النطاق الجوي الملامس لخط القدرة الكهربائية 15 كيلوفولت

تحليل النطاق الجوي الملامس لخط القدرة الكهربائية 15 كيلوفولت

يمثل فحص خطوط الكهرباء وصيانتها تكلفة اقتصادية كبيرة لشركات التوريد بسبب التوسع الهائل لهذا النوع من البنية التحتية والحاجة إلى أداء هذه المهام بشكل دوري وفقاً للوائح كل دولة أو منطقة، وليس هذا فقط، ولكن الارتفاع العالي لخطوط النقل يتطلب نشر المشغلين من خلال المركبات الثقيلة مثل منصات العمل المرتفعة أو حتى المروحيات المأهولة، وذلك لتصبح مشكلة معقدة اعتماداً على طرق الوصول المتاحة عن طريق البر.

وعلى سبيل المثال في إسبانيا، وهي دولة متوسطة الحجم؛ فإن لديها ما يقرب من (300000) كم من خطوط الجهد العالي والمتوسط، حيث إن تركيب أجهزة مثل محولات الطيران أو الفواصل الكهربائية أو مخمدات الاهتزاز أو مضادات الأعشاش الموضحة في الشكل التالي (1)، وهي عملية شائعة يقوم بها المشغلون البشريون على خطوط الطاقة الحية، وذلك مع ما يترتب على ذلك من مخاطر بسبب الارتفاع العالي والجهد العالي للتيار الكهربائي.

كما أن التطورات الأخيرة في تطوير وتطبيق تكنولوجيا المعالجة الجوية، وذلك في سيناريوهات خارجية تمثيلية مثل المصانع الكيميائية أو الجسور والتنوع الكبير من العمليات التي يمكن إجراؤها باستخدام مناور جوي، وكذلك حفز الاهتمام باستخدام هذا النوع من الروبوتات لتركيب الأجهزة وكذلك لصيانة خطوط الكهرباء، وذلك بهدف لتقليل الوقت والتكلفة والمخاطر (w.r.t).

وفيما يتعلق بالحلول التقليدية التي ينفذها العاملون في المجال البشري؛ فإن التحديات التكنولوجية لا تزال كبيرة وبادئ ذي بدء، كما لم يكن تأثير التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) الناتج عن خط الطاقة عالي الجهد فوق وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) ومستشعرات (GNSS – نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية) والمكونات الإلكترونية الأخرى المضمنة في المنصات الجوية.

كما يتم تفريغ كورونا على محرك رباعي داخل مزرعة رياح (HVDC) البحرية، بينما تأخذ في الاعتبار الحقول الكهروستاتيكية التي ينتجها خط كهرباء على طائرة هليكوبتر مأهولة، وثانياً يتطلب تركيب أجهزة مثل محولات رحلة الطيران والفواصل الكهربائية ومخمدات الاهتزاز الموضحة في الشكل السابق (1)، وهو مستوى كبير من البراعة، خاصة في المحول الحلزوني وفي الفواصل.

وبهذا المعنى؛ فإن استخدام مناورات جوية مزدوجة الذراع، بحيث يسمح بتكرار إمكانيات التلاعب الثنائية للمشغلين البشريين، كما أن تكوين الوصول الطويل، بحيث يزيد من مسافة الفصل بين المراوح والكابلات ومعها يزيد الأمان، أما ثالثاً ونظراً لعدد الأجهزة التي سيتم تثبيتها على قسم واحد بين قطبين (ما قد يختلف بين 10 و 50)، ومع مراعاة سعة الحمولة المحدودة للمنصات متعددة الدواران؛ فمن المستحسن للغاية تحسين الوقت أداء العملية.

اختبارات الطيران الأولية المرتبطة بخطوط النقل الكهربائية

اعتبارات في تصميم الاختبارات: يتضمن تركيب الأجهزة الموضحة في الشكل السابق (1) باستخدام روبوت معالجة جوية الاتصال المادي مع خط طاقة حي بإمكانيات كهربائية عالية، والى جانب المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن الخط؛ فإن الاختلاف المحتمل بين هذا والروبوت الجوي سيؤدي إلى تأثير غير متوقع في المكونات الموجودة على اللوحة (الطيار الآلي وأجهزة التحكم في السرعة الإلكترونية والمحركات الخالية من الفرشاة والمضاعفات ولوحات الكمبيوتر) أثناء الانتقال من تلامس للاتصال.

كما تهدف اختبارات الطيران الأولية الموضحة في هذا القسم إلى تحديد الأعطال المحتملة في الروبوت الجوي عند الاقتراب أو التفاعل مع خط طاقة حقيقي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2).

ونظراً لعدم اليقين في سلوك المنصة الهوائية في تفاعلها مع خط الطاقة المباشر، وبالنظر إلى أن عطلاً كهربائياً أو إلكترونياً على المكونات الموجودة على متن الطائرة من المحتمل أن يتسبب في انهيار المنصة؛ فقد تم تصميم التجارب كتسلسل من الاختبارات مع زيادة مستوى المخاطر، كما ويشار إلى ذلك في الجدول التالي (1).

