李丹樂(lè) ，李和豐 ，嚴(yán)雪瑩 ，張 輝

（1.國(guó)網(wǎng)浙江湖州供電公司，浙江 湖州 313000;2.湖州電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 湖州 313000）

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電力巡線工作都有無(wú)人機(jī)的參與[1]。目前，最常見(jiàn)的巡線工作中均須要作業(yè)人員具備專業(yè)的無(wú)人機(jī)駕駛技能，且須要耗費(fèi)一定的時(shí)間和資金成本才能培養(yǎng)出一名專業(yè)的飛手。在電網(wǎng)巡線的過(guò)程中，飛手仍須攜帶無(wú)人機(jī)抵達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，負(fù)責(zé)保障無(wú)人機(jī)的飛行安全、為無(wú)人機(jī)更換電池、提取飛行后采集數(shù)據(jù)等一系列繁雜工作[2]。這套流程雖相較于傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡巡視和爬塔巡視提高了巡檢的效率，保證了巡檢質(zhì)量，但同時(shí)又為巡檢人員增添了額外的工作任務(wù)。此外，這種工作模式在超視距飛行的過(guò)程中仍存在人為誤操作的安全隱患，并沒(méi)有從根本上節(jié)省人力物力。

因此，建設(shè)一套全自主無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集無(wú)人機(jī)的自動(dòng)飛行，數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析、處理于一體的自動(dòng)化巡檢系統(tǒng)成為迫切需求。

1 全自主無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

以湖州地區(qū)為例，目前全自主無(wú)人機(jī)系統(tǒng)已逐步投入使用，截至2020年底全湖州市域范圍內(nèi)共建成1條全自主無(wú)人機(jī)巡檢線路，共配備了2只全自主無(wú)人機(jī)。據(jù)了解，市場(chǎng)上現(xiàn)有的巡線無(wú)人機(jī)續(xù)航能力低，在電力巡線高度或室外溫度較高的情況下，電能損耗速度加快[3]，而充電時(shí)間卻往往超過(guò)一個(gè)小時(shí)。續(xù)航能力和充電效率的不匹配限制了無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間和飛行距離，無(wú)法完成長(zhǎng)時(shí)間巡線任務(wù)。隨著無(wú)人機(jī)自主巡線的推廣，在合適的位置建設(shè)機(jī)場(chǎng)以供無(wú)人機(jī)進(jìn)行能源補(bǔ)給和數(shù)據(jù)傳輸成為無(wú)人機(jī)自主巡線的必然要求[4]。

2 全自主無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)建設(shè)位置比選

2.1 無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)簡(jiǎn)介

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研收資，全自主無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)可為無(wú)人機(jī)自動(dòng)更換電池或者自動(dòng)補(bǔ)充充電。根據(jù)不同的任務(wù)指令自動(dòng)更換吊艙，如光學(xué)變焦鏡頭、紅外熱成像儀、傾斜攝影儀、高空喊話器、360°全景直播儀等，并可根據(jù)不同的需求定制。

全自主機(jī)場(chǎng)通常須要內(nèi)置恒溫系統(tǒng)，可保證機(jī)場(chǎng)在任何及極端惡劣的天氣條件下都能正常運(yùn)作。外置小型氣象儀，包含溫濕度傳感、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、RTK 定位裝置，可對(duì)無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)前的天氣狀況進(jìn)行評(píng)估，為中控室指揮人員提供下達(dá)指令的依據(jù)。視頻監(jiān)控功能，可對(duì)機(jī)庫(kù)周邊及機(jī)庫(kù)內(nèi)部的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。某廠家提供的機(jī)場(chǎng)外形如圖1所示。

圖1 全自主無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)外形圖

2.2 地表無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)

目前，湖州地區(qū)已建成的全自主無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)共有2處，分別位于青山變電站圍墻內(nèi)空余場(chǎng)地和鈕家變電站圍墻外代征場(chǎng)地，均屬地表無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)范疇。

