无人机带电水冲洗与喷涂技术的研究与应用

摘  要：

在现代工业技术不断发展的背景下，利用机器代替人工已经成为提高效率的重要手段之一，为此，对无人机带电水冲洗与喷涂技术进行研究。在无人机带电水冲洗技术研究过程中，结合污秽物的积累形式，对无人机冲洗方向进行设置；结合冲洗环境实际情况对水柱形状进行设置；结合作业环境电压等级对冲洗水标准进行设置；结合带电设备状态对冲洗方式进行设置。无人机喷涂技术研究过程中，对喷涂操作方式、控制方式进行了细化。在实际应用过程中，所研究的技术与人工处理技术相比，极大地缩短了耗时，并降低了水资源和喷涂原料的使用量。

0  引言

随着现代工业技术的不断发展，机器代替人工已经成为行业发展的主流趋势[1]。在此背景下，无人机因其在控制方面表现出的灵活性、在应用方面表现出的便捷性以及在使用效果方面表现出的高效性而受到了各行各业的广泛关注[2]。特别是对于危险性较高或人力资源消耗较大的工作而言，无人机的应用不仅可以有效提高工作质量，同时也可以缩短工作时间[3]。其中，带电水冲洗作业是对正在运行的电力设备进行清洗，受运行需求的影响，部分电力设备不具备停运清洗的条件，必须在带电的条件下对其进行水源清洗，该操作具有较高的危险性[4]。在喷涂施工过程中，当待施工面积加大时，需要的人力资源开销会明显上升，且最终的喷涂质量与施工人员的专业性直接相关，这也是导致喷涂效果难以得到有效控制的关键[5]。无人机作为近些年来新型的科技产物之一，可以通过远程控制的方式对无人机的运行状态进行自主调节，并且通过在无人机上搭载对应的设备实现多种应用性功能。结合这一特点，将无人机应用到带电水冲洗和喷涂施工中，具有巨大的开发和研究空间[6]。

在此基础上，本文对无人机带电水冲洗与喷涂技术进行研究，并通过实际应用测试的方式分析验证了该技术的效果，希望能够为无人机在更多领域的深度应用提供一定的参考。

1  无人机带电水冲洗技术研究

1.1无人机冲洗方向

一般情况下，电力设备表面会覆盖一层绝缘子层，当绝缘子层表面处于潮湿状态时，待清洗的污秽物会在外力作用下溶解[7]，当外力作用为雨水时，待清洗的污秽物会悬浮在水膜表面，但无论是何种形式，最后都会在重力的作用下出现下坠趋势[8]。

当待清洗的污秽物积累到一定规模时，会在设备的下端凝结，这就使得设备的上表面相对干净。以此为基础，在利用无人机实施带电水冲洗时，水柱需要按照从下向上的方向喷射，只有这样才能确保冲洗效果，达到有效去除设备表面污秽物的作用[9]。

其次就是对无人机冲洗角度的控制，水柱与无人机中心轴的夹角成90°时，对应的清洗效果最好，但是考虑到无人机的使用安全要求，在实际应用阶段可以调整至60°。

1.2无人机水柱形状

在利用无人机对电力设备表面进行冲洗时，大多采用扇形水柱，这也是高压冲洗过程中最为常用的水柱形式之一。在应用效果上，扇形水柱具有冲刷面积大的特点，可以在一定程度上提高冲洗的效率。

但需要注意的是，扇形水柱也存在一定的弊端，与圆柱形水柱相比，在相同的水压条件下，扇形水柱的有效冲洗距离相对较短。因此，在实际的应用过程中，需要结合实际情况对无人机水柱进行差异化选择。

具体的选择标准如表1所示。

按照表1所示的方式，结合待冲洗设备的实际情况，合理选择无人机对应的水柱形状。

需要注意的是，当无人机采用的水柱类型为扇形时，在进行冲洗的过程中需提供更高的压力。这就意味着需要更大压力水泵或加压机装置为无人机的输出提供动力，此时就需要结合无人机的实际荷载能力，对具体的水柱形状进行选择。

结合上述分析，当无人机的荷载能够承担水泵的重量时，在允许的条件下首选扇形水柱，当无人机的荷载不能够承担水泵的重量时，选择圆柱形水柱进行清洗。

1.3 无人机清洗用水

对带电水冲洗作业实施的相关要求进行分析可知，采用的清洗用水结合实际的应用环境需要进行差异化设置，只有这样才能保障作业的安全性。在此基础上，本文结合衡量水的导电能力的指标参数——水电阻率，对无人机带电水冲洗的水源标准进行设置。本文以20 ℃条件下单位体积水的电阻为指标，设计的无人机带电水冲洗作业用水标准如表2所示。

按照表2所示的方式，根据无人机带电水冲洗环境的实际情况，有针对性地选择对应的冲洗水。需要注意的是，在对绝缘子进行带电水冲洗时，冲洗水本身不属于纯绝缘介质材料，因此可以将绝缘子上带电部分看作是带电导体在电阻的作用下处于接地状态，此时水冲洗与用绝缘杆进行带电操作的原理基本一致。通过这样的方式，可以实现对带电设备的安全冲洗。