المنصة الجوية: من أجل جعل التجارب قابلة للتكرار، يصف هذا القسم بالتفصيل النظام الأساسي المستخدم في اختبارات الطيران الأولية، وذلك مع ملاحظة الاختلافات في إعداد الاختبارين (2-3) و (4)، وذلك نظراً لأن الفشل المحدد يحدث في الأخير، كما تتكون المنصة الهوائية من (S550 hexarotor) على غرار (DJI F550) ومجهزة بستة محركات (DJI 2312E) بدون فرش ووحدات تحكم إلكترونية في السرعة (DJI 430 LITE) (ESC) ومراوح (9 × 4.5) بوصة.

يوضح الشكل التالي (4) نوعي المتلاعبين المدمجين في المنصة للتجارب (2-3- 4)، حيث أن النوع الأول عبارة عن أنبوب بسيط من الألومنيوم المؤكسد بطول (600) مم وطوله (6) مم (Ø)، وهو مثبت بساق جهاز الهبوط برباط مضغوط، والثاني هو الذراع الروبوتية (2-DOF) المتصلة بالقاعدة متعددة المحركات (تحت الطيار الآلي) والمتصلة بـ (Raspberry Pi) والمدعومة ببطارية (4S LiPo) للمحرك متعدد المحركات الكهربائية.

أول اختبارات الاتصال مع أنبوب الألومنيوم: الهدف من الاختبارين (2 ، 3) هو تحديد الأعطال المحتملة أو أي عطل في المنصة الهوائية بسبب التفاعل مع خط الطاقة (15) كيلو فولت، حيث أن الإجراء في كلتا التجربتين هو نفسه، وإقلاع المنصة والاقتراب من أعلى إلى المرحلة الأعلى من البرج حتى يلمس أنبوب الألمنيوم الكابل، كما ويعود إلى نقطة الهبوط. تم التحكم في المحرك متعدد المحركات في وضع الموقف (الاختبار 2) ووضع موضع (GPS – الاختبار 3) بواسطة طيار بشري خبير.

بحيث يكشف الفحص البصري وتسلسل الصور الموضح في الشكل التالي (5) أن النظام الأساسي لا يتأثر بشكل كبير بخط الطاقة، وذلك على الرغم من أن تحليل سجل البيانات الذي قدمه الطيار الآلي يوضح أن الضوضاء في مقياس المغناطيسية تزداد إلى حد كبير حيث أن الروبوت أقرب إلى خط الطاقة (الشكل 6).

وعندما يلمس المعالج الكابل؛ فإنه يتجاوز معيار الضوضاء قوة المجال المغناطيسي للأرض (0.4 غاوس)، بحيث لوحظ بأن المحركات بدون فرش للمراوح أو محركات التيار المستمر للمضاعفات لا تتأثر بشكل كبير لأن المجال المغناطيسي لمغناطيسها يقع في نطاق (1) ت، أي (10.000) جاوس.

أول اختبار اتصال بذراع آلية: تم تكرار التجربة مع استبدال أنبوب الألمنيوم بالذراع الروبوتية (2-DOF) ودمج أيضاً (+Raspberry Pi 3B) وبطارية (5V) كما هو موضح في الشكل السابق (3) والشكل (4)، بحيث تم التحكم في المحرك المتعدد في وضع وضع (GPS)، وذلك باتباع مسار مشابه للسابق اختبارات الاقتراب من خط الكهرباء.

ومع ذلك في هذه الحالة، تسبب ملامسة رابط الساعد الخاص بالمناور مع خط الطاقة في حدوث توقف مفاجئ للمراوح، بحيث توضح التجربة أن الخطأ يحدث بالضبط عندما يلمس الذراع خط الطاقة (على بعد 10 سم من مؤازرة الكوع تقريباً) وأن المنصة الهوائية تحاول استعادة التحكم قبل الانهيار، وعلى الرغم من السرعة في كان السقوط الحر مرتفعاً جداً بحيث لا يمكن استرداده، كما أدى التباطؤ القوي للمحركات الناجم عن الفرامل النشطة في (ESC) إلى أن أحد المراوح كان مفكوكاً.

وأخيراً يبقى يكشف تحليل البيانات التي قدمها الطيار الآلي عن مقاطعة السجل في نفس لحظة حدوث الخطأ، كما كان سبب هذا الخطأ هو التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) بسبب اختلاف الجهد. من المثير للاهتمام ملاحظة أن سعة الضوضاء في مقياس المغنطيسية كانت أقل في هذه الحالة (w.r.t)، كذلك الاختبارات (2-3)، حيث أن المسافة بين خط الطاقة ووحدة (IMU) أعلى عندما يلمس الذراع الروبوتية الكابل (انظر الشكل 7 والشكل 8).