35 kV青山變電站投運(yùn)于1988年，已建成的無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)布置于站區(qū)西南側(cè)（生活區(qū)），如圖2所示?？梢钥闯?，青山變配電裝置場(chǎng)地與生活區(qū)有明確的物理隔離，且生活區(qū)有足夠的空余場(chǎng)地，基于本站的實(shí)際情況將無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)布置于此處較為合理。但并不是所有變電站都有單獨(dú)劃分的生活區(qū)，若將其布置于配電裝置場(chǎng)地須要進(jìn)一步分析無(wú)人機(jī)起飛降落對(duì)原電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響；自國(guó)家電網(wǎng)有限公司推行通用設(shè)計(jì)以來(lái)，圍墻內(nèi)面積指標(biāo)控制較為嚴(yán)格，建構(gòu)筑物及電氣設(shè)備布置較為緊湊，近十年以來(lái)新投運(yùn)的變電站基本無(wú)空余場(chǎng)地。

圖2 青山變電站無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)布置圖

35 kV鈕家變電站已建成的無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)布置于站區(qū)圍墻外代征場(chǎng)地，如圖3所示。經(jīng)實(shí)地走訪，本站圍墻外附近較為空曠且原代征地未另作他用，基于本站的實(shí)際情況將無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)布置于此處較為合理。但并不是所有變電站都有可供利用的圍墻外土地，若考慮新征土地，必然涉及到政策處理及高額的土地征收費(fèi)；若部分變電站同本站情況一樣存在可供利用的圍墻外土地，尚須核實(shí)圍墻外周邊環(huán)境是否允許建設(shè)無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)；將無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)布置于變電站圍墻外場(chǎng)地做法不利于設(shè)備后期運(yùn)行維護(hù)及防盜。

圖3 鈕家變電站無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)布置圖

2.3 變電站屋頂無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)

變電站內(nèi)一般建有配電裝置樓、輔助用房、消防泵房及辦公宿舍樓等建筑物，建筑物屋頂均按不上人屋面設(shè)計(jì)考慮，通常僅根據(jù)消防要求會(huì)在配電裝置樓屋頂配置消防水箱，屋頂可利用空間完全滿足無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)布置。各個(gè)建筑物高度由于變電站設(shè)計(jì)方案、建筑物結(jié)構(gòu)類型等不同使得差異性較大，通常建筑物高度在4～20 m不等，綜合考慮電氣設(shè)備的安全性、無(wú)人機(jī)起飛降落的方便性、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的合理性等因素，將機(jī)場(chǎng)布置在較低或較高建筑物屋頂?？梢?jiàn)，變電站屋頂無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)建設(shè)幾乎不受限制，較好地解決了由于無(wú)人機(jī)自主巡線大面積推廣帶來(lái)的機(jī)場(chǎng)建設(shè)問(wèn)題。

綜合看來(lái)，變電站屋頂成為建設(shè)無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)的最佳位置。本文以已建成的青山變電站地表無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)為參考，對(duì)已投入使用的變電站建設(shè)屋頂無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)改造方案研究；同時(shí)，對(duì)新建變電站建設(shè)屋頂無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)方案研究。

3 全自主無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)建設(shè)方案

3.1 已建變電站屋頂技術(shù)改造

青山變地表無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 青山變地表無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)主要參數(shù)

3.2 機(jī)場(chǎng)安裝

擬將青山變無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)建設(shè)于辦公宿舍樓屋頂，根據(jù)一期圖紙資料得知，建筑物結(jié)構(gòu)類型為混凝土結(jié)構(gòu)，屋面次梁布置間距為2.25 m，適宜將無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)兩側(cè)角支座分別安裝于梁上。采用梁上預(yù)埋地腳螺栓方式進(jìn)行定位安裝，如圖4所示。

圖4 地腳螺栓安裝示意圖

完整安裝流程如下：屋面次梁開(kāi)鑿預(yù)埋所需孔洞→鋼板與直錨鋼筋、地腳螺栓進(jìn)行焊接固定→定位安裝并適時(shí)進(jìn)行二次灌漿。

3.3 屋面梁加固

經(jīng)PKPM軟件的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，當(dāng)將無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)置于屋面梁上后不能保證原有梁的承載能力，須采取相應(yīng)的加固方案。采用粘貼鋼板法進(jìn)行屋面梁加固，梁底和梁頂加固示意分別如圖5和圖6所示。

