)雙聯(lián)形式，處于連續(xù)上下坡中段地形時(shí)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(dǎo)致兩個(gè)線夾受力不均，其中大號(hào)側(cè)線夾承受荷載較大，小號(hào)側(cè)所承受的荷載較小，加上三龍三回52號(hào)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(fēng)振動(dòng)頻繁，導(dǎo)致金具間極易發(fā)生擺動(dòng)，當(dāng)表面鍍鋅層損傷后，頻繁微風(fēng)振動(dòng)和電化學(xué)腐蝕雙重作用下，加速了金具磨損。

圖7 52號(hào)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(cè)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(jī)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(shí)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(jī)自主巡檢紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)500 kV峽都二回125號(hào)桿塔左地線大號(hào)側(cè)鋼錨與U 型掛環(huán)連接處發(fā)熱嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量溫度達(dá)118 ℃，如圖8所示。經(jīng)分析，一方面是由于進(jìn)站區(qū)段線路密集導(dǎo)致地線上面感應(yīng)電流增大，電阻熱效應(yīng)發(fā)熱量增加導(dǎo)致接點(diǎn)溫度上升。另一方面是因?yàn)檫M(jìn)站段孤立檔金具松弛連接加上振動(dòng)導(dǎo)致金具表層的熱鍍鋅破壞，進(jìn)而引發(fā)的電化學(xué)腐蝕，使金具加速銹蝕，接觸電阻增大，接點(diǎn)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(cè)溫測(cè)量接點(diǎn)溫度為79 ℃，經(jīng)分析，由于500 kV峽都二回125號(hào)桿塔屬于共桿塔，導(dǎo)致測(cè)量距離增加，加之測(cè)量當(dāng)天為夏季正午，高溫高輻射太陽光進(jìn)入測(cè)量光路導(dǎo)致產(chǎn)生極大誤差，所以造成地面紅外測(cè)溫精度低。由圖8 看出，無人機(jī)金具紅外測(cè)溫相對(duì)與人工地面紅外測(cè)溫更靈活、更準(zhǔn)確，有效避免了人工紅外測(cè)溫導(dǎo)致的各種人為誤差的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

經(jīng)上文分析得出：1）無人機(jī)自主巡檢的工作強(qiáng)度是人工登桿檢查和地面紅外測(cè)溫檢測(cè)工作強(qiáng)度的9.7%和13.15%。2）無人機(jī)自主巡檢的工作效率是人工登桿檢查和地面紅外測(cè)溫檢測(cè)的8.3倍和5倍；無人機(jī)紅外測(cè)溫測(cè)量精度高于地面紅外測(cè)溫7.6倍。3）無人機(jī)自主巡檢提高了桿塔地線金具安全運(yùn)行水平，降低了人員作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，提升了事故預(yù)防水平。

本文有待改進(jìn)之處在于數(shù)據(jù)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(dòng)強(qiáng)度分析中橫向?qū)Ρ攘瞬煌鳂I(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，但在每種作業(yè)具體勞動(dòng)強(qiáng)度上沒有深入研究。檢測(cè)精度分析中，并未通過數(shù)據(jù)得出測(cè)量距離和溫度下降對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)系。下一步，將通過數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)方面的共性問題。