多旋翼无人机检测输电线路绝缘子研究

郑天茹，孙立民，娄婷婷，曹建梅，郭翔

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003；2.国网技术学院，山东济南250002；3.国网山东省电力公司济南供电公司，山东济南250012）

多旋翼无人机检测输电线路绝缘子研究

郑天茹1，孙立民2，娄婷婷1，曹建梅1，郭翔3

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003；2.国网技术学院，山东济南250002；3.国网山东省电力公司济南供电公司，山东济南250012）

绝缘子作为支持导线的绝缘体，可以保证横担、杆塔与母线等带电体有足够的绝缘性，其性能好坏对电网的安全运行起着至关重要的作用。在长期运行中，绝缘子性能会受到环境因素、电流作用、机械力作用的影响和破坏，因此需要在电力线路正常运行情况下对高空中的绝缘子性能进行检查。研究一种利用多旋翼无人机对绝缘子检测装置，主要利用多旋翼无人机这种安全稳定的高效手段，通过测量绝缘子两端电势与正常值相比较的方法实现对绝缘子状态的检测。利用该装置和方法，能够及时了解和掌握线路绝缘子的运行情况，判断是否存在安全隐患，为有效决策提供依据；还能够避免检测人员爬高进行近距离带电操作的危险性，同时提高检测效率。对输电线路安全性及无人机巡检可利用范围的延伸具有很大的实际意义。

多旋翼无人机；绝缘子检测；电势测量；升降结构

0 引言

在输电线路中，绝缘子既要有良好的电气性能，又要有足够的机械强度。在长期运行中，绝缘子会由于多种原因不定时偶发性损坏，为保证输电线路的安全运行，急需一种能够及时且准确发现绝缘子故障的设备及方法。

介绍一种利用多旋翼无人机对输电线路绝缘子检测的装置和方法，采用多旋翼无人机搭载高清摄像头、与电压传感器连接的探测极，同时带有升降装置。利用该系统，能够实现绝缘子状态的实时带电检测，及时了解和掌握线路绝缘子的运行情况，判断是否存在安全隐患。

1 现有绝缘子检测方法

目前绝缘子检测方法主要有直接观察法、紫外成像法、红外成像法、超声波检测法、等值盐密法、电阻法、电场法、泄漏电流法、脉冲电流法和电势测量法［1-4］。直接观察法误差较大，且对绝缘子的内绝缘性能无法检测；紫外成像法只能在局部放电发生时使用，且受环境温度影响较大；红外成像法检测定位不准确，易受环境温度的影响；超声波检测法因其耦合和衰减及超声波换能器性能问题不适合现场检测；等值盐密法消耗时间长，得出的结论仅为绝缘子整体污秽的平均水平；电阻法仅适用于低压线路；电场法对某些不影响电场分布的绝缘损伤灵敏度不高；泄漏电流法需要在每串绝缘子串上安装相应的设备，而且数据准确性有限；脉冲电流法的检测分辨率依赖于不良绝缘子的阻值、不良绝缘子在串中的位置、绝缘子串的片数和正常绝缘子的电晕起始电压等参数，且该方法并未完全成熟。电势测量法它通过检测绝缘子两端间电势差，与绝缘子串上各个绝缘子电压分布的规律性作对比，可判断绝缘子绝缘性是否良好。此方法简单易操作并且数据准确率高，但需要检测人员爬高并进行近距离带电操作，危险性较高且效率低。

现有的在线监测绝缘子设备［5-6］均不可移动，即需要针对每个绝缘子串或绝缘子片安装，或需利用检测人员携带该设备爬高进行近距离带电操作，工作量巨大，且不能完全解决人员安全和效率问题。

