多旋翼无人机在输电线路巡检中的应用局限及发展前景

杨 杰，邵 帅，王 凯，张庆雷，高 翔，黄 涛，王文贤

(国网济南供电公司，山东 济南 250000)

输电线路需要进行定期巡视检修[1-3]，高压输电线路的巡检主要依靠人工方式，工作强度大、工作条件差、工作效率低且存在人身安全的风险[4-5]。随着无人机技术尤其是多旋翼无人机技术的发展，已逐步开始利用多旋翼无人机为载体，地面监控设备为支撑的输电线路巡检系统[6-8]。

目前，大多无人机为通用产品，性能还无法满足输电线路巡检的特殊要求，本文将从高压输电线路的特殊需求、输电线路用多旋翼无人机应用现状及其在输电线路巡检领域未来的发展方向等方面对多旋翼无人机进行探讨，以期为未来输电线路用无人机的发展提供一定的指导。

1 高压输电线路的特殊需求

高压输电线路一般指35 kV及以上的架空输电线路，是连接发电厂和变电站的主要设备。由于高压输电线路规模庞大、环境复杂而且带大负荷运行等情况，因此无人机巡视具有以下几个特点。

1.1 目标小

输电线路无人机巡检对象主要为输电杆塔中的众多金具，包括延长环、挂板、螺栓、销子等。这些金具与输电杆塔相比，大都体型较小，长度在几厘米到十几厘米，目标较小，缺陷发现难度较大。

1.2 数量多

随着社会用电量的持续攀升，电网建设进程不断加快，需要进行巡视和检修的杆塔数量和规模不断扩大。据不完全统计，国网济南供电公司管辖的输电线路就达7 200余基，巡检工作量巨大。

1.3 距离远

作为连接发电厂与变电站之间及变电站与变电站之间重要电力设施，输电线路一般长度较长，特别是随着特高压交流、直流输电的发展，单条输电线路的长度已达几千公里。同时，为降低建设成本，各杆塔之间的距离设置均比较大，据统计，220 kV及以上线路档距大多在300 m以上，跨江、跨河等大跨越线路更可达几千米。

1.4 风速高

随着城市建设规模的不断扩大及居民维权意识的日益提高，输电线路防外破形势越来越严峻。目前有效地解决方式是提高输电线路杆塔高度，逐步淘汰高度较低的水泥杆数量。以济南公司为例，近十年来所建设的杆塔均为铁塔或钢管塔，并且高度在20～120 m。根据《电力工程高压送电线路设计手册(第二版)》可知，以120 m高跨河杆塔为例，假设地面为5级风，风速为10 m/s，则塔顶地线挂点处风速为13.9 m/s，为7级风。

1.5 环境复杂

由于土地资源紧张、民事协调难度大等问题，新建的高压输电线路多处于郊区、丘陵、山地等地形复杂地区，特别是南方，输电线路穿梭于崇山峻岭之中，为输电线路巡检带来巨大的困难。

1.6 电磁影响恶劣

输电线路尤其是高压输电线路都具有电压高、电流大的特点，加之输电线路均为裸导线，其周围存在较强的电磁场，这对输电线路用无人机的电磁屏蔽和抗干扰能力提出了更高的要求。

2 多旋翼无人机在输电线路巡检中的应用局限

随着多旋翼无人机技术的日渐成熟，无人机也越来越广泛应用于高压输电线路巡检。国网公司已连续进行多次招标，并在中国电科院武汉高压试验基地开展了各项多旋翼无人机的试验项目，这为无人机在输电线路巡检中的应用打下了坚实的基础。

目前市场上存在的多旋翼无人机大体分为两类，一类是轻型化，以航拍为主要用途的无人机，主要生产厂家是大疆公司；另一类是体型较大，以完成特定作业任务为主要用途的无人机，如喷洒农药、巡视输电线路等，其主要生产厂家有伊瓦特、中航智等。

