浅析高海拔地区高压架空输电线路机载设备选择及应用

浅析高海拔地区高压架空输电线路机载设备选择及应用

陆永白阳毛永孝李晔

云南中能投资股份有限公司楚雄直升机作业分公司650216

摘要：为不断提升直升机巡视在云南电网的适应能力，为将来直升机巡视在云南地区的全面覆盖做好准备工作，根据现有的技术规范、设备要求、试飞等最终选择，并确定合适的机载设备，以开展云南海拔2000-4500米及以上开展直升机巡视。

关键词：高海拔、直升机输电线路巡视、机载设备选择

1.输电线路环境分析

1.1线路海拔分析

根据线路数据分析，此次计划试飞的三条试飞线路海拔最高点为4300米，海拔最低点为1700米，平均海拔高于2500米。海拔最高点最低点处于同一条线的30个塔位，造成线路连续的下坡和上坡，平均落差达到了2945米，绝对落差达到了2600米。

1.1海拔高度与相对大气压力、空气密度、绝对湿度关系

根据大气和空气密度计算公式，以及空气湿度经验公式，可得出大气压、空气密度、湿度与海拔高度的关系。

从表中可以看出：空气温度在一般情况下，海拔高度每升高1000m,最高温度会降低5℃，平均温度也会降低5℃。

2.高海拔对直升机线路巡视造成的影响

2.1由于高海拔地区空气密度小、温度低，使得发动机效率降低，发动机功率会随着海拔的升高而下降，直升飞机在线路落差较大或大风等气象条件下的飞行姿态不排除达不到“直升机外缘任一点与线路、铁塔的最小安全距离应不小于15m，同时为保证巡检效果，直升机与最近一侧的线路、铁塔净空距离不宜大于30m。”飞行作业标准情况。

2.2由于作业地区海拔高地形复杂，受环境影响容易形成微气象区，横风、峡谷风、下降气流容易影响飞机悬停，不排除直升机不能满足“悬停时间一般2～5分钟”的要求。

2.3由于作业区绝对落差较大，山腰易积薄云、薄雾，对机载红外测温精度有较大影响。

2.4高原地区局部天气变化急剧，不可预见性强。

3.机载巡视设备的主要构成和功能

3.1机载巡视设备包括

1）光电吊舱系统

2）照相机

3.2光电吊舱系统主要构成

1）光电吊舱应包括陀螺稳定平台、光电传感器、显控设备和配套软件；

2）光电传感器应为红外成热像仪、可见光摄像机等多种组合。

3.3光电吊舱系统主要功能

1)对巡视目标区域能进行可见光真彩色摄像。

2）高清可实时输出可见光视频。

3）可获取巡视目标的红外视频和热图数据。

4）红外具备测温功能，具备自动对焦功能。

5）红外、可见光视频和热图数据可在机载端保存并导出。

3.4光电吊舱系统及照相机主要技术参数分析

3.4.1可见光摄像机技术参数要求

根据《吊舱技术规范》针对大型吊舱作业光电吊舱可见光能达到距离目标50米处可清晰反映销钉级缺陷，最小长度为10㎜的检测效果;要求可见光灵敏度：1.1Lux（最大增益，50%视频输出时）、信噪比：≥50dB、光学变焦：大于等于10倍以上。

3.4.2红外成像仪技术参数要求

根据《吊舱技术规范》针对大型吊舱作业光电吊舱红外检测效果要求：巡视距离≥50m时，检测线路设备温度的绝对误差≤2K，并可判别线路设备±0.5K的相对温差；要求红外热灵敏度（NETD）：制冷型≤50mk；非制冷型≤150mk。

3.4.3照相机技术参数要求

根据《吊舱技术规范》针对大型吊舱作业要求照相机光学靶面对角线尺寸：＞26mm；有效像素：＞1600万。

3.5红外热像仪技术分析

3.5.1制冷式热成像仪

其探测器中集成了一个低温制冷器，这种装置可以给探测器降温度，这样是为了使热噪声的信号低于成像信号，成像质量更好。

3.5.2非制冷式热成像仪

其探测器不需要低温制冷，采用的探测器通常以微测辐射热计为基础，主要有多晶硅和氧化钒两种探测器。

3.5.3热成像仪波长分析

能透过大气的三个红外波段分别为1-2.5μm,3-5μm,8-13μm，这三个波段被称作“大气窗口”，红外测温系统常常在这三个波段窗口工作，3-5μm,8-13μm两个波段的范围都有不同特性的控制可选用，这两个波段分别称为“短波”和“长波”窗口，其中短波能在较宽的范围内提供最佳功能，达到良好的测温要求；而长波窗口则更多的用于低温及远距离的检查。