现有利用机器人进行绝缘子检测技术［7-8］，机器人仍需人工由地面运送到杆塔上进行使用，无法完全避免人员近距离带电操作。

现有利用无人机进行绝缘子检测的技术，仅采用视觉方式从绝缘子外观判断其是否正常，检测正确率低，无法检测到外观无明显变化的缺陷。

因此需要寻求一种方法，既能够利用电势测量法的简单可靠性，又能够避免需要检测人员爬高进行近距离带电操作的危险性，同时提高检测效率。随着利用无人机巡线技术的日趋成熟［9-11］，考虑到利用无人机这种安全稳定的高效手段，结合电势测量法进行对于绝缘子的检测。

2 多旋翼无人机检测绝缘子系统

研制一种多旋翼无人机检测绝缘子装置，其外观和结构分别如图1、图2所示。

如图1所示，探测上、下极为上下两金属圆环，与机体和旋翼之间均采用中空碳纤维管绝缘连接；电压传感器及其两端相连的导线均处于碳纤维管内部；旋翼与舵机相连导线也处于碳纤维管内部；其余部件均处于多旋翼无人机主体结构内固定安装，其中高清摄像头为朝向外侧固定安装，其他各部件的位置和次序无要求，但安装时需满足旋翼无人机配重平衡要求。

图1 多旋翼无人机检测绝缘子装置外观

图2 多旋翼无人机检测绝缘子装置结构

如图2所示，多旋翼无人机检测绝缘子装置包括多旋翼无人机、绝缘子检测装置和升降结构。绝缘子检测装置包括探测上极和探测下极，分别连接电压传感器，通过A/D转化单元将信号输入DSP处理单元进行数据处理，DSP处理单元输入端与多旋翼无人机的飞行控制系统机载控制计算机连接。多旋翼无人机包括飞行控制系统机载控制计算机，与其相连的有无人机卫星定位模块、无人机数字罗盘、无人机三轴陀螺仪、无人机三轴加速度计、无人机舵机控制器、无人机气压高度计、无人机转速测量传感器、无人机PCM遥控接收机、机载无线通信单元；其中，无人机卫星定位模块、无人机数字罗盘、无人机三轴陀螺仪、无人机三轴加速度计、无人机气压高度计、无人机转速测量传感器、无人机PCM遥控接收机均将所采集的数据输入飞行控制系统机载控制计算机进行分析，飞行控制系统机载控制计算机将无人机卫星定位模块和无人机气压高度计采集到的多旋翼无人机在检测时的GPS值和高度值与所检测到的DSP处理单元输入的电势差值相匹配后，通过机载无线通信单元将数据传输给地面站无线通信单元，地面站信息处理装置可以将检测电势差数据分析处理，并结合GPS值和高度值，可以判断非正常工作的绝缘子片位置。

多旋翼无人机搭载高清摄像头，与飞行控制系统机载控制计算机相连，不但能将所采集视频通过机载无线通信单元传送给地面站无线通信单元，由地面站人员可实时监控多旋翼无人机的飞行状态；同时，可在多旋翼无人机靠近绝缘子的过程中依靠高清摄像头实时传回的图像，操控飞行控制系统机载控制计算机调节飞行高度以及探测上、下极之间的距离，使探测上极与探测下极能够分别接触绝缘子两端，分别测得电势值。

飞行控制系统机载控制计算机通过机载无线通信单元接收到地面站信息处理系统调节探测上极与探测下极之间的距离的信号后，发出指令给升降单元，由升降单元调节升降结构从而改变探测上极与探测下极之间的距离。其中，升降单元为可编程单片机与升降结构中的电机驱动单元连接，主要将飞行控制系统机载控制计算机发出的距离信号转化为电机驱动信号，以调节升降结构。升降结构如图3所示［12］。

