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)濟發(fā)展的第一驅動(dòng)力，在各國間能源博弈日趨激烈的當下，如何加速我國能源結構轉型升級，引領(lǐng)世界能源發(fā)展，已成為能源行業(yè)亟須解決的問(wèn)題之一^[1]。作為保障供電可靠性的重要電力設備，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中不可或缺的重要設備之一，主要起控制和保護設備的作用。當系統正常運行時(shí)可以切斷空載電流或負荷電流；當系統發(fā)生故障導致負荷電流激增時(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(guò)負荷電流），從而達到保護系統正常運行的作用。由于高壓斷路器長(cháng)期在戶(hù)外經(jīng)受風(fēng)吹雨打，并且持續高強度的使用，機械結構、觸頭磨損，分合閘二次機構等故障問(wèn)題日益凸顯，斷路器相關(guān)部件老化、損壞，使斷路器容易出現危急或緊急的缺陷，甚至影響電網(wǎng)安全穩定運行。然而傳統斷路器檢測需要人工接線(xiàn)、單臺試驗時(shí)間長(cháng)達70 min，檢測時(shí)間較長(cháng)且準確率難以保證，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(wèn)題。

根據新型電力系統建設要求，提升電網(wǎng)工作標準化水平，提高檢修人員日常巡檢的工作效率，強化班組數字化建設，增強供電服務(wù)質(zhì)量。目前高壓斷路器的檢測主要分為二次回路檢測、機械特性檢測和回路電阻測試3項，檢測基本由檢修人員在現場(chǎng)進(jìn)行。同時(shí)現有高壓斷路器檢測存在儀器眾多、檢測不同項目需要更換不同儀器、接線(xiàn)、頻繁插接插頭等問(wèn)題。針對上述問(wèn)題本文開(kāi)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)現一次連接、一鍵測量、智能檢測，大幅縮短檢測時(shí)間。

1   現狀分析

2020 年習近平總書(shū)記提出了“碳達峰、碳中和”目標，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，率先發(fā)布行動(dòng)方案，通過(guò)建設以新能源為主體的新型電力系統來(lái)助力目標的實(shí)現。隨著(zhù)城市建設不斷加快，電網(wǎng)規模也快速發(fā)展，伴隨的是變電站數量在日益漸增。因此也加大了工作人員對于站內相關(guān)設備的檢修工作，高壓斷路器作為站內使用頻率最高的設備，其中某些部件會(huì )出現老化或損壞等問(wèn)題，如何做到快速、準確的檢測到故障信息，實(shí)現安全可靠的供電，成為當下亟須解決的問(wèn)題之一。

目前高壓斷路器的檢測主要分為二次回路檢測、機械特性檢測和回路電阻測試3 項，檢測工作基本由檢修人員在現場(chǎng)進(jìn)行?，F有高壓斷路器檢測儀器眾多、檢測項目不同需要更換不同儀器、接線(xiàn)、頻繁插接插頭等問(wèn)題。傳統高壓斷路器的診斷基本由檢修人員在現場(chǎng)進(jìn)行檢測與維護，檢測時(shí)間較長(cháng)且準確率難以保證，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，連接試驗線(xiàn)、夾子與斷路器航空插頭的插針，稍有不慎就會(huì )出現接線(xiàn)錯誤的情況，出現觸電等事故，給檢修人員的生命造成嚴重的威脅。

通過(guò)對以往斷路器檢測試驗的分析和研究，發(fā)現傳統高壓斷路器檢測裝置面臨如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1.1 試驗項目單一

傳統高壓斷路器檢測受集成度影響，斷路器機械特性測試、斷路器二次回路試驗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目，則需要攜帶多個(gè)試驗裝置，并在試驗時(shí)多次接線(xiàn)。接線(xiàn)過(guò)程中需要檢修人員時(shí)刻保持高度專(zhuān)注，數量龐大的接線(xiàn)端子相互連接，稍有不慎就會(huì )出現接線(xiàn)錯誤的情況，在高壓的情況下，不僅會(huì )造成設備短路，還會(huì )對檢修人員的生命造成嚴重的威脅。

1.2 數據管理分散

傳統高壓斷路器試驗裝置數據均存儲于試驗裝置本體，除本體分析可在裝置上完成，讀取數據均需借助存儲介質(zhì)手動(dòng)進(jìn)行。該種數據管理模式下，數據利用率低，不利于后續深度分析。且裝置本體存儲容量有限，生成數據格式固定，從長(cháng)遠來(lái)看，不利于試驗歷史數據回溯。

1.3 診斷方式落后

長(cháng)期以來(lái)，傳統高壓斷路器試驗裝置診斷流程為：人工測量→合上蓋板→查詢(xún)標準→數據對比。檢測完成后，還需要對檢測數據進(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據的評估仍然依靠人工進(jìn)行，數據分析方式原始低效，對人工的經(jīng)驗和素質(zhì)要求較高，存在效率低和可靠性差的問(wèn)題。