圖5 梁底加固示意圖

圖6 梁頂加固示意圖

梁底加固鋼板范圍為梁中1/3跨度長(zhǎng)；鋼板全長(zhǎng)通過(guò)布置雙排間距400 mm錨栓進(jìn)行連接固定，其中兩端采取粘貼U形扁鋼箍外加錨栓的方式；梁底粘貼鋼板施工前須對(duì)梁面進(jìn)行鑿毛處理。

梁頂加固鋼板范圍為兩側(cè)梁端各1/3跨度長(zhǎng)；鋼板全長(zhǎng)通過(guò)布置單排間距400 mm錨栓進(jìn)行連接固定；梁頂粘貼鋼板施工前須鑿除原屋面建筑層至結(jié)構(gòu)層表面，并對(duì)梁面進(jìn)行鑿毛處理。

3.4 新建變電站屋頂深化設(shè)計(jì)

3.4.1 主次梁設(shè)計(jì)

以半戶內(nèi)110 kV新建變電站通用設(shè)計(jì)方案為例，配電裝置樓結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu)，為充分保障無(wú)人機(jī)起飛降落時(shí)的安全性與便捷性，擬將無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)建設(shè)于建筑物高屋面GIS室上空。本次設(shè)計(jì)不改變?cè)菝嬷鞔武摿翰贾眯问剑鶕?jù)機(jī)場(chǎng)外形尺寸新增跨度2.5 m，間距1.15 m的次梁3根，同時(shí)根據(jù)機(jī)場(chǎng)重量核算新增次梁型號(hào)HN400×150，材質(zhì)Q355。高屋面鋼梁平面布置圖如圖7所示。

圖7 高屋面鋼梁平面布置圖

3.4.2 機(jī)場(chǎng)安裝

本次設(shè)計(jì)考慮新建混凝土梁作為機(jī)場(chǎng)支座，梁上再預(yù)埋地腳螺栓方式進(jìn)行定位安裝。新建混凝土梁梁寬200 mm，梁高可根據(jù)機(jī)場(chǎng)安裝高度確定，梁跨、數(shù)量及布置間距同新增屋面次鋼梁，與屋面板采用混凝土一次整體澆筑。無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)支座大樣如圖8所示。

圖8 無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)支座大樣圖

3.5 經(jīng)濟(jì)成本

在改造中，計(jì)算共須花費(fèi)29822元，其中建筑工程費(fèi)用18662元，安裝工程費(fèi)5448元，其他費(fèi)用5712元。

變電站屋頂機(jī)場(chǎng)的推廣帶來(lái)的直接效益是節(jié)約了機(jī)場(chǎng)建設(shè)的土地征用成本（現(xiàn)有大部分變電站地面空間不足以建設(shè)機(jī)場(chǎng)且影響設(shè)備安全運(yùn)行）。根據(jù)湖州臨滬變電站的征地成本文件來(lái)看，征地666.667 m2大約需21萬(wàn)元，則一座無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)需要土地大約為25 m2，則征地成本為8000元。而且地面機(jī)場(chǎng)還須要額外增加防撞護(hù)欄費(fèi)用，根據(jù)220 kV德莫線的護(hù)欄基礎(chǔ)定額和主材價(jià)格，則無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)所需的防撞護(hù)欄成本約為10300元。外加安裝工程費(fèi)和其他費(fèi)用，成本明顯高于屋頂機(jī)場(chǎng)。所以屋頂無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)的建設(shè)可以大幅削減機(jī)場(chǎng)建設(shè)推廣成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中依據(jù)青山變?yōu)榉侗舅龅募夹g(shù)改造與概算，結(jié)果表明在變電站屋頂上建設(shè)無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)可行且成本不高，在未來(lái)的自主無(wú)人機(jī)推廣中，應(yīng)首選建設(shè)屋頂機(jī)場(chǎng)。