巡线无人机

邢强

电力巡线是无人机在民用领域应用的一个重要组成部分，也是体现工业级无人机设计和制造水平并考验无人机使用者专业技能的一项应用。本系列文章之前介绍的消防、农业、航拍和警用领域中，无人机的应用大多带有人在回路的特点，对操作人员的实时参与有一定的需求。而电力巡线无人机则对平时状况下的自主决策与紧急情况下的自主决断提出了更高的要求，这是由该类型无人机靠近高压线路且通常在野外环境中的工作条件决定的。

空中巡线早有需求

毋庸置疑，电力是推动整个人类文明发展的一种至关重要的力量。很难想象我们离开电力该怎样生活。不过，由于自然资源的地理分布与大城市的地理位置往往是不能重合的，发电厂与大城市之间通常相隔甚远，因此其发出的电能需要通过漫长的输电线路才能抵达渴求电力的大都市和小山村。

与世界其他国家相比，中国的电网建设无论是在规模上还是在新建网络的速度上都已处于较为领先的地位。大规模电网是与我国城市化进程迅速推进以及制造业大国定位相匹配的不可或缺的基础建设。目前，我国已经形成了华北、华东、华中、东北、西北和南方共6个跨越省份行政区的巨型电网。而我国优质的煤炭、石油、天然气等火力发电资源和高落差、径流量的水力发电资源的分布与沿海城市群规划之间的距离大多较为遥远。为了减少电能在输送过程中的损失，我国建设了规模庞大的高压输电网络。迄今，我国仅11万伏特电压以上的输电线路已达51.5万千米。

另外，特高压直流输电系统的出现与发展使得输电距离进一步增加。与传统交流输电相比，特高压直流输电投资较少、电能损耗较低，在长距离的电能输送方面更有优势，电源点与负荷中心电输送效率更高。输出同样的功率，直流架空线路可节省约三分之一的钢芯铝线、三分之一的钢材、三分之一的线路造价与线路损耗。（直流输电的电能损耗一般为每1000千米3%，随电压等级和结构不同有所差异。）

如今，全球输电距离最长的高压直流输电系统位于巴西，从其西部韦柳港到南部阿拉拉夸拉的玛代拉河，即在电力行业内非常著名的Rio Madeira HVDC系统。该系统采用±60万伏的直流电输送电力，全长2375千米，自2014年开始正式启用。

高压输电系统需要使用绝缘子进行绝缘，漫长的输电线路无时无刻不经受着自然的侵蚀。在升压线路和降压线路部分，有大量变电设备需要专业人员定期进行巡检和维护。按我国现状，每年在电力行业的投资规模为1 000亿元人民币左右，其中有73%的资金直接投放到了硬件设-施的建设中。如何保证这些硬件设施的可靠性与安全性，是个很大的课题。

长期以来，我国依赖人工进行电力线路的巡检作业。通常，每100千米的输电线路的巡检需要耗费160个工时。也就是说，如果想要在1个工作日内完成100千米的线路巡检，需要20名巡线人员同时工作。而且，高压输电线路很多是在深山老林和崇山峻嶺中，电力巡线人员为了保障人民的生活用电与工业建设用电，常常要冒很大的风险进行作业。

如果能够在空中进行电力巡线作业，岂不是一件很好的事情？如今的高压输电铁塔有十几层楼高，用飞行器接近高压电线铁塔的顶端进行巡视，可以距离绝缘子更近，能够看得更清楚。而且飞行器不惧山河阻隔、不怕路途险远，能够更快地完成巡视作业。历史上，电力巡线和电力作业与直升机之间的渊源可以追溯到很早之前。1939年春，美国的伊戈尔·伊万诺维奇·西科尔斯基完成了VS-300直升机的全部设计工作，同年夏天制造出一架原型机。这种单旋翼带尾桨的直升机构型成为现在最常见的直升机构型。10年后，在直升机还算是新鲜“玩意儿”时，美国和欧洲就有人对使用它进行电力巡检进行了探索。

反应快速深入山林

后来，英国EA电力咨询公司与英国威尔士大学合作，实施了世界上最早利用无人直升机进行电力巡线的正式应用。1979年，美国的迈克尔·寇蒂斯率先进行了直升机等电位带电作业的尝试。到了20世纪80年代，美国、加拿大和澳大利亚都逐渐从直升机输电线路巡线、检修等作业内容发展到了直升机等电位带电作业，使直升机电力作业技术又向前迈进了—大步。

