CC BY
2А.С. Торопов, канд. техн. наук, доц., e-mail: andrej [email protected] А.В. Байшев, студент, e-mail: anatoly [email protected] Хакасский технический институт -филиал Сибирского федерального университета, г. Абакан
УДК 621.315.177
ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
В статье рассматривается возможность применения беспилотных летательных аппаратов для диагностики состояния воздушных линий электропередачи Республики Хакасия. При исследованиях использовались методы статистического анализа данных и приведенных затрат. Анализ показал целесообразность применения беспилотных летательных аппаратов с фотовидеокамерой и тепловизором для верхового осмотра высоковольтных воздушных линий электропередачи. Сформулированы рекомендации по выбору параметров беспилотных летательных аппаратов и целевой нагрузки. Технико-экономическое сравнение вариантов верхового осмотра линий электропередачи с применением вертолета и коптера показало преимущество использования коптера. Составлена карта районов Хакасии, показывающая количество дней в году с благоприятной для использования беспилотных летательных аппаратов погодой. Сформированы рекомендации по использованию беспилотных летательных аппаратов, учитывающие различные погодные условия рассматриваемой территории.
Ключевые слова: анализ, осмотр, воздушная линия электропередачи, беспилотный летательный аппарат, коптер, целевая нагрузка, видеокамера, тепловизор.
A.S. Toropov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
A.V. Bayshev, student
DIRECTIONS OF UNMANNED AERIAL VEHICLES FOR THE DIAGNOSIS
OF OVERHEAD POWER LINES
The article considers the possibility of using unmanned aerial vehicles for diagnostics of the state of overhead transmission lines in the Republic ofKhakassia. The research used methods of statistical analysis of data and reduced costs. The analysis showed the expediency of using unmanned aerial vehicles with a photo and video camera and a thermal imager for the top inspection of high-voltage overhead transmission lines. The recommendations on the choice of parameters for unmanned aerial vehicles and target load have been formulated. The technical and economic comparison of the options for top inspection ofpower lines with the use of a helicopter and a drone showed the advantage of using the drone. A map of the regions of Khakassia was drawn up, showing the number of days in a year, with favorable weather conditions for unmanned aerial vehicles. The recommendations on the use of unmanned aerial vehicles, taking into account the different weather conditions of the territory under consideration, are formed.
Key words: analysis, inspection, overhead power line, unmanned aerial vehicle, drone, target load, video camera, thermal imager.
Введение
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) получают широкое распространение. С их помощью делают карты местностей, производят кадастровые работы, подсчитывают популяции животных, регистрируют места незаконных врезок в нефте- и газопроводы, проводят фото- и видеосъемку масштабных мероприятий и крупных объектов и мн. др. [1]. На БПЛА может быть установлена различная целевая нагрузка (ЦН): фото-, видео-, инфракрасная, муль-тиспектральная камера и т.д. БПЛА сочетают в себе компактность и относительную простоту управления (обучение профессиональной работе занимает одну неделю), приемлемую стоимость.
Выделяют два типа БПЛА: самолетный и мультироторный. Каждый из этих типов имеет достоинства и недостатки. БПЛА самолетного типа способны преодолевать большие (свыше 300 км) расстояния на одном заряде (заправке). Расстояние полета БПЛА мультироторного типа (далее коптеры) не более 50 км. Коптеры способны зависать над объектом в отличие от БПЛА самолетного типа.
Для электроэнергетики представляет интерес использование БПЛА для осмотров и облетов воздушных линий электропередачи (ЛЭП), их тепловизионного обследования, поиска мест коронирования, определения геометрических параметров. В частности, согласно [2, 3], периодичность верховых осмотров для воздушных ЛЭП 35 кВ и выше не реже одного раза в 5-10 лет (в зависимости от условий и срока эксплуатации ЛЭП).
В настоящее время в Российской Федерации при эксплуатации объектов энергетики БПЛА используются достаточно редко. Это связано с высокой стоимостью комплектов БПЛА и ЦН, а также с недостаточным опытом использования БПЛА.
Таким образом, необходимо выполнить анализ возможных областей эффективного применения БПЛА различных типов при эксплуатации воздушных ЛЭП с учетом климато-геогра-фических особенностей территорий их расположения.
