邢強

電力巡線是無人機在民用領(lǐng)域應(yīng)用的一個重要組成部分，也是體現(xiàn)工業(yè)級無人機設(shè)計和制造水平并考驗無人機使用者專業(yè)技能的一項應(yīng)用。本系列文章之前介紹的消防、農(nóng)業(yè)、航拍和警用領(lǐng)域中，無人機的應(yīng)用大多帶有人在回路的特點，對操作人員的實時參與有一定的需求。而電力巡線無人機則對平時狀況下的自主決策與緊急情況下的自主決斷提出了更高的要求，這是由該類型無人機靠近高壓線路且通常在野外環(huán)境中的工作條件決定的。

空中巡線早有需求

毋庸置疑，電力是推動整個人類文明發(fā)展的一種至關(guān)重要的力量。很難想象我們離開電力該怎樣生活。不過，由于自然資源的地理分布與大城市的地理位置往往是不能重合的，發(fā)電廠與大城市之間通常相隔甚遠(yuǎn)，因此其發(fā)出的電能需要通過漫長的輸電線路才能抵達(dá)渴求電力的大都市和小山村。

與世界其他國家相比，中國的電網(wǎng)建設(shè)無論是在規(guī)模上還是在新建網(wǎng)絡(luò)的速度上都已處于較為領(lǐng)先的地位。大規(guī)模電網(wǎng)是與我國城市化進(jìn)程迅速推進(jìn)以及制造業(yè)大國定位相匹配的不可或缺的基礎(chǔ)建設(shè)。目前，我國已經(jīng)形成了華北、華東、華中、東北、西北和南方共6個跨越省份行政區(qū)的巨型電網(wǎng)。而我國優(yōu)質(zhì)的煤炭、石油、天然氣等火力發(fā)電資源和高落差、徑流量的水力發(fā)電資源的分布與沿海城市群規(guī)劃之間的距離大多較為遙遠(yuǎn)。為了減少電能在輸送過程中的損失，我國建設(shè)了規(guī)模龐大的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)。迄今，我國僅11萬伏特電壓以上的輸電線路已達(dá)51.5萬千米。

另外，特高壓直流輸電系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展使得輸電距離進(jìn)一步增加。與傳統(tǒng)交流輸電相比，特高壓直流輸電投資較少、電能損耗較低，在長距離的電能輸送方面更有優(yōu)勢，電源點與負(fù)荷中心電輸送效率更高。輸出同樣的功率，直流架空線路可節(jié)省約三分之一的鋼芯鋁線、三分之一的鋼材、三分之一的線路造價與線路損耗。（直流輸電的電能損耗一般為每1000千米3%，隨電壓等級和結(jié)構(gòu)不同有所差異。）

如今，全球輸電距離最長的高壓直流輸電系統(tǒng)位于巴西，從其西部韋柳港到南部阿拉拉夸拉的瑪代拉河，即在電力行業(yè)內(nèi)非常著名的Rio Madeira HVDC系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用±60萬伏的直流電輸送電力，全長2375千米，自2014年開始正式啟用。

高壓輸電系統(tǒng)需要使用絕緣子進(jìn)行絕緣，漫長的輸電線路無時無刻不經(jīng)受著自然的侵蝕。在升壓線路和降壓線路部分，有大量變電設(shè)備需要專業(yè)人員定期進(jìn)行巡檢和維護(hù)。按我國現(xiàn)狀，每年在電力行業(yè)的投資規(guī)模為1 000億元人民幣左右，其中有73%的資金直接投放到了硬件設(shè)-施的建設(shè)中。如何保證這些硬件設(shè)施的可靠性與安全性，是個很大的課題。

長期以來，我國依賴人工進(jìn)行電力線路的巡檢作業(yè)。通常，每100千米的輸電線路的巡檢需要耗費160個工時。也就是說，如果想要在1個工作日內(nèi)完成100千米的線路巡檢，需要20名巡線人員同時工作。而且，高壓輸電線路很多是在深山老林和崇山峻嶺中，電力巡線人員為了保障人民的生活用電與工業(yè)建設(shè)用電，常常要冒很大的風(fēng)險進(jìn)行作業(yè)。

如果能夠在空中進(jìn)行電力巡線作業(yè)，豈不是一件很好的事情？如今的高壓輸電鐵塔有十幾層樓高，用飛行器接近高壓電線鐵塔的頂端進(jìn)行巡視，可以距離絕緣子更近，能夠看得更清楚。而且飛行器不懼山河阻隔、不怕路途險遠(yuǎn)，能夠更快地完成巡視作業(yè)。歷史上，電力巡線和電力作業(yè)與直升機之間的淵源可以追溯到很早之前。1939年春，美國的伊戈爾·伊萬諾維奇·西科爾斯基完成了VS-300直升機的全部設(shè)計工作，同年夏天制造出一架原型機。這種單旋翼帶尾槳的直升機構(gòu)型成為現(xiàn)在最常見的直升機構(gòu)型。10年后，在直升機還算是新鮮“玩意兒”時，美國和歐洲就有人對使用它進(jìn)行電力巡檢進(jìn)行了探索。

反應(yīng)快速深入山林

后來，英國EA電力咨詢公司與英國威爾士大學(xué)合作，實施了世界上最早利用無人直升機進(jìn)行電力巡線的正式應(yīng)用。1979年，美國的邁克爾·寇蒂斯率先進(jìn)行了直升機等電位帶電作業(yè)的嘗試。到了20世紀(jì)80年代，美國、加拿大和澳大利亞都逐漸從直升機輸電線路巡線、檢修等作業(yè)內(nèi)容發(fā)展到了直升機等電位帶電作業(yè)，使直升機電力作業(yè)技術(shù)又向前邁進(jìn)了—大步。