3.5.4热成像仪测量距离分析

3.5.4.1镜头焦距

决定热像仪的探测距离的最重要因素就是热像仪的镜头焦距，热像仪的镜头焦距直接决定了目标缩成的像的大小，也就是在焦平面上占几个像素。通常这是空间分辨率通常用（IFOV）来标示，它标示每个像素在物空间所开张的角度，也就是系统所能分辨的最小角度，一般由像元尺寸（d）与焦距（f）的比值得出，即IFOV=d/f。每个目标在焦平面所成的像占几个像素，可由目标尺寸、目标与热像仪的距离、空间分辨率（IFOV）计算得出。目标尺寸（D）和目标与热像仪的距离（L）的比值为目标张角，再与IFOV相除得到占用像素点的数量，即n=(D/L)/IFOV=(Df)(Ld)。

3.5.4.2探测器性能

镜头焦距从理论上决定了热成像仪的探测距离，在实际应用中起着重要作用的另一因素是探测器性能，镜头焦距只是决定了所成像的大小，占用像素点的数量，探测器性能则决定图像质量，如模糊程度，信噪比等。探测器性能可从像元尺寸、热灵敏度、信号处理等方面分析。像元尺寸越小，则空间分辨（IFOV），其探测距离越大。

探测器的热灵敏度和信号处理决定了图像的清晰度。如果探测器的热灵敏度和信号处理能力不好的话，则所成的像只是一个模糊的热像，也就无法识别，因此一些探测器的热灵敏度不高的话，即使采取大镜头口径的方法来提高图像效果，这不但增加了成本，而且也增加了使用上的不方便。

由于机载设备红外热像仪测温受被测物体表面的发射率、反射率、气温度、环境温度、测量距离和大气衰减等因素影响会降低红外热像仪测温的准确性。

3.6.制冷型和非制冷型热成像仪性能对比

3.6.1灵敏度、精度、误差、可靠性

制冷型红外热像仪工作时，制冷机先进行工作来降低自身的温度，这样在检测其他物体时灵敏度更高，精度更高，误差更小，检测温度范围更广。而非制冷型红外热像仪这些方面都是所不及的,特别是非制冷红外焦平面阵列的非均匀性对测量误差的影响较大。

制冷型红外热像仪由于其灵敏度高、探测精度高误差小，所以其检测结果更加可靠。

4高海拔机载设备选择原则

4.1总体要求

机载设备应满足《吊舱技术规范》对设备的要求；设备的环境适应性，高海拔性能、设备耐受性、稳定性等必须能够满足高海拔巡视作业。

4.2光电吊舱系统选择原则

根据高海拔地区地形、气候、环境特点，光电吊舱应满足《吊舱技术规范》上对大型吊舱的要求。设备的环境适应性、耐受性、可靠性、高海拔性能必须满足线路巡视要求。为确保光电吊舱系统功能够正常使用，光电吊舱系统应进行耐低温改进、气密性改进、抗太阳辐射等改进等并可在小雨（雪）环境下短暂使用。

4.3热成像仪选择原则

根据高海拔地区地形、气候特点，为确保数据采集的准确性，设备符合《吊舱技术规范》要求，热成像仪应选择具有双视场，分辨率:≥320（H）×240（V）制冷型长波红外热像仪。

4.4可见光摄像机选择原则

根据高海拔地区地形、气候特点，可见光摄像机应达到高清录制，其有效像素：≥1920（H）×1080（V）帧率：≥25fps、灵敏度：1.1Lux（最大增益，50%视频输出时）、光学变焦：10倍以上。