Цель исследования - оценка целесообразности применения БПЛА для диагностики состояния воздушных линий электропередачи Республики Хакасия.
Объект и методы исследования
Объектом исследования являются высоковольтные воздушные ЛЭП на территории Республики Хакасия.
При исследованиях использовались методы статистического анализа и обработки погодных данных региона, при оценке эффективности использовался метод приведенных затрат.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ возможных областей применения БПЛА при эксплуатации воздушных ЛЭП показал, что их использование для поиска и локализации аварий в энергосистеме в настоящее время не оправдано из-за малой дальности полета и ограничений по погодным условиям.
Для поиска повреждений элементов линии, недоступных для осмотра с земли невооруженным глазом, электромонтер-обходчик использует бинокль. При этом он не имеет возможности полностью осмотреть поверхность изоляторов, узнать о состоянии верхних частей опор, состоянии соединений проводов. Эту информацию, как правило, собирают при помощи вертолетов. Для этой цели можно использовать коптер. Видеосъемка с БПЛА также может быть полезна при осмотре труднодоступных мест воздушных ЛЭП.
Таким образом, перспективным направлением является применение БПЛА для осмотра ЛЭП. Использовать для этой цели БПЛА самолетного типа затруднительно, так как высокая скорость полета (более 80 км/ч) не позволяет выполнить четкую съемку. К тому же они неустойчивы к резким порывам ветра и к столкновению с птицами. Предпочтительнее использование коптеров, которые более устойчивы к внешним воздействиям, потому что большинство имеют систему стабилизации маршрута. Таким образом, для осмотра ЛЭП целесообразно использовать коптеры, передвигаясь по автомобильной дороге вдоль ЛЭП и запуская их при необходимости. Труднодоступные для автотранспорта участки ЛЭП также могут быть осмотрены с использованием коптеров.
При выполнении осмотра на БПЛА возможно использование различных видов ЦН как по отдельности, так и одновременно. Это позволяет получить за один облет различную информацию о состоянии ЛЭП.
Применение ЦН в виде фото- и видеокамер на БПЛА мультироторного типа дает возможность получать высококачественные снимки, по которым можно обнаружить следующие дефекты воздушных ЛЭП [4]: следы коррозии на элементах опор, наличие птичьих гнезд, неоднородность лакокрасочного покрытия опоры; отсутствие, отрыв, деформация элементов металлических
опор; отклонение опор от вертикали; деформация траверс на железобетонных опорах; отсутствие натяжения внутренних стяжек и тросовых растяжек; выкрошивание бетона, деформация железобетонных опор; деформация арматуры; наличие маркировки, запрещающих плакатов на опорах; отсутствие в гирляндах, а также повреждение изоляторов: трещины, сколы, подпалины от перекрытия дугой, царапины и трещины на глазури, загрязнение поверхности; повреждение грозотроса; проседания грунта, подтопление опор; наличие опасной для эксплуатации ЛЭП растительности; близость, интенсивность развития оврагов, оползней, отдельных деревьев, угрожающих падением на провода.
Возможной областью применения БПЛА мультироторного типа является тепловизионное обследование воздушных ЛЭП (рис. 1). Этот способ позволяет диагностировать многие неполадки, характеризующиеся интенсивным выделением тепла: обрывы и изломы проводов, перегруженные и дефектные узлы ЛЭП и т. д. По многим параметрам тепловизоры для БПЛА не уступают наземным тепловизорам. Они имеют высокую чувствительность, например, тепловизоры Flir Таи 2 и DJI Zenmuse ХТ FLIR Е60 имеют чувствительность 50 мК и оптическое масштабирование [5, 6]. Следует отметить, что масштабирование ухудшает качество изображения из-за проявления собственных колебаний БПЛА и влияния ветра.
Рисунок 1 - Снимок опоры ЛЭП тепловизионной камерой, установленной на коптере
Другой возможной областью применения является использование БПЛА для ультрафиолетовой (УФ) съемки. Этот вид съемки позволяет наблюдать частичные поверхностные разряды при естественном освещении. Некоторые виды дефектов могут быть выявлены только с помощью ультрафиолетовой съемки. Например, контроль состояния гибкой ошиновки и состояния изоляторов ЛЭП. Так как коронный разряд дает незначительный уровень тепловыделения, дефекты в изоляторах обнаруживаются по ультрафиолетовому излучению задолго до перехода процесса в фазу теплового пробоя. Эффективность этого вида съемки доказывают результаты эксплутационных испытаний ультрафиолетовых камер, проведенных в 20052006 гг. в ОАО «РЖД», достоверность результатов составила 96 %.
