歐陽克儉，曹先慧，屈國(guó)民，楊淼，謝億，劉赟，謝阿萌

(1. 湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410004；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

0 引言

輸電線路承力連接金具如耐張線夾存在質(zhì)量和壓接缺陷, 極易導(dǎo)致線路發(fā)生斷線故障, 并可能由此引發(fā)二次故障[1-4]。對(duì)耐張線夾開展X 射線無損檢測(cè), 可有效排查隱患, 消缺處理可避免斷線故障的發(fā)生[5-6], 但電網(wǎng)系統(tǒng)較常采用的是停電條件下耐張線夾X 光檢測(cè)方式, 存在高空作業(yè)、輻射污染等安全隱患, 勞動(dòng)強(qiáng)度大, 作業(yè)效率低。與此同時(shí), 停電也在一定程度上降低了用戶的用電質(zhì)量,停電條件下的X 射線檢測(cè)如圖1 所示。針對(duì)處于高電壓大電流狀態(tài)的耐張線夾, 文章研發(fā)一種不停電即可開展的檢查方法, 既可滿足電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)耐張線夾的檢測(cè)要求, 亦可解除一線運(yùn)維單位的停電壓力。

圖1 停電條件下的X 射線檢測(cè)

1 帶電檢測(cè)裝置開發(fā)

帶電檢測(cè)裝置開發(fā)是將無人機(jī)運(yùn)載技術(shù)引入到輸電線路承力部件的X 光檢測(cè)中來, 利用無人機(jī)運(yùn)載帶高壓屏蔽的DR 射線檢測(cè)設(shè)備, 并將檢測(cè)設(shè)備懸掛于檢測(cè)部位, 通過地面工作站控制無人機(jī)及DR 射線裝置, 完成射線檢測(cè)和圖像數(shù)據(jù)采集, 采集完成后檢測(cè)設(shè)備經(jīng)無人機(jī)運(yùn)至地面, 完成整個(gè)檢測(cè)。

帶電檢測(cè)裝置主設(shè)備采用DR 射線, DR 射線檢測(cè)是指采用數(shù)字化X 射線成像檢測(cè)裝置對(duì)耐張線夾壓接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè), 可清楚顯示壓接后耐張線夾內(nèi)部的結(jié)構(gòu), 尤其是內(nèi)部導(dǎo)線鋁股、鋼芯、線夾鋁套管和線夾鋼棒的相對(duì)位置, 對(duì)比壓接工藝標(biāo)準(zhǔn)要求即可發(fā)現(xiàn)由壓接工藝不良造成的內(nèi)部缺陷。該檢測(cè)方法降低了常規(guī)射線試驗(yàn)的條件和要求, 無需鉛房, 無需沖洗底片, 并且可以便攜移動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè), DR 射線檢測(cè)成像如圖2 所示。

圖2 耐張線夾射線檢測(cè)成像

檢測(cè)裝置帶有兩個(gè)掛鉤, 采用無人機(jī)連接絕緣繩索, 將檢測(cè)裝置垂直提升到目標(biāo)導(dǎo)線的耐張線夾壓接待檢位置, 使檢測(cè)裝置的開口方向能對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)導(dǎo)地線的待檢測(cè)耐張線夾位置。由于兩掛鉤的中點(diǎn)位于X 射線成像模塊的中線上, 從而可使導(dǎo)線上的金具位于X 射線成像模塊的中心, 確保X 射線成像的圖像質(zhì)量。待檢測(cè)裝置掛在帶電導(dǎo)線上后,無人機(jī)懸停, 通過地面站無線傳輸控制DR 設(shè)備,發(fā)射射線采集檢測(cè)圖像。圖像采集完成后, 無人機(jī)提升設(shè)備脫離導(dǎo)地線檢測(cè)位置, 緩慢落至地面完成作業(yè)。檢測(cè)裝置如圖3 所示。

圖3 帶電檢測(cè)裝置效果圖

2 檢測(cè)裝置抗電磁干擾仿真計(jì)算

輸電線路正常運(yùn)行時(shí)線路周圍存在極大的場(chǎng)強(qiáng), 且隨著電壓等級(jí)、離線的距離不同, 場(chǎng)強(qiáng)的空間分布將有所變化[7-8]。為了保障檢測(cè)裝置在安全的前提下能高質(zhì)量完成檢測(cè), 對(duì)檢測(cè)裝置開展了等電位設(shè)計(jì)、不同屏蔽材料以對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽[9-10]。由于部分檢測(cè)元件需要向地面?zhèn)鬏敓o線電信號(hào), 無法將屏蔽設(shè)計(jì)成完全封裝, 因此須對(duì)屏蔽性能進(jìn)行驗(yàn)證, 在保證信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí), 又達(dá)到設(shè)備不受電場(chǎng)影響的效果。