另外，已有大量的文献对多旋翼无人机在输电线路中的应用做了研究[2,5-9]，文献[10-13]提出了多种利用无人机进行输电线路缺陷检测的方法，如红外检测、紫外检测、传感器数据分析等；文献[1-3,5-9]都从输电线路巡视的角度探讨了无人机的应用及发展方向。但这些仅是对无人机功能模块的再次开发，并未对无人机本身的改进提出建设性意见。

目前应用于输电线路巡检的多旋翼无人机存在以下几个方面的问题。

(1)续航能力不足。目前市面上的多旋翼无人机多采用电池供能的形式，其续航时间多在30 min内，无法满足输电线路大规模巡视要求。

(2)自身重量与拍摄质量矛盾突出。由于电磁环境的影响，无人机在进行输电线路巡视时与带电导线需保持至少10 m的距离，这要求无人机搭载的相机或镜头具有可变焦功能，才能发现输电杆塔上存在的少销子、少螺栓等微小缺陷。质量轻、体型小的大疆无人机搭载的镜头无法实现变焦，而搭载可变焦相机的中航智及伊瓦特无人机又存在体型大、质量重，无法满足正常巡视要求的问题，因此无人机自身重量与拍摄质量的矛盾限制了其在输电线路巡检中的应用。

(3)起降条件要求苛刻。多旋翼无人机起飞和降落时需保持水平状态，这要求输电杆塔及线路周围必须有一块1～2 m2见方的平地才能满足无人机的起降要求。而处于丘陵、山地等复杂地区的输电杆塔周围几乎不存在类似场地，大大限制了无人机在丘陵、山地等地区进行输电线路巡检作业。

(4)功能较为单一。目前市面上的多旋翼无人机功能大多集中在拍照上，仅仅只能进行输电线路日常巡视，远远无法完成像带电除异物、补开口销、校紧引流板等检修作业。而目前各文献及专利提出的无人机功能开发也大多停留在试验室层面，离大规模应用还有很长的一段距离。

3 输电用多旋翼无人机的未来发展方向

在不久的将来，无人机在输电线路巡检方面将获得广泛推广应用，但目前市场中的无人机在输电线路巡检中的适应性远远无法达到要求。因此，为适应输电线路巡检作业的特点，未来输电用多旋翼无人机应具备以下几个特点。

3.1 续航时间更长

随着输电规模的进一步扩大，无人机巡检的任务将进一步加重，单纯靠增加无人机数量的方式来满足作业量的迅速增加是不可取的，这要求多旋翼无人机具备较长的续航时间，但由于无人机工作方式的特点，电池的重量还需保证在一定的范围内。因此，首先，要积极探索新型高能量密度的电池材料，在保证电池体积基本不变的情况下，提高电池容量；其次，提高无人机系统的运行效率，降低无人机系统的能量损耗，进而延长续航时间；最后，开发无人机光伏系统，利用太阳能为无人机提供可持续的动力，提高无人机的续航时间。

3.2 抗电磁干扰能力更强

由于多旋翼无人机多工作在输电线路周围，其受到的电磁干扰尤为强烈，无人机在进行近距离工作时，通常会出现链路丢失、图传延迟、控制滞后等问题，严重影响无人机的正常工作，这大大限制无人机在输电线路巡检中的应用推广。如何能够提高无人机的抗电磁干扰能力，降低甚至屏蔽高压输电线路对无人机的电磁干扰，保证无人机在输电线路附近的正常工作，将是推动输电线路用无人机发展的一个至关重要的因素。

3.3 地形适应力更好

在丘陵、山地等地形复杂地区，常常因为没有适合起降的场地而限制多旋翼无人机的使用。开发一种简单、便携的无人机起降平台，作为无人机起降的辅助工具，解决无人机起降的场地限制问题，进而提高无人机的各地形适应能力。