4.5照相机选择原则

根据高海拔地区地形、气候特点，照相机须支持曝光补偿、增益、白平衡、聚焦的自动控制和手动控制，有效像素：＞1600万。

4.6最终选择设备

1、3X红外设备性能：

根据《吊舱技术规范》要求和高海拔机载设备的选择原则最终选定公司根据现有的彼岸公司3X光电吊舱系统及索尼a77相机进行试验及改造以完成此次高海拔试飞任务。

5.设备高海拔性能测试

5.1光电吊舱环境可靠性试验

测试光电吊舱高低温环境下的工作及存储情况，测试步骤：1、工作测试：使设备以最大符合工作，在试验箱内保持2小时，检查设备是否符合相关性能标准;2、耐受测试：设备不工作，在试验箱内温度达到要求值时保持3小时，再将温度设定为低温工作/高温工作，保持30分钟后让设备工作，检查设备是否符合相关性能。

测试结果：设备应能正常工作。

5.2光电吊舱气密性试验

测试光电吊舱高飞机飞于指定高度时气密性的工作情况，测试步骤：是设备最大符合工作，在试验箱压力达到指定值后，保持2小时，检查设备是否符合相关性能标准。

测试结果：设备应能正常工作

5.4光电吊舱湿热试验

测试内容及目的：确定吊舱承受自然的或诱发的潮湿大气能力，测验步骤：1、将试验箱温度稳定在30℃，相对湿度稳定在85%；2、经过两小时，将实验温度升高到55℃，相对湿度升高到95%，并保持6小时；3、再经过16小时，将实验温度降到38℃，相对湿度降到85%；4、步骤2和步骤3构成一个循环，重复这些步骤直到完成10个循环；5、完成10个循环后将设备取出，给设备供电，检查设备性能是否正常。

测试结果：根据测试步骤进行相关测试，设备功能操作正常。

5.5光电吊舱震动试验

a)对设备进行初始共振频率搜索，设置峰值加速度为0.5g，以不超过1倍频程/分钟的速度从10Hz扫到2000Hz,记录放大因数大于2的共振频率值；

b)设备上电，进行30分钟随机加正弦振动耐久测试，试验过程中样品不需要操作；

c)对设备进行2小时随机加正弦振动耐久测试，试验过程中样品不需要操作；

d)重复步骤b),过程中样品应能正常工作；

5.6设备技术改进

5.6.1光电吊舱设备技术改进

为保证设备的可靠运行，在设备满足上诉测试后公司与厂家再针对高海拔地区的特点，进行了设备技术改进：

5.6.2光电吊舱耐低温改进

由于高海拔地区气温较低，为配合高海拔测试，将原有吊舱的陀螺伺服控制电路板部分主控芯片更换为超低温芯片，确保吊舱在低温情况下的运行稳定。

5.6.3光电吊舱气密性改进

考虑高海拔地区气压变化较大及可能出现的雨雪天气，为确保高海拔地区气压环境对吊舱内部运行的影响，特对吊舱的转塔内部结构做强化性气密改进处理，确保外部环境对不对吊舱的正常运行产生影响。

5.6.4光电吊舱抗太阳辐射改进

考虑云南高海拔地区的太阳辐射较大，改进了吊舱表面喷涂涂层，使其具有更高的耐太阳辐射性能。

5.6.5照相机技术改进

考虑到高海拔地区气温较低，寒冷的环境会导致相机出现润滑剂凝固，机械部件运转失灵、电池效率降低等问题。改进措施：每次使用前需对相机开机预热，准备3块以上电池备用。

6.结论

机载设备经过高海拔性能测试及技术改进后，设备的高海拔耐受性、适应性、稳定性符合相关的要求及作业标准，满足云南地区海拔2000-4500米的直升机巡视作业能力。

参考文献

[1]许金凯，张立中，金珈成等.高寒区机载电力巡线光电稳定吊舱系统设计及应用。中国电机工程学报2012（31）

[2]杨立，红外热像仪测温计算与误差分析。红外技术1999（4）

[3]王小丽、王君、严志勇，影响红外测温精度原因分析。中国电力教育。2010（4）

[4]《海拔与大气密度和温度间的换算关系_百度文库》

[5]《架空输电线路机巡光电吊舱技术规范》（试行）

作者简介：

陆永（1986.4）男云南文山本科助理工程师当前的工作：载人直升机输电线路运行维护

白阳（1971.10）男云南弥勒大专工程师当前的工作：载人直升机输电线路运行维护

毛永孝(1982.12)男云南昭通大专助理工程师当前的工作：载人直升机输电线路运行维护

李晔(1985.4)男云南绿春中专当前的工作：载人直升机输电线路运行维护