小型无人直升机在特高压线路架线中的应用探索

2011-12-31杨建东

中国新技术新产品 2011年19期

杨建东

（山东诚信工程建设监理有限公司，山东济南 250100）

引言

十一五期间我国相继建成了1000kV和±800kV交直流特高压线路，国家电网公司在"十二五"规划中提出今后我国将建设联接大型能源基地与主要负荷中心的"三纵三横"特高压骨干网架和13项直流输电工程（其中特高压直流10项），形成大规模"西电东送"、"北电南送"的能源配置格局。到2015年，基本建成以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网，形成"三华"、西北、东北三大同步电网。

交直流特高压工程的开工建设在新技术、新设备、新材料、新工艺等方面取得了一大批国内外领先的创新成果，形成了世界上试验能力最强的特高压、大电网试验研究体系。

作为世界上电压等级最高、输送容量最大、送电距离最远、技术水平最先进的交直流输电线路工程，在经济建设中发挥了巨大作用，如向上直流特高压肩负着向上海世博会送电的重任。交直流特高压工程跨越黄河、汉江、长江，跨越距离大、铁塔高度高，同时长江、汉江属于通航河流，船只多，以上因素给特高压交直流架线施工带来了较大风险。能否选择一种既能保证工程的安全、高效，减少不必要的环境污染、民事协调对进度造成的影响，又能确保工期满足里程碑计划，提高经济效益的施工机具牵引初导引绳呢？答案是肯定的，小型无人直升机就可以有效解决上述问题。

1 必然性

随着社会经济的飞速发展，环境不可避免的遭受人为的破坏，国家对工程建设的审批要求越来越严格，尤其是环评。向上线工程伊始，国家电网公司就提出了以建设"资源节约，环境友好"工程为目标，全面推行"两型一化"、"两型三新"项目建设，大力开展技术创新与科技创新，全面优化环保措施，在节约土地，控制噪声、改善环境、保护生态等各方面都取得实质性重大突破，全面实现建设绿色和谐工程的建设目标。要实现以上目标，就必然应用到新设备、新技术、新材料、新工艺。在输电线路工程架线施工阶段对环境破坏性较大的是导引绳的展放过程，在以往工程架线阶段导引绳的展放一般采用人工展放，在通过高山峡谷、江河湖泊、密集林区、建筑、电力线路、农作物时十分困难，并且经常伴随着林木砍伐、青苗赔偿、封航停运等情况的发生，而且人力展放导引绳作业强度大、工作效率低、存在诸多不安全因素。同时需用人员较多，大量人员的走动及垃圾的乱扔给环境造成一定影响。综合以上因素分析，利用飞行器展放导引绳是不错的选择，现有的展放导引绳的飞行器有动力伞、飞艇、直升机等，而在上述几种飞行器中小型无人直升机具有较大的优势，可最大限度满足以上要求，具备在输电线路中推广和应用。

自上个世纪50年代开始大型直升机在国外的输电线路施工中发挥了巨大作用，取得重大的应用成果，如美国应用直升机带电换装导线间隔棒，加装护线条，在带电的交直流超高压线上维修架空地线、冲洗绝缘子、旧塔拆除、新塔吊装、新导线架设；前苏联1981年在一条跨越伏尔加河的500kV双回路线路的抢建施工中成功对126m高的拉线跨越塔分段吊装。我国自上世纪至今也多次使用大型直升机在输电线路中施工并取得了宝贵的施工经验。虽然大型直升机在输电线路施工中发挥了重大作用，但与小型无人直升机相比还有一定的劣势，如大型直升机由于人工驾驶危险性高，需较高的驾驶技术，驾驶人员培训周期长，直升机产生的噪音和尘土污染较大，使用费用高，研制周期长，核心技术难以掌握[1]。小型无人直升机的研制相对就简单的多，核心技术易于掌握，安全系数高，操作简易，可以应用于非大型物件的吊装、运输等输电线路施工。

小型无人机能实现自动巡线的功能，利用先进的视频识别系统，无人机将自动跟踪巡线并自动保持与带电线路的安全距离，通过可见光与红外监测技术，通过图像实时传输来识别运行线路所存在的一些问题。小型无人机系统研究的最终目的是实现送电线路初级导引绳的全自主展放。

综上所述，小型无人直升机的研制及推广应用是社会发展的必然产物，代表着社会生产力的提高和社会发展的进步，是将科学技术应用于实际的具体表现之一，是"四新"技术在输电线路工程的体现之一。

2 可行性

随着我国经济的发展和科学技术的进步，原先被国外厂商垄断的制造技术已逐渐被国内的众多企业所掌握，而且具有自主知识产权，产品的型号也越来越多，基本可以满足输电线路工程施工的需要。与塔件的吊装所采用的大型直升机不同，展放导引绳采用小型无人直升机就可以完成。现在有很多施工企业和科研机构合作采取共同开发的方式，把科学技术（科研成果）直接转化为生产力，这样做企业既节省了研发经费同时又缩短了施工工期，而且科研单位更可以将科研成果应用于实际，达到了双方共赢的目的。施工企业可以根据工程需要要求科研单位量身定做满足施工的小型无人直升机，如江苏送变电公司与总参第60研究所合研的天鹰-3小型无人直升机在向上线长江大跨越就成功用于牵引初级导引绳，开创了世界电力工程领域的先河，为小型无人直升机的推广应用积累了宝贵的经验。以上论述充分说明小型无人直升机在我国输电线路施工领域具有可行性、实用性。