图3 升降结构

2.1 工作过程

多旋翼无人机检测绝缘子装置共分为7步完成对绝缘子的检测。

1）在飞行控制系统机载控制计算机中设置弹开命令所执行的线路和距离；其中，弹开命令执行的设置应避免与绝缘子串、杆塔和导线的碰撞。

2）在地面站信息处理系统中设置好绝缘子电势差的标准曲线；其中，标准曲线参照电力行业标准DL/T 487—2000《330 kV及500 kV交流架空送电线路绝缘子串的分布电压》中的规定进行设置；由于不同环境、地域中绝缘子串电压分别也会略有差异，还可选择不设置标准曲线，仅在最终分析结果时，将整个绝缘子串上各个绝缘子检测的电势差值绘制曲线，找到变化趋势与其他各点不一致的点对应的绝缘子，即为疑似非正常工作绝缘子。

3）选取多旋翼无人机起飞地点，并设置飞行高度；其中，所选取的起飞地点和飞行高度应在保证安全飞行的前提下，尽可能使绝缘子串处于高清摄像头的视野中，便于后续工作的进行。

4）多旋翼无人机上搭载绝缘子检测装置起飞后，根据高清图像实时缓慢调节悬停位置，最终确保探测上、下极分别接触到绝缘子上下两端，而后通过电压传感器、A/D转化单元、DSP处理单元将所测得数据输入飞行控制系统机载控制计算机。

5）飞行控制系统机载控制计算机得到一个电势差数据后，立即将弹开命令输出给无人机舵机控制器，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机，指挥多旋翼模块动作，多旋翼无人机将按照步骤一种设置的路线和距离迅速离开被检测绝缘子。

6）重复4）、5），至整个绝缘子串上所有绝缘子检测完毕。

7）绝缘子串检测完毕后，地面站信息处理单元中即生成疑似非正常工作的绝缘子编号报告，该编号为根据GPS、高度及检测顺序信息判定的绝缘子具体位置；而后，应将生成的报告发给线路维护人员，以进行绝缘子重点更换。

2.2 工作原理

探测上、下级分别接触带电作业的绝缘子两端，得到的电信号由两个电压传感器分别变成电压信号后，通过A/D转化单元将电压模拟信号转化为数字信号，输入DSP处理单元进行数据处理，而后将处理后得到的绝缘子两端电势差值输入多旋翼无人机的飞行控制系统机载控制计算机。飞行控制系统机载控制计算机同时接受多旋翼无人机飞行状态和各个部件工作情况的多种信息，将其中多旋翼无人机的GPS值和高度信息提取后，与电势差值一一匹配后，通过无线传输传递给地面站进行数据处理，判断绝缘子的状态及其具体位置；同时，高清摄像头也将所采集的视频通过与飞行控制系统机载控制计算机由无线传输传递给地面站，地面站人员可实时监控多旋翼无人机的飞行状态，也可在多旋翼无人机靠近绝缘子的过程中依靠高清摄像头实时传回的图像操控飞行控制系统机载控制计算机调节飞行高度以及探测上极与探测下极之间的距离，使探测上极与探测下极能够分别接触绝缘子两端，分别测得电势值。飞行控制系统机载控制计算机通过无线通信接收到地面站调节探测上极与探测下极之间的距离的信号后，发出指令给升降单元，由升降单元调节升降结构从而改变探测上极与探测下极之间的距离。

此外，飞行控制系统机载控制计算机在得到DSP处理单元输入的电势差值后，为尽量减少接触绝缘子的检测时间，提高检测安全性，会输出给无人机舵机控制器一个弹开命令，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机，指挥多旋翼模块动作，迅速按照预先设定的路线离开绝缘子。

3 应用效果

该装置既利用了电势测量法的简单可靠性，克服了视觉方式等其他绝缘子检测方法的不足，又利用了无人机这种安全稳定的高效手段，能够避免需要检测人员爬高进行近距离带电操作的危险性，同时具有操控简单、适用范围广、不必大范围安装的性能，极大提高了检测效率。

该装置添加了升降单元，由其通过调节升降结构而改变探测上、下极间的距离，省去了在检测前先测量绝缘子间距的步骤，使该装置适用于更多种间距的绝缘子检测，大大增加了使用范围。

