一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置的研制

0   引言

能源作為世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第一驅(qū)動力，在各國間能源博弈日趨激烈的當(dāng)下，如何加速我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，引領(lǐng)世界能源發(fā)展，已成為能源行業(yè)亟須解決的問題之一^[1]。作為保障供電可靠性的重要電力設(shè)備，高壓斷路器已廣泛使用在各種電壓等級的電網(wǎng)中，其所發(fā)揮的重要作用也是不言而喻^[2]。

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要設(shè)備之一，主要起控制和保護(hù)設(shè)備的作用。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)可以切斷空載電流或負(fù)荷電流；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致負(fù)荷電流激增時(shí)，高壓斷路器由于具備滅弧功能可以切斷故障電流（短路電流和過負(fù)荷電流），從而達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的作用。由于高壓斷路器長期在戶外經(jīng)受風(fēng)吹雨打，并且持續(xù)高強(qiáng)度的使用，機(jī)械結(jié)構(gòu)、觸頭磨損，分合閘二次機(jī)構(gòu)等故障問題日益凸顯，斷路器相關(guān)部件老化、損壞，使斷路器容易出現(xiàn)危急或緊急的缺陷，甚至影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。然而傳統(tǒng)斷路器檢測需要人工接線、單臺試驗(yàn)時(shí)間長達(dá)70 min，檢測時(shí)間較長且準(zhǔn)確率難以保證，檢修人員技術(shù)水平的參差不齊更容易發(fā)生短路、觸電等事故，極不安全。因此亟須研制出一種能夠快速智能檢測的裝置，解決上述問題。

根據(jù)新型電力系統(tǒng)建設(shè)要求，提升電網(wǎng)工作標(biāo)準(zhǔn)化水平，提高檢修人員日常巡檢的工作效率，強(qiáng)化班組數(shù)字化建設(shè)，增強(qiáng)供電服務(wù)質(zhì)量。目前高壓斷路器的檢測主要分為二次回路檢測、機(jī)械特性檢測和回路電阻測試3項(xiàng)，檢測基本由檢修人員在現(xiàn)場進(jìn)行。同時(shí)現(xiàn)有高壓斷路器檢測存在儀器眾多、檢測不同項(xiàng)目需要更換不同儀器、接線、頻繁插接插頭等問題。針對上述問題本文開展了一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置的研究，裝置可以實(shí)現(xiàn)一次連接、一鍵測量、智能檢測，大幅縮短檢測時(shí)間。

1   現(xiàn)狀分析

2020 年習(xí)近平總書記提出了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，為能源發(fā)展提供了一條明確的道路。國家電網(wǎng)公司緊緊圍繞“雙碳”目標(biāo)，率先發(fā)布行動方案，通過建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)來助力目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。隨著城市建設(shè)不斷加快，電網(wǎng)規(guī)模也快速發(fā)展，伴隨的是變電站數(shù)量在日益漸增。因此也加大了工作人員對于站內(nèi)相關(guān)設(shè)備的檢修工作，高壓斷路器作為站內(nèi)使用頻率最高的設(shè)備，其中某些部件會出現(xiàn)老化或損壞等問題，如何做到快速、準(zhǔn)確的檢測到故障信息，實(shí)現(xiàn)安全可靠的供電，成為當(dāng)下亟須解決的問題之一。

目前高壓斷路器的檢測主要分為二次回路檢測、機(jī)械特性檢測和回路電阻測試3 項(xiàng)，檢測工作基本由檢修人員在現(xiàn)場進(jìn)行?，F(xiàn)有高壓斷路器檢測儀器眾多、檢測項(xiàng)目不同需要更換不同儀器、接線、頻繁插接插頭等問題。傳統(tǒng)高壓斷路器的診斷基本由檢修人員在現(xiàn)場進(jìn)行檢測與維護(hù)，檢測時(shí)間較長且準(zhǔn)確率難以保證，檢修人員技術(shù)水平的參差不齊更容易發(fā)生短路、觸電等事故，極不安全。同時(shí)斷路器測試時(shí)需要檢修人員注意力高度集中，連接試驗(yàn)線、夾子與斷路器航空插頭的插針，稍有不慎就會出現(xiàn)接線錯(cuò)誤的情況，出現(xiàn)觸電等事故，給檢修人員的生命造成嚴(yán)重的威脅。

通過對以往斷路器檢測試驗(yàn)的分析和研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)高壓斷路器檢測裝置面臨如下幾個(gè)方面的問題：