3 实用性

3.1 应用广泛，受场地限制小，环保

小型无人直升飞机具有可以在狭小场地起飞和降落、使用维护方便、线路巡视作业准确、高效等优势，是输电线路巡检的理想装备。

除巡线外还可以应用到线路施工的众多方面，如高山、跨越电力线路、铁路、高速公路、普通线路导地线展放施工，用于牵引初导引绳等。

在同等效率的情况下小型无人直升机设备数量少，体积小，占地面积相对较小，可有效减少树木砍伐，青苗损坏及其它植被的破坏，环保效果明显。

3.2 使用方便，易于操作

小型无人直升机移动方便，设备操作人员、配合人员相对较少，小型直升飞机属于运动器材，航空审批手续相对简单，在跨越通航河流时无需封航，施工时间由自己灵活掌握。

3.3 安全高效

采用无人直升机巡线，不仅可以大大提高线路巡视质量和效率，还可以降低维护人员作业风险和工作强度，改善工作环境，提升输电线路运行维护管理水平。

采用飞艇放线施工不稳定；采用动力伞放线操作人员存在一定安全隐患；采用有人直升机放线一方面费用高昂，另一方面施工组织难度大，安全风险高；采用人力展放导引绳费时费力，而且需要大量人工，人员素质良莠不齐，管理困难，同时因人工展放导引绳植被破坏性较大容易带来民事及环保问题，而阻碍施工进度；小型无人直升机由于采用远程遥控，飞机飞行安全稳定，安全事故发生率低，从而可有效降低施工作业中施工人员的安全风险，大大提高安全系数。

3.4 经济效益高

与采用的飞艇、动力伞和有人直升机等放线施工飞行器相比，小型无人直升机不仅操作简便，而且施工速度快，价格低廉，与其它飞行器相比利润可观，例如向上线胡家滩长江大跨越在牵引初导引绳中就节约40万元左右的有人直升机租赁费用，飞艇反复充气费用较高，同时与人力展放相比可减少一笔可观的树木砍伐、青苗赔偿及河道封航费用。

4 研制难点及方向

小型无人机研制的关键技术核心是实现无人机在输电线路架线施工展放初级导引绳的过程中，通过对初级导引绳与铁塔顶部放线滑车的感应识别，自动实时地调整自身飞行轨迹，使牵引的初级导引绳能轻松落入放线滑车内，达到人工干预少、施工效率高的目标。因此小型无人直升机的自动化程度是研制的关键，自动化程度的提高可有效解决施工应用中出现的不可预见因素，极大提高安全性能、操作性、实用性。同时在航程、安全性、荷载能力、最大牵引力方面需进一步有所改进，因为以上四点同样是检验小型无人直升机能否值得大力推广的因素之一。

为确保小型无人直升机在牵引初级导引绳、巡线方面及其它方面的实用，在研制前施工单位就应把直升机的有关参数、达到的效果等提前通知科研单位如需要的最大荷载、飞行时间、怎样能更有利于的巡线，在巡线时监测系统更能有效发现金具、导线、绝缘子、销钉及杆塔器材上的缺陷等，以便于科研单位根据实际情况开展设计。

5 应用前景展望

采用小型无人直升机展放初导引绳施工工艺，有效提高了输电线路放线施工功效，减少了外部环境的影响给施工带来的风险，降低了施工人员的劳动强度及工程施工成本，有利于输电线路工程沿线环境保护。小型无人直升机的研制周期短，适应性强，使用过程中安全、高效、实用，同时具有垂直起降、空中定点悬停、低空低速等特性，充分满足了线路施工在各种地形条件和技术条件下的要求，在我国的特高压交直流及500kV线路施工中已得到应用，积累了一定的实践经验和理论基础，适合于在新建设输电线路工程中推广。

6 应用实例

向上线特高压直流胡家滩长江大跨越位于湖北省赤壁市赤壁镇，耐张段长度3.401km，共有四基铁塔，其中两基跨江塔高度为198.5m，两基锚塔高度为55m，江北锚塔NXS1A、跨越塔NXS2A，江南跨越塔NXS3A、锚塔NXS4A。导线采用4*AACSR/EST-640/290,地线一根采用LBGJ14-340-14AC铝包钢绞线，另一根采用OPGW光缆，本次初导引绳展放采用总参60研究所研制的天鹰-3号无人直升机。该机机长3.6m，机宽0.6m，旋翼直径3.4m，适用风速5级以下，飞行偏差5-10m，作业抗风能力4级，最大起飞重量100kg，任务荷载能力 20kg，续航时间 1h，最大飞行速度120km/h，飞行半径30km，工作环境温差 -20～+50℃，起降场地10mx10m，最大牵引力200N。在向上±800kV特高压直流输电线路胡家滩长江大跨越初导引绳展放过程中，从起飞到展放完毕，只用了40分钟，全过程不封航，安全高效，效果理想。