随着我国社会用电量的持续攀升,地下电缆排管作为城市供电的"神经中枢",正面临前所未有的安全考验。目前全国已建成的地下电缆排管总长度超100万公里,其中直径小于20厘米的小口径管道占比达76%,这些埋深3-4米的玻璃钢/PVC管道,在高密度城区供电网络中承担着90%以上的输电任务。但极端天气频发与长期高负荷运行,易引起电缆表皮老化、甚至引发火灾,近三年因排管内部故障引发的城市停电事件频繁出现。

图1-1、1-2地下电网和地下电缆排管

因此需要定期对地下排管电缆进行安全检查,以保证电缆能够安全稳定工作,防患于未然。然而,传统的人工巡检方式在狭小排管空间中已陷入全面被动。现有技术只能通过间隔数百米开挖检修井的"破土检测"方式作业,这种“管中窥豹”的方式需要调动挖掘机、吊装设备及10人以上班组协同作业,单次检测成本超过5万元。更严峻的是,这种检测方式仅能覆盖不足50%的管道总长度,对于弯道、积水段等复杂区域漏检率50%以上。国家电网运维数据显示,2024年因排管内部隐患未及时发现导致的电缆自燃事故,造成直接经济损失超120亿元,间接影响居民用电超300万户次。

图2-1、2-2人工开挖巡检电缆发生突发事故

据测算,若采用传统方式完成全国地下电缆排管的全面检测,需投入资金超1.2万亿元,且至少需要15年周期。而城市用电负荷仍在以每年5.8%的速度增长,极端高温天气下部分区域电缆温度已逼近90℃安全临界值,如何突破"人工巡检低效、传统设备失灵"的技术困局,成为保障城市能源安全的当务之急。

"巡脉电龙"智能巡检机器人项目团队,基于华北电力大学(保定)的科研积累,针对地下排管"空间受限、环境恶劣、通信中断"三大技术痛点,整合机械结构创新与智能传感技术,开发出适用于小口径管道的新型巡检装备,为破解城市地下电缆运维难题提供了系统性解决方案。

图3-1、3-2“巡脉电龙”排管电缆新型智能巡检机器人

巡脉电龙——新型智能管道巡检机器项目研制的异形窄小腔体内自主测温机器人在电力电缆运行维护过程中与同样在研的排管电缆巡检机器人不同,该项目机器人具有许多优势,如无需抽出电缆并实现带电作业,能够为城市管理人员带来更好的电缆维护工作体验。该项目在设计上结合了多项创新性的先进技术,主要包括:

两段式机械结构和顶支撑行走结构:机器人前后机体可分段进行独立旋转,保证机器人管道内越障功能的实现。在前后机体上部和左右两侧外设置万向轮,通过各万向轮与管壁接触获得正向压力,以实现机器人贴紧管壁行走,在确保运行速度的同时,避免了与电缆外部的接触,减少了对电缆外皮的损伤智能巡检功能

图4-1、4-2两端式结构和管道运动模拟实验示意图

构建电缆故障特征仿真库和故障检测模型:该项目构建了全网第一个基于热电耦合的排管电缆故障特征仿真库,利用Ansys软件平台,对电缆排管中的温度场进行精准预测,特别是在满负荷运行时,通过热力学分析精准模拟出电缆表皮破损引发的温度变化。项目团队在此基础上又研制了一种基于RF-DETR的轻量化故障检测模型。该检测模型采用了RF-DETR架构,并对其进行了轻量化改进,同时加入GELAN模块,并引入VMamba骨干网络:显著增强了机器人在实际应用中的推理能力和稳定性,确保机器人能够在多变的工作环境中准确识别电缆故障并及时报告。

图5-1、5-2地下电缆故障特征仿真图和故障检测识别结果示意图

某科技公司的高级工程师评价:“该团队自组建以来持续关注地下排管电缆的巡检问题,在前期实践调查中收集了大量的一手研究资料,具有较为丰富的研究和实践经验。并在后期的研究过程中,针对排管电缆巡检的难点问题不断突破创新,研制出了地下排管电缆智能巡检机器人。该作品在充分实践调研的基础上,结合先进技术,针对地下排管电缆中的重点问题进行研究,通过视觉识别、管内运动、无线通信等创新技术,研制了一款适用于多种排管电缆的智能巡检机器人,能够实现免接触带电巡检,是一项具有较大现实意义和创新价值的研究项目。”

随着"巡脉电龙"项目的持续推进,这款集成多模态通信技术与智能检测系统的巡检机器人,已在模拟管道环境中实现98.7%的连续作业成功率。目前项目相关成果经科技查新确认为国内首创。在国家地下管网智能化战略的推动下,该机器人正从实验室走向产业化应用,其带电检测功能可使单次巡检成本降低83%,预计未来3年将覆盖全国30%的地下电缆排管运维市场,为城市电网安全筑起智能防护屏障,推动能源基础设施运维进入"机器人智能化巡检新时代"。

（籍胤恺 陈治蒙)

 

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