Использование УФ-съемки при обследовании коптером воздушных ЛЭП нецелесообразно. Для выявления дефектов необходимо обеспечить значительную выдержку съемки в течение 5-10 с. УФ-камера для коптера имеет высокую стоимость и уступает по некоторым параметрам ручной УФ-камере. Большим ограничением к использованию УФ-камеры на ко-птере является постоянное коронирование даже исправных воздушных ЛЭП напряжением 220 кВ и выше в связи с большой напряженностью электрического поля. Это коронирование маскирует дефектные участки ЛЭП.
Таким образом, рекомендуется использовать коптер с целевой нагрузкой в виде тепловизора и видеокамеры. В этом случае обследование воздушных ЛЭП происходит за один полет и оператору удобнее обнаруживать дефекты, анализируя параллельно данные тепловизионной и видеосъемки. Коптер летит параллельно с ЛЭП, при этом оператор может управлять камерой во время полета и просматривать изображение. Данные записываются на карту памяти и дублируются на наземную станцию управления. За один полет можно осмотреть 8-10 км ЛЭП [8].
Важное достоинство методов обследования воздушных ЛЭП с помощью БПЛА - проведение работ на линиях под напряжением, т.е. обследование относится к методам бесконтактной диагностики.
Согласно таблице [7, 8] наиболее подходящий вариант БПЛА - R.A.L. Х6Т. Эта модель обладает большой грузоподъемностью и продолжительностью полета, широким диапазоном рабочих температур, невысокой ценой.
Таблица
Основные характеристики беспилотников мультироторного типа, представленные на российском рынке
Геоскан 401 Форпост х8 Supercam x6m2 КЛ.Ь. Х6Т Гранат ВА-1000 (Microdrones md4-1000)
Скорость горизонтального полета, км/ч 0-50 0-40 0-60 0-80 0-54
Продолжительность полета, мин 60 30 50 60 88
Максимальная масса полезной нагрузки, кг 2 3 1 5 0,8
Взлетная масса, кг 9, 10 6 10,50 5,55
Дальность канала пульта управления, км 15 5 7 15 0,5
Диапазон рабочих температур, °С от -20 до +40 °С от -25°С до +40°С -40°С..+40°С от -30 °С до +60°С от -40°C до +50°C
Скорость ветра, не более, м/с 10 10 15 15 до 6
Двигательная установка электромотор, шт. 4 4 6 6 4
Наличие установленной ЦН Нет тепловизион-ная и видеокамера видеокамера тепловизион-ная и видеокамера нет
Максимальное количество наименований ЦН, установленной на БПЛА 1 2 1 2 1
Сравним варианты верхового осмотра воздушных ЛЭП: традиционный, с использованием вертолета и вариант с использованием БПЛА типа коптер.
Рассчитаем приведенные годовые затраты на верховой осмотр воздушных ЛЭП напряжением 220-500 кВ Республики Хакасия. По данным из открытых источников [9], приблизительная протяженность воздушных ЛЭП составляет Ь = 3000 км. Периодичность верхового осмотра Тв = 5 лет [3]. Таким образом, ежегодно необходимо в среднем совершить облет „ Ь 3000 _
£ = — =-= 600 км воздушных ЛЭП.
Т 5
±в 5
Годовые затраты на осмотр с помощью вертолета
= Тг ■ , (1)
где Сар = 100000 руб./ч - примерная стоимость аренды вертолета.
Годовое число часов аренды вертолета
с
Тг = - + г- - • р, (2)
и
где и = 100 км/ч - скорость вертолета при проведении осмотра над проводами воздушной ЛЭП; т = 0,03 ч - время осмотра опоры; р = 15 шт./км - средняя плотность опор ЛЭП.
С помощью (2) находим Тг = 276 ч. Годовые затраты при использовании вертолета (2) составят Зв = 27,6 млн. руб.