1.1 試驗(yàn)項(xiàng)目單一

傳統(tǒng)高壓斷路器檢測受集成度影響，斷路器機(jī)械特性測試、斷路器二次回路試驗(yàn)和斷路器回路電阻測試功能需由不同裝置完成。因此，如需完成全部斷路器測試項(xiàng)目，則需要攜帶多個(gè)試驗(yàn)裝置，并在試驗(yàn)時(shí)多次接線。接線過程中需要檢修人員時(shí)刻保持高度專注，數(shù)量龐大的接線端子相互連接，稍有不慎就會出現(xiàn)接線錯(cuò)誤的情況，在高壓的情況下，不僅會造成設(shè)備短路，還會對檢修人員的生命造成嚴(yán)重的威脅。

1.2 數(shù)據(jù)管理分散

傳統(tǒng)高壓斷路器試驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)均存儲于試驗(yàn)裝置本體，除本體分析可在裝置上完成，讀取數(shù)據(jù)均需借助存儲介質(zhì)手動進(jìn)行。該種數(shù)據(jù)管理模式下，數(shù)據(jù)利用率低，不利于后續(xù)深度分析。且裝置本體存儲容量有限，生成數(shù)據(jù)格式固定，從長遠(yuǎn)來看，不利于試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)回溯。

1.3 診斷方式落后

長期以來，傳統(tǒng)高壓斷路器試驗(yàn)裝置診斷流程為：人工測量→合上蓋板→查詢標(biāo)準(zhǔn)→數(shù)據(jù)對比。檢測完成后，還需要對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，從而確定被檢測的高壓斷路器是否存在安全隱患。但是對于高壓斷路器的檢測數(shù)據(jù)的評估仍然依靠人工進(jìn)行，數(shù)據(jù)分析方式原始低效，對人工的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)要求較高，存在效率低和可靠性差的問題。

1.4 迭代升級困難

傳統(tǒng)高壓斷路器試驗(yàn)裝置硬件一般不具備大容量數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，且功能升級均需廠商線下更新固件，手動燒錄花費(fèi)時(shí)間較久。受限于初始設(shè)計(jì)，裝置可實(shí)現(xiàn)功能上限較低，更新固件后，功能提升并不明顯。

2 技術(shù)方案

2.1 制定方案

為了解決上述技術(shù)問題，我們從高壓斷路器智能檢測裝置的功能入手，確定檢測儀的基本模塊。高壓斷路器的檢測需要對設(shè)備進(jìn)行反復(fù)測試獲得機(jī)械特性檢測、二次端子檢測、回路電阻測試等一系列檢測數(shù)據(jù)，而現(xiàn)有高壓斷路器檢測儀器眾多、檢測不同項(xiàng)目需要更換不同儀器、接線、頻繁插接插頭等問題。

根據(jù)高壓斷路器智能檢測裝置的實(shí)際功能設(shè)定，對應(yīng)的檢測儀應(yīng)具備CPU 模塊、電源模塊、檢測模塊、連接模塊、控制模塊以及顯示模塊共6大模塊，應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械特性檢測、二次端子檢測、回路電阻測試、智能診斷平臺共4大功能。一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 方案實(shí)施

通過對方案逐項(xiàng)分解，以及各模塊預(yù)先設(shè)計(jì)的功能，經(jīng)過查閱資料對比后確定各模塊的實(shí)施流程如下圖所示：

2.2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）CPU 模塊設(shè)計(jì)

本裝置的CPU 模塊使用的是32 位ARM 芯片的微控制器^[3]，具有集成高、功耗低、成本低廉等特點(diǎn)，符合使用需求。

2）電源模塊

采用直流電池供電具有長時(shí)間連續(xù)供電、適應(yīng)各種檢測場合的特點(diǎn)。

3）連接模塊

連接模塊與高壓斷路器連接，高壓斷路器的各個(gè)回路接點(diǎn)與接線端子排上對應(yīng)的接線端子電連接，使得標(biāo)準(zhǔn)接口里集成了斷路器試驗(yàn)所需的所有回路接點(diǎn)，所以當(dāng)需要對某個(gè)高壓斷路器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，只需將高壓斷路器試驗(yàn)裝置與該高壓斷路器連接的標(biāo)準(zhǔn)接口插接，即可通過高壓斷路器試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)對斷路器的一鍵試驗(yàn)。

4）控制模塊

高壓斷路器智能檢測裝置的控制模塊通過外接鍵盤實(shí)現(xiàn)與CPU 模塊的接口融合，檢修人員通過鍵盤選擇斷路器的型號參數(shù)。

2.2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置通過C 語音進(jìn)行編程，運(yùn)行和編譯均在IAR Embedded Workbench 環(huán)境下完成?？梢蕴岣吖ぷ魅藛T測量高壓斷路器的時(shí)間和準(zhǔn)確度，大幅度節(jié)省工作時(shí)間。