1.4 迭代升級困難

傳統高壓斷路器試驗裝置硬件一般不具備大容量數據存儲介質(zhì)，且功能升級均需廠(chǎng)商線(xiàn)下更新固件，手動(dòng)燒錄花費時(shí)間較久。受限于初始設計，裝置可實(shí)現功能上限較低，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(wèn)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備進(jìn)行反復測試獲得機械特性檢測、二次端子檢測、回路電阻測試等一系列檢測數據，而現有高壓斷路器檢測儀器眾多、檢測不同項目需要更換不同儀器、接線(xiàn)、頻繁插接插頭等問(wèn)題。

根據高壓斷路器智能檢測裝置的實(shí)際功能設定，對應的檢測儀應具備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，應實(shí)現機械特性檢測、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框圖如圖1所示。

2.2 方案實(shí)施

通過(guò)對方案逐項分解，以及各模塊預先設計的功能，經(jīng)過(guò)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 硬件系統設計

1）CPU 模塊設計

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(cháng)時(shí)間連續供電、適應各種檢測場(chǎng)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(xiàn)端子排上對應的接線(xiàn)端子電連接，使得標準接口里集成了斷路器試驗所需的所有回路接點(diǎn)，所以當需要對某個(gè)高壓斷路器進(jìn)行試驗時(shí)，只需將高壓斷路器試驗裝置與該高壓斷路器連接的標準接口插接，即可通過(guò)高壓斷路器試驗裝置實(shí)現對斷路器的一鍵試驗。

4）控制模塊

高壓斷路器智能檢測裝置的控制模塊通過(guò)外接鍵盤(pán)實(shí)現與CPU 模塊的接口融合，檢修人員通過(guò)鍵盤(pán)選擇斷路器的型號參數。

2.2.2 軟件系統設計

一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置通過(guò)C 語(yǔ)音進(jìn)行編程，運行和編譯均在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)間和準確度，大幅度節省工作時(shí)間。

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

3 現場(chǎng)應用

一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置通過(guò)接線(xiàn)端子排、第一連接線(xiàn)纜和標準接口與高壓斷路器相連接，在裝置上的設置面板設定不同廠(chǎng)家、型號的斷路器參數后，通過(guò)CPU 和測量模塊對被測斷路器進(jìn)行自動(dòng)快速測試并在屏幕上顯示測量情況。實(shí)現一次連接、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(xiàn)工作的效率。

目前已受權發(fā)明專(zhuān)利2 項：

201910834029.2《一種用于高壓斷路器快速檢測的柔性接線(xiàn)裝置》、201910842869.3《一種基于大數據技術(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的高壓斷路器檢測有了極大的優(yōu)化，顯著(zhù)提高了斷路器試驗的集成度，使研究和工作運行人員充分了解設備健康狀態(tài)，提高設備監督管理水平、減少停電時(shí)戶(hù)數，提高用戶(hù)供電可靠性，并以此制定合理的檢修維護策略。目前經(jīng)相關(guān)部門(mén)檢測認證：《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(wú)負面影響，可以全面推廣應用。

4 效益分析

一鍵式高壓斷路器智能檢測裝置的現場(chǎng)成功應用在檢測成功率、檢測速度及社會(huì )效益等三方面帶來(lái)了顯著(zhù)效益。

4.1 檢測速度

利用CPU 替代了傳統的人工檢測，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(lái)的人工70 min 減少至8 min，提高效率8 倍，實(shí)現了工作效率的質(zhì)的飛躍。裝置自帶交直流電源、及各廠(chǎng)家航空插頭，提高了檢測數據的準確性、穩定性，避免了對設備的誤判斷。

4.2 社會(huì )效益

本裝置支撐了“大運行、大檢修”下的安全生產(chǎn)運行體系，降低供電事故停電幾率，減少了停電的損失，提高了檢修人員運行及維護的效率和電網(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 結束語(yǔ)

本文所研制裝置以現場(chǎng)生產(chǎn)存在的實(shí)際問(wèn)題作為切入點(diǎn)，基于“來(lái)源于生產(chǎn)，服務(wù)于生產(chǎn)”的研制理念，本著(zhù)保障現場(chǎng)安全生產(chǎn)的態(tài)度，提升現場(chǎng)工作效率的研制目的，通過(guò)現場(chǎng)調研，設計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)，斷路器機械特性測試、斷路器二次回路試驗和斷路器回路電阻測試等常見(jiàn)試驗集成到一臺裝置中。實(shí)現一次連接、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(xiàn)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：

[1] 趙旭州.智能電網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