该装置采用了弹开命令设置，飞行控制系统机载控制计算机在得到DSP处理单元输入的电势差值后，为尽量减少接触绝缘子的检测时间，提高检测安全性，会输出给无人机舵机控制器一个弹开命令，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机，指挥多旋翼模块动作，迅速按照预先设定的路线离开绝缘子。

4 结语

利用该多旋翼无人机检测绝缘子装置，能够实现对绝缘子状态的实时带电检测，及时了解和掌握线路绝缘子的运行情况，判断是否存在安全隐患，为有效决策提供依据；还避免了检测人员爬高进行近距离带电操作的危险性，同时提高了检测效率。对输电线路的安全性及无人机巡检可利用范围的延伸具有很大的实际意义。

［1］张斌.劣化绝缘子检测技术的国内外研究现状［J］.电网技术，2006，30（S1）:275－278.

［2］卢明，姚德贵，张国民，等.劣化绝缘子检测方法的对比分析［J］.电瓷避雷器，2006（5）:9－13.

［3］郭琳，黄兴泉，李成榕.输电线路不良绝缘子检测方法分析［J］.电测与仪表，1994（8）:18－20，48.

［4］马世伟，张鑫，范兴明，等.电力绝缘子检测方法及其应用现状［J］.桂林电子科技大学学报，2013，33（6）:456－460.

［5］石永辉，李德华，蔡涛，等.高压绝缘子在线监测及故障定位系统研究［J］.高电压技术，2003，29（11）:23－25，39.

［6］李波，刘念，李瑞叶.变电站绝缘子污秽在线监测技术［J］.高电压技术，2008，34（6）:1 288－1 291.

［7］张宏志，曹淑伟，董云鹏，等.耐张绝缘子检测机器人的研究［J］.东北电力技术，2013，34（5）:4－6.

［8］曹涛，孙大庆，赵德利，等.盘形瓷绝缘子检测机器人在架空输电线路中的应用研究［J］.电瓷避雷器，2013（2）:11－16.

［9］WANG B，HAN L，ZHANG H，et al.A Flying Robotic System for Power Line Corridor Inspection［C］//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.IEEE，2009:2 468-2 473.

［10］厉秉强，王骞，王滨海，等.利用无人直升机巡检输电线路［J］.山东电力技术，2010（1）：1－4.

［11］WANG B，CHEN X，WANG Q，et al.Power line inspection with a flying robot［C］//International Conference on Applied Robotics for the Power Industry.IEEE，2010:1－6.

［12］西门子公司.升降装置：中国，200580010899.4［P］.2007-08-08.

Detection Transmission Line Insulators Using Multi-rotor UAV

ZHENG Tianru1，SUN Limin2，LOU Tingting1，CAO Jianmei1，GUO Xiang3
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China; 2.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China；3.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

As the conductor insulator，insulators ensure enough insulation of the cross arm，tower，and bus，and play a vital role in the safe operation of the grid.In the long-term work，insulators performance is affected and damaged by environmental factors，current and mechanical forces.It is necessary that the insulators performance can be checked in the case of the normal operation of the power line.The equipment and method for detection transmission line insulators are described using multi-rotor UAV.This device detects insulators with a safe and stable multi-rotor UAV，using the method of comparing the measured value and the correct value of the potential of both ends of the insulators.Using this equipment and method，not only as a means of monitoring，can master the operation of the line insulator and the existence of security risks timely，to provide the basis for effective decision-making.It still be able to avoid the risk of inspection personnel for live operation，while improving detection efficiency.The detection method has great practical significance for the security of the transmission line and range extending of using multi-rotor UAV.

multi-rotor UAV；insulators detection；potential measurement；lifting structure

TM216

A

1007－9904（2017）05－0025－04

2017-01-04

郑天茹（1986），女，工程师，从事无人机电力巡检研究相关工作。