由于目前高壓斷路器的檢測數(shù)據(jù)的評估仍然依靠人工進(jìn)行，數(shù)據(jù)分析方式較為原始低效。因此本裝置通過獲取存在故障的同類型的高壓斷路器的檢測數(shù)據(jù)，包括因故障退役的高壓斷路器數(shù)據(jù)、不良狀態(tài)的高壓斷路器數(shù)據(jù)、人為設(shè)定不良或故障的高壓斷路器數(shù)據(jù)；將檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、構(gòu)建圖像，并進(jìn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，使用關(guān)聯(lián)故障類型后的樣本畫像進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練后的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為故障評估模型。通過構(gòu)建圖像，反映高壓斷路器的數(shù)據(jù)特征，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠較好識別的不同的故障類型。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置通過接線端子排、第一連接線纜和標(biāo)準(zhǔn)接口與高壓斷路器相連接，在裝置上的設(shè)置面板設(shè)定不同廠家、型號的斷路器參數(shù)后，通過CPU 和測量模塊對被測斷路器進(jìn)行自動快速測試并在屏幕上顯示測量情況。實(shí)現(xiàn)一次連接、一鍵測量、智能檢測，大幅縮短檢測時(shí)間，提高了檢修人員接線工作的效率。

目前已受權(quán)發(fā)明專利2 項(xiàng)：

201910834029.2《一種用于高壓斷路器快速檢測的柔性接線裝置》、201910842869.3《一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的高壓斷路器狀態(tài)評估方法》。

本檢測裝置對比以往傳統(tǒng)的高壓斷路器檢測有了極大的優(yōu)化，顯著提高了斷路器試驗(yàn)的集成度，使研究和工作運(yùn)行人員充分了解設(shè)備健康狀態(tài)，提高設(shè)備監(jiān)督管理水平、減少停電時(shí)戶數(shù)，提高用戶供電可靠性，并以此制定合理的檢修維護(hù)策略。目前經(jīng)相關(guān)部門檢測認(rèn)證：《一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置》在安全、質(zhì)量、成本等方面均無負(fù)面影響，可以全面推廣應(yīng)用。

4 效益分析

一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置的現(xiàn)場成功應(yīng)用在檢測成功率、檢測速度及社會效益等三方面帶來了顯著效益。

4.1 檢測速度

利用CPU 替代了傳統(tǒng)的人工檢測，大大提高了工作效率，單臺高壓斷路器的檢測時(shí)間從原來的人工70 min 減少至8 min，提高效率8 倍，實(shí)現(xiàn)了工作效率的質(zhì)的飛躍。裝置自帶交直流電源、及各廠家航空插頭，提高了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，避免了對設(shè)備的誤判斷。

4.2 社會效益

本裝置支撐了“大運(yùn)行、大檢修”下的安全生產(chǎn)運(yùn)行體系，降低供電事故停電幾率，減少了停電的損失，提高了檢修人員運(yùn)行及維護(hù)的效率和電網(wǎng)供電的安全可靠性，保障居民生活、企業(yè)生產(chǎn)用電安全。

5 結(jié)束語

本文所研制裝置以現(xiàn)場生產(chǎn)存在的實(shí)際問題作為切入點(diǎn)，基于“來源于生產(chǎn)，服務(wù)于生產(chǎn)”的研制理念，本著保障現(xiàn)場安全生產(chǎn)的態(tài)度，提升現(xiàn)場工作效率的研制目的，通過現(xiàn)場調(diào)研，設(shè)計(jì)研制出一種一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置。采用高度集成化技術(shù)，斷路器機(jī)械特性測試、斷路器二次回路試驗(yàn)和斷路器回路電阻測試等常見試驗(yàn)集成到一臺裝置中。實(shí)現(xiàn)一次連接、一鍵測量、智能檢測等功能，大幅降低檢測時(shí)間。保障了生產(chǎn)一線檢修工作人員的安全及電網(wǎng)安全可靠供電能力，目前已取得了良好效果，具有較好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 郭建峰,張思遠(yuǎn),周剛.變電站三通式SF_6高壓斷路器氣體充氣裝置的研制[J].農(nóng)村電氣化,2021(09):71-73.

[3] 周剛,馮悅鳴,胡海平,等.高壓斷路器智能檢測裝置的研制[J].電氣應(yīng)用,2015,34(04):52-54.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）