2.1 電磁場(chǎng)基本理論

電磁場(chǎng)有限元仿真計(jì)算主要由前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊組成。分析求解處理過程主要分為: 選擇求解器的類型；建立仿真分析模型；設(shè)置材料屬性 (電導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等)；設(shè)置模型激勵(lì)源和分析邊界條件；設(shè)置自適應(yīng)網(wǎng)格剖分；有限元仿真計(jì)算。一般來說, 利用Ansoft Maxwell 軟件進(jìn)行電磁分析的計(jì)算流程包含基本規(guī)劃、建模、加載、劃分網(wǎng)格、求解、后處理等步驟[11]。Maxwell 方程組是電磁問題分析的基礎(chǔ), 由4 個(gè)微分方程組成:

2.2 電磁場(chǎng)仿真計(jì)算

仿真模型中導(dǎo)線型號(hào)設(shè)為L(zhǎng)GJ-300/40, 計(jì)算域截?cái)噙吔绮捎瞄L(zhǎng)方體, 與導(dǎo)線平行的兩側(cè)面、頂面及地面加載電位, 垂直于導(dǎo)線的2 個(gè)求解域截?cái)嗥矫婕虞d自然邊界條件, 有限元模型如圖4 所示。

圖4 帶電檢測(cè)裝置有限元模型

對(duì)導(dǎo)線施加電壓, 設(shè)備支架掛入導(dǎo)線耦合導(dǎo)線電位, 得到DR 設(shè)備帶電作業(yè)時(shí)的空間場(chǎng)強(qiáng)分布,如圖5 所示, 支架的存在使導(dǎo)線附近電場(chǎng)發(fā)生畸變, 成像板外邊緣場(chǎng)強(qiáng)最大達(dá)378 kV/m。由于射線機(jī)所發(fā)射X 射線不帶電荷, 在電場(chǎng)中并不會(huì)受到電場(chǎng)的影響。而X 射線成像設(shè)備中成像板距導(dǎo)線較近, 電場(chǎng)通過影響成像板中電子元件從而將X光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。成像板在支架邊框及中央場(chǎng)強(qiáng)較大, 最大值發(fā)生在近掛鉤側(cè), 達(dá)360 kV/m。針對(duì)110 kV、220 kV 線路電壓等級(jí), 電磁場(chǎng)仿真結(jié)果見表1。

圖5 模型鉛垂對(duì)稱面場(chǎng)強(qiáng)分布

表1 線路X 光數(shù)字成像設(shè)備屏蔽效能要求

3 耐張線夾壓接質(zhì)量帶電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

根據(jù)電磁仿真計(jì)算結(jié)論對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。本文采用大載重?zé)o人機(jī)搭載檢測(cè)裝置, 升空過程中, 整體擺動(dòng)微小, 飛手可穩(wěn)定操作, 完全滿足DR 射線檢測(cè)要求。選取110 kV 觀九線、35 kV李湖線開展了帶電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè), 無人機(jī)懸停檢測(cè)可在1 min 內(nèi)完成, 整個(gè)檢測(cè)起落總耗時(shí)約5 min?，F(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)如圖6 所示, 耐張線夾檢測(cè)成像如圖7 所示, DR 檢測(cè)成像優(yōu)良, 完成滿足工程實(shí)際要求。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)

圖7 帶電檢測(cè)DR 成像

4 結(jié)論

針對(duì)輸電線路耐張線夾壓接質(zhì)量這一隱蔽工程需要在停電條件下大面積開展X 光檢測(cè)的問題,創(chuàng)新性地將無人機(jī)運(yùn)載技術(shù)引入到輸電線路承力部件的X 光檢測(cè)中來, 研發(fā)了帶電條件下的輸電線路耐張線夾壓接質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)。利用無人機(jī)運(yùn)載帶高壓屏蔽的DR 射線檢測(cè)設(shè)備, 并將檢測(cè)設(shè)備懸掛于檢測(cè)部位, 通過地面工作站控制無人機(jī)及DR 射線裝置, 完成射線檢測(cè)和圖像數(shù)據(jù)采集, 采集完成后檢測(cè)設(shè)備經(jīng)無人機(jī)運(yùn)至地面?；诳闺姶鸥蓴_有限元仿真計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)后, 現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)能快速有效完成。

采用無人機(jī)運(yùn)載技術(shù)的輸電線路耐張線夾壓接質(zhì)量帶電檢測(cè)技術(shù)攻克了電磁屏蔽干擾、仿真計(jì)算、帶電模擬、無人機(jī)飛行技術(shù)等技術(shù)壁壘, 成功實(shí)現(xiàn)了首次無人機(jī)掛載的輸電線路耐張線夾X 光帶電檢測(cè), 將有效解決基層單位停電難的問題, 大大提高客戶用電質(zhì)量, 為電網(wǎng)系統(tǒng)帶電無損檢測(cè)提供了新的技術(shù)手段。