Годовые затраты на осмотр с помощью коптера
К —
Зк =к+а • и • СЭ -10-3, (3)
тСЛ ^З
где К = 3000000 руб. - стоимость коптера с учетом затрат на обучение двух операторов; Тсл = 5 лет - срок службы коптера; Ьз = 10 км - средняя протяженность ЛЭП, обследуемая на одной зарядке коптера; Q = 16 Ач - емкость аккумуляторной батареи коптера; и = 21 В -номинальное напряжение аккумуляторной батареи коптера; Сэ = 4 руб./кВтч - стоимость электроэнергии.
В расчетах годовых затрат на осмотр воздушных ЛЭП с помощью коптера не учитываются транспортные расходы, так как облет совмещается с осмотром с земли. С помощью (3) находим Зк = 600,081 тыс. руб. Таким образом, использование коптера в качестве оборудования для верховых осмотров воздушных ЛЭП экономически оправдано.
Важным преимуществом осмотров с использованием коптера является высокое качество фотокадров, так как он может производить съемку на близком расстоянии к ЛЭП. Полеты на близком к ЛЭП расстоянии для вертолета опасны.
Кадры, полученные с коптера, могут иметь привязку к земным координатам. Это может пригодиться при контроле выполнения работ, составлении трехмерной модели ЛЭП.
Для использования коптера при осмотре воздушных ЛЭП необходимо обучить двух работников организации (электромонтеров) и контролеров программного обеспечения. Цена обучения составляет в среднем 60000 руб. за одного человека и, как правило, входит в цену коптера.
При выборе коптера особое внимание нужно уделить помехозащищенности системы стабилизации. В этой системе не должен использоваться магнитометр.
Приобретение отдельного автомобиля для перевозки коптера не требуется. Размеры станции управления и коптера в сложенном виде составляют 85, 60 и 55 см (соответственно длина, ширина и высота). Для взлета и посадки коптеру требуется площадка размером 5х5 м.
Коптер не может производить работы 365 дней в году из-за погодных ограничений: осадков, тумана, метели, ветра со скоростью выше 15 м/с. Температура окружающей среды для работы коптера - от -30 °С до +40 °С.
С помощью [ 10] было определено количество дней в году, когда коптеры могут использоваться на территории Хакасии. Составлена карта районов республики с учетом параметров эксплуатации коптеров. Погодные данные были проанализированы за 3 года: 2013-2015 гг. В среднем по республике количество пригодных для эксплуатации дней в году составляет 186 (рис. 2).
В результате обработки погодных данных по Республике Хакасия было выявлено, что количество дней с температурой ниже -30 °С составляет в среднем 7 дней в год. Количество дней в году, когда скорость ветра превышает 15 м/с, - 21 день. Количество дней в году, когда скорость ветра превышает 10 м/с, - 30 дней. Количество дней с осадками - в среднем 120 дней в год.
Рисунок 2 - Карта Республики Хакасия с распределением дней, пригодных для использования коптеров
Таким образом, следует рассматривать возможности применения БПЛА для каждого региона, учитывая его климатические особенности. В регионах с очень жарким или очень холодным климатом нужно обращать внимание на температурный диапазон работы БПЛА; в регионах с сильными ветрами большое значение имеет максимально возможная скорость ветра, при которой БПЛА способен производить работу; в регионах с частыми осадками применять БПЛА для осмотра ЛЭП не рекомендуется.
Выводы
1. В результате проведения анализа возможных областей применения при эксплуатации электрических сетей выявлена целесообразность использования БПЛА для верхового осмотра воздушных ЛЭП и осмотра их труднодоступных участков. Для этих задач должны использоваться БПЛА мультироторного типа (коптеры), позволяющие получать высококачественные фото- и тепловизионные снимки оборудования воздушных ЛЭП. Использование БПЛА для ультрафиолетовой съемки и поиска аварийных повреждений воздушных ЛЭП в настоящее время нецелесообразно.
2. Выполнено сравнение затрат при использовании для верхового осмотра воздушных ЛЭП БПЛА мультироторного типа и вертолета. Использование коптера обходится значительно дешевле, чем применение вертолета. С помощью коптера можно выполнять фото- и тепловизионную съемку с более близкого расстояния, чем с использованием вертолета. Для крупных электросетевых компаний имеется возможность иметь на балансе более одной единицы БПЛА.