3.4 控制距离更远

目前，市场上多数多旋翼无人机的控制距离在2 000 m以内，大概为3～4档输电线路的距离。随着输电线路规模的不断扩大、巡检作业量的增加以及无人机续航能力的提高，该控制距离将无法满足未来的工作要求。因此，提高地面站信号收发能力，扩大无人机控制范围，将是未来输电用无人机的一个重要发展趋势。

3.5 抗风性能更高

随着杆塔尤其是大跨越杆塔高度的持续增加，多旋翼无人机巡检作业处的风速将超过目前市场上大多数无人机的承受范围(注：目前市场上大多数无人机的抗风能力为4～5级)，无人机巡检能力得到严重限制。如何改进多旋翼无人机的飞控系统，提高无人机抵御高强度大风的能力，对于无人机的在输电线路巡检领域的发展同样起着比较重要的作用。

3.6 质量更轻

由于输电线路规模巨大，巡检作业量持续增加，加之有相当部分的输电线路杆塔位于山地、丘陵等复杂地区，质量过大的无人机反而会成为输电线路巡检的负担，降低巡检效率和质量。采取优化无人机结构及使用新型材料等措施，在保证无人机自身强度的情况下，降低无人机整体的质量，才能不断拓展无人机在输电线路巡检中的应用。

3.7 拍照性能更优

作为主要巡检对象的输电杆塔上的众多金具多具有体型小、难发现的特点。另外，由于输电线路周围强烈的电磁干扰影响，无人机无法进行近距离工作。这要求无人机搭载的相机需具备更优的拍照性能，更强的变焦能力，才能及时发现输电线路中存在的各种缺陷，提高巡检质量和水平。

3.8 输电检修功能更多

据统计，市场上的多旋翼无人机90%以上只具有拍照功能，仅只能满足输电线路日常巡视的要求，而且需要人工进行控制，这大大限制了多旋翼无人机在输电线路巡检中的应用。为提高多旋翼无人机的可用性及实用性，其自身功能需要进行一定程度的拓展。目前已有一些单位开始进行相关的研究，如文献《基于无人机紫外检测的输电线路电晕放电缺陷智能诊断技术》、《基于无人机红外视频的输电线路发热缺陷智能诊断技术》等都对无人机的巡检功能进行了拓展，通过紫外、红外等技术手段对输电线路缺陷进行诊断，提高了无人机在输电巡检中的适用性；国网山东电科院及国网浙江检修公司都开发出了无人机喷火系统，用来进行输电线路的带电除异物等。此外，作为输电线路巡检的重要工具，无人机还应具有定导线轨迹飞行、导线探伤、补开口销、校紧引流板、涂刷防污闪材料等各种输电线路巡检功能。因此，在软件方面，一是无人机开发者应对输电线路巡检需要做出充分调研，开发出适用于输电巡检的各种功能模块；二是未来多旋翼无人机应具备可二次开发功能，预留足够的开发端口，方便输电巡检人员开发功能模块，提高无人机在输电巡检中的适应性，推动多旋翼无人机在输电线路巡检领域的发展，提高输电线路巡检效率和水平；在硬件方面，多旋翼无人机应配置综合性多功能云台，方便各种拓展功能的硬件接入或组装，以达到一机多能的目的，提高无人机的应用范围。

4 结语

(1)高压输电线路具有杆塔高、距离远、数量多、目标小、环境复杂以及电磁影响恶劣等特点，这为输电线路用多旋翼无人机提出了更高的要求。

(2)目前市场上多数无人机为通用产品，作为输电线路巡检工具，其具有续航能力不足、自身重量与拍摄质量矛盾突出、起降条件要求苛刻及功能较为单一的缺陷，远远无法满足日益增长的输电线路巡检需求。

(3)为适应庞大且复杂的输电线路巡检作业，未来的无人机应向着更长的续航时间、更强的抗电磁干扰能力、更好的地形适应力、更远的控制距离、更高的抗风性能、更轻的质量、更优的拍照性能及更多的输电作业功能等方向发展，才能真正满足输电线路巡检需求，提高输电线路巡检质量和水平。

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