上面已经提到，冲洗水并非绝对绝缘体，因此会产生一定的泄漏电流，为了保障无人机及周围环境的安全，本文对该部分进行了细化研究。泄漏电流的两条回路，一条经由水柱、喷嘴、人体入地，另一条经绝缘子表面泄漏电阻入地。保障经人体入地回路的电流强度满足人体安全要求，经绝缘子表面入地回路的电流满足设备安全要求，是实施带电水冲洗的另一个重要内容，针对此，本文通过对水柱长度进行差异化设置，控制通过人体泄漏电流的强度。

具体的控制标准如表3所示。

按照表3所示的方式，设置无人机带电水冲洗水柱的长度，在实施水冲洗的过程中，需要为喷嘴和水龙头设备表面设置防雨罩，以保障冲洗效果能够达到预期。

1.4无人机冲洗方式

在冲洗绝缘子时，需要按照一定的顺序进行。当待冲洗的绝缘子串处于垂直安装状态时，按照由下往上的顺序进行冲洗；当待冲洗的绝缘子串处于耐张状态时，优先冲洗带电体侧的绝缘子结构，最后冲洗接地端的绝缘子结构。当待冲洗的电力设备中包含不同的两相时，要避免同时冲洗，并防止水柱跨接两相，以降低出现短路情况的概率。在实际的冲洗过程中，也有可能会由于电压分布的改变出现电火花，此时可以直接利用冲洗的水柱对火花进行处理，直至火花熄灭为止。部分设备可能存在密封不良或表面绝缘子层存在缺陷的情况，冲洗水柱也要避免与该类部位发生接触。

2  无人机喷涂技术研究

2.1喷涂操作方式

在利用无人机实施喷涂操作时，只需将无人机定位在待喷涂环境的顶端，操作人员在固定地点对无人机的飞行姿态进行控制，一般情况下，对应的飞行方式分为上下竖排工作模式和左右横排工作模式两种。在四轴螺旋桨操作系统的控制作用下，无人机借助摄像头采集工作面的实际情况，并通过调节喷头的角度实现对死角的喷涂。借助这样的方式，窗框、墙角等复杂空间范围也可以实现完整喷涂。在此基础上，借助无人机工作区间模块化的设置方式，当完成对当前区间的喷涂后，通过增加供电供料管的长度，无人机可以在无人工参与的条件下直接前往下一个施工区间。

2.2喷涂控制方式

当无人机内涂料需要补充时，工作人员在涂料基站增加涂料的供给压力，将涂料输送到无人机的储存罐中，通过这样的方式确保无人机实现连续工作。结束喷涂施工后，拆下基站连接的供料管，并通过减压的方式将管内剩余的涂料反流到容器。需要注意的是，无人机喷枪的喷射范围直接决定了其飞行的间距，保持二者处于一致的状态，可避免喷涂效果出现厚度超标或喷涂不完整的问题。对于无人机喷枪角度的控制，通过软胶皮管建立喷枪喷射管与涂料罐之间的连接关系，将杆件转动固定在喷射管两侧，以此实现对喷枪角度的360°控制调节。

3  应用测试与分析

3.1测试环境

本文以某电力企业的220 kV配电网设备为目标进行测试，对应的测试环境如图1所示。

对该配电网的基础设施情况进行分析，已经连续运行622天，受周围环境影响，设备和线路表面存在明显的附着物，一定程度上影响了供电安全；对设备表面的绝缘涂层情况进行观察，部分区域已经出现破损，严重威胁配电环境安全。在此基础上，分别采用人工方法和无人机方式对两组相同规模的配电结构进行清洗，并在干燥状态下进行绝缘材料的喷涂，分别统计对应的施工效果。

3.2测试结果与分析

分别统计不同处理技术下对应的处理效果，得到的数据结果如表4所示。

通过对表4中的数据进行对比可以看出，利用本文所提无人机处理技术对测试配电网设备进行清洗时，在相同施工规模下，对应的时间开销仅为2天，与人工处理方法相比缩短了1.5天，用水量也减少了39.1 m3。在进行喷涂施工时，本文所提无人机处理技术完成施工的耗时为2.5天，用料量为5.2 L，与人工处理方法相比均分别降低了1/2左右。通过测试结果可以得出以下结论：利用无人机实施带电水冲洗与喷涂施工时，可以有效缩短耗时，减少资源使用量。

4  结语

利用无人机实施带电水冲洗和喷涂施工不仅可以在极大程度上保障施工的安全性，同时也可以有效提高施工的效率和质量。本文对无人机带电水冲洗和喷涂技术进行了研究，在明确了相关技术具体实施方式的基础上，以实际环境为基础，分析测试了所提技术的应用效果。希望本文的研究能够为加速无人机在更多领域的应用提供有价值的帮助。

审核编辑：汤梓红