相对于传统的电力线路巡视流程，直升机巡视线路能够更快地实施作业。但实际上，这样的作业形式依然存在一些问题。工作人员对电线杆、刀闸、铁塔、高压导线、变压器、绝缘子等设备进行巡检时，主要还是以纸质形式保存巡检记录。因此手工录入人员的工作强度大、出错概率较高。

借助现代的光学吊舱，直升机能够完成一些自动化巡检作业。但是，再好的吊舱也需要用飞行员驾驶的直升机升上天空。雇佣飞行员和对其培训是一项较大的费用。对于电力巡检常用的Bell-206和MD-500直升机的飞行员来说，在山林之间穿梭飞行，而且要尽量靠近高压铁塔和高压电线，存在太多不安全因素。直升机电力巡检工作人员出现伤亡的事故时有报道。另外，有人驾驶直升机的巡航距离通常约500千米，如果往返巡检，直升机的巡检距离大多要控制在200千米左右。这对于动辄就数百千米的高压线路来说，仍显不足。为此，需在直升机巡检线路附近，每隔几百千米就设立直升机起降和前线维护保养的简易机场，无疑大幅增加了电力巡检的投入。

于是，电力巡线无人机应运而生。采用多旋翼架构的无人机可以定点悬停，对重点区域和故障多发部位进行凝视监测；而采用固定翼架构的无人机可以在被监测区域上空进行盘旋飞行，对铁塔、线路的整体情况进行判断，对特定时朗的电线结冰情况及时提出预警（这在我国南方部分地区尤其重要）。日本关西电力公司总结了几年来使用无人机进行电力巡检的经验后，认为采用无人机进行电力巡检比采用有人驾驶直升机进行巡检要节省50%的支出。同时，无人机特有的灵活性能够大幅降低人员伤亡的风险。而无人机的维护保养较有人驾驶的直升机来说，要简单得多。只需一块不大的空地，无人机就可垂直起降，只需一辆带有地面站的保障车辆，就能让无人机连续作业。

按照国际电力巡检领域几十年来的行业经验，进行精细化巡检的作业速度应当保持在15-25千米/小时，进行快速高效巡检的作业速度则在30-40千米/小时。这样的速度范围尤其适合无人机进行作业。采用高效巡检模式工作的无人机，如果其续航时间为1小时，那么它4个架次的起降作业便相当于30名巡检工作人员一天工作量的总和。

技术引领服务民生

我国对能源的需求很大，对电力能源持续可靠的供应有较高的要求，全国各地超高压电力线路在不断搭建。当高压线路跨越大面积的湖区上空时，当其飞跃崇山峻岭时，都会对巡检人员提出更多的挑战。幸而有电力巡线无人机，让人们不再受地形地貌的限制，实现了巡线的自动化和全地形化。

当然，就像无人机在其他行业领域应用一样，在电力巡线中使用的无人机也需要这个行业独特的技术手段对其进行支撑。

电力巡线无人机的核心技术体现在飞行器本身与载荷两个方面。因为电力巡线无人机经常要在深山或湖区上空飞行，并且要靠近危险的高压输电线路，因此须对其可靠性提出较高的要求。同时，飞行过程中实时传输的数据链要具备长距离、抗干扰性并适合野外作业。在载荷方面，电力巡线无人机需要装备可见光高清拍摄装置，且要有功能强大的陀螺仪增稳系统辅助。另外，还需要装备红外热成像设备，以便对导线连接点的过热情况、绝缘子的工作状态等进行检测。按照重点线路每年至少巡检12次的规范，电力巡线无人机还应具有能在野外环境中长期工作并保持较好状态的能力。这些都是对无人机设计和制造单位提出的挑战。

电力巡线无人机将许多巡检员从深山老林中解救出来，使他们免受山体滑坡、泥石流和虫害的侵扰，将很多电力作业直升机飞行员的工作强度和危险程度降低，使他们不再因为要贴近观察绝缘子情况而冒着旋翼碰触高压电线的风险。随着技术的发展，更多更加智能的电力巡线无人机会及时发现输电线路的问题，帮助人们抵御冰灾等各种灾害，为保障人们生产生活的电力供应贡献更多力量。