相對于傳統(tǒng)的電力線路巡視流程，直升機巡視線路能夠更快地實施作業(yè)。但實際上，這樣的作業(yè)形式依然存在一些問題。工作人員對電線桿、刀閘、鐵塔、高壓導(dǎo)線、變壓器、絕緣子等設(shè)備進(jìn)行巡檢時，主要還是以紙質(zhì)形式保存巡檢記錄。因此手工錄入人員的工作強度大、出錯概率較高。

借助現(xiàn)代的光學(xué)吊艙，直升機能夠完成一些自動化巡檢作業(yè)。但是，再好的吊艙也需要用飛行員駕駛的直升機升上天空。雇傭飛行員和對其培訓(xùn)是一項較大的費用。對于電力巡檢常用的Bell-206和MD-500直升機的飛行員來說，在山林之間穿梭飛行，而且要盡量靠近高壓鐵塔和高壓電線，存在太多不安全因素。直升機電力巡檢工作人員出現(xiàn)傷亡的事故時有報道。另外，有人駕駛直升機的巡航距離通常約500千米，如果往返巡檢，直升機的巡檢距離大多要控制在200千米左右。這對于動輒就數(shù)百千米的高壓線路來說，仍顯不足。為此，需在直升機巡檢線路附近，每隔幾百千米就設(shè)立直升機起降和前線維護(hù)保養(yǎng)的簡易機場，無疑大幅增加了電力巡檢的投入。

于是，電力巡線無人機應(yīng)運而生。采用多旋翼架構(gòu)的無人機可以定點懸停，對重點區(qū)域和故障多發(fā)部位進(jìn)行凝視監(jiān)測；而采用固定翼架構(gòu)的無人機可以在被監(jiān)測區(qū)域上空進(jìn)行盤旋飛行，對鐵塔、線路的整體情況進(jìn)行判斷，對特定時朗的電線結(jié)冰情況及時提出預(yù)警（這在我國南方部分地區(qū)尤其重要）。日本關(guān)西電力公司總結(jié)了幾年來使用無人機進(jìn)行電力巡檢的經(jīng)驗后，認(rèn)為采用無人機進(jìn)行電力巡檢比采用有人駕駛直升機進(jìn)行巡檢要節(jié)省50%的支出。同時，無人機特有的靈活性能夠大幅降低人員傷亡的風(fēng)險。而無人機的維護(hù)保養(yǎng)較有人駕駛的直升機來說，要簡單得多。只需一塊不大的空地，無人機就可垂直起降，只需一輛帶有地面站的保障車輛，就能讓無人機連續(xù)作業(yè)。

按照國際電力巡檢領(lǐng)域幾十年來的行業(yè)經(jīng)驗，進(jìn)行精細(xì)化巡檢的作業(yè)速度應(yīng)當(dāng)保持在15-25千米/小時，進(jìn)行快速高效巡檢的作業(yè)速度則在30-40千米/小時。這樣的速度范圍尤其適合無人機進(jìn)行作業(yè)。采用高效巡檢模式工作的無人機，如果其續(xù)航時間為1小時，那么它4個架次的起降作業(yè)便相當(dāng)于30名巡檢工作人員一天工作量的總和。

技術(shù)引領(lǐng)服務(wù)民生

我國對能源的需求很大，對電力能源持續(xù)可靠的供應(yīng)有較高的要求，全國各地超高壓電力線路在不斷搭建。當(dāng)高壓線路跨越大面積的湖區(qū)上空時，當(dāng)其飛躍崇山峻嶺時，都會對巡檢人員提出更多的挑戰(zhàn)。幸而有電力巡線無人機，讓人們不再受地形地貌的限制，實現(xiàn)了巡線的自動化和全地形化。

當(dāng)然，就像無人機在其他行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用一樣，在電力巡線中使用的無人機也需要這個行業(yè)獨特的技術(shù)手段對其進(jìn)行支撐。

電力巡線無人機的核心技術(shù)體現(xiàn)在飛行器本身與載荷兩個方面。因為電力巡線無人機經(jīng)常要在深山或湖區(qū)上空飛行，并且要靠近危險的高壓輸電線路，因此須對其可靠性提出較高的要求。同時，飛行過程中實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈要具備長距離、抗干擾性并適合野外作業(yè)。在載荷方面，電力巡線無人機需要裝備可見光高清拍攝裝置，且要有功能強大的陀螺儀增穩(wěn)系統(tǒng)輔助。另外，還需要裝備紅外熱成像設(shè)備，以便對導(dǎo)線連接點的過熱情況、絕緣子的工作狀態(tài)等進(jìn)行檢測。按照重點線路每年至少巡檢12次的規(guī)范，電力巡線無人機還應(yīng)具有能在野外環(huán)境中長期工作并保持較好狀態(tài)的能力。這些都是對無人機設(shè)計和制造單位提出的挑戰(zhàn)。

電力巡線無人機將許多巡檢員從深山老林中解救出來，使他們免受山體滑坡、泥石流和蟲害的侵?jǐn)_，將很多電力作業(yè)直升機飛行員的工作強度和危險程度降低，使他們不再因為要貼近觀察絕緣子情況而冒著旋翼碰觸高壓電線的風(fēng)險。隨著技術(shù)的發(fā)展，更多更加智能的電力巡線無人機會及時發(fā)現(xiàn)輸電線路的問題，幫助人們抵御冰災(zāi)等各種災(zāi)害，為保障人們生產(chǎn)生活的電力供應(yīng)貢獻(xiàn)更多力量。