3. Существенным ограничением применения БПЛА являются неблагоприятные погодные условия. Таким образом, при использовании БПЛА необходимо учитывать климатические особенности региона. Анализ погодной статистики по Республике Хакасия показал наличие дней с неблагоприятными погодными условиями для работы БПЛА. В среднем по районам республики имеется 186 дней в году с благоприятной для применения БПЛА погодой.
Библиография
1. Боричевский А.Б., Самсонова Н.В. Сущность аэрофотосъемки с использованием беспилотных летательных аппаратов // Актуальные направления научных исследований: от теории к практике: материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. - Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2016. - № 1 (7). -С.226-227.
2. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации (утв. приказом Минэнерго РФ от 19 июня 2003 г. № 229). - М.: НЦ ЭНАС, 2011. - 264 с.
3. РД 34.20.504-94. Типовая инструкция по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35-800 кВ. - М., 2001.
4. СТО 56947007- 29.200.10.235-2016. Методические указания по применению беспилотных летательных аппаратов для обследования воздушных линий электропередачи и энергетических объектов: стандарт организации, дата введения: 09.12.2016. - М.: ПАО «ФСК ЕЭС», 2016. - 96 с.
5. Характерисстики модуля Tau2. - URL: http://www.pergam.ru/catalog/cctv/oem/thermal_modules/ tau2.htm#specification (дата обращения: 01.03.2017).
6. Официальный сайт компании FLIR Systems. - URL: http : //www .flir.ru/home/ (дата обращения: 01.03.2017).
7. Мультироторный беспилотный летательный аппарат (обзор БПЛА мультироторного типа (ко-птеры)). - URL: http://съемкасвоздуха.рф/KbplZ/?catid= 0&id=76 (дата обращения: 01.03.2017).
8. Беспилотные технологии для профессионалов. Официальный сайт группы компаний «Гео-скан». - URL: https://www.geoscan.aero/ru/ (дата обращения: 02.03.2017).
9. Магистральные электрические сети Сибири. - URL: http : //www .fsk-ees.ru/about/affiliates/ mes_siberia/structure/ (дата обращения: 02.03.2017).
10. Расписание погоды. - URL: http://rp5.ru/ (дата обращения: 02.03.2017).
Bibliography
1. BorichevskiyA.B., SamsonovaN. V. The essence of aerial photography using unmanned aerial vehicles // Actual directions of scientific research: from theory to practice: Proceedings of the VlIth International scientific practical conference. - Cheboksary: CNS «Interaktiv pljus», 2016. - N 1 (7). - P. 226-227.
2. Rules of technical operation of power plants and networks of the Russian Federation (approved by order of the Ministry of Energy of the Russian Federation of June 19, 2003 N. 229). - M.: NC JeNAS, 2011. - 264 p.
3. RD 34.20.504-94. Typical instruction for the operation of overhead transmission lines voltage 35-800 kV. - M., 2001.
4. STO 56947007- 29.200.10.235-2016 Methodological guidelines for the use of unmanned aerial vehicles to survey overhead transmission lines and power facilities: the organization standard, introduced: 09.12.2016. M.: PJSC "FGC UES", 2016. - 96 p.
5. Characteristics of the module Tau2. - URL: http://www.pergam.ru/catalog/cctv/oem/thermal_mod-ules/tau2.htm#specification (accessed 01.03.2017).
6. The official site of the company FLIR Systems. - URL: http : //www .flir.ru/home/ (accessed 01/03/2017).
7. Multi-rotor unmanned aerial vehicle (review of multi-rotor UAV (drone)). - URL: http: //showing air.rf/KbplZ/? Catid = 0 & id = 76 (accessed 01/03/2017).
8. Unmanned technologies for professionals. The official site of the group of companies "Geoscane". -URL: https://www.geoscan.aero/en/ (accessed 02.03.2017).
9. Backbone electrical networks of Siberia. - URL: http : //www .fsk-ees.ru/about/affiliates/mes_sibe-ria/structure/ (accessed 02.03.2017).
10. Weather schedule. - URL: http://rp5.ru/ (accessed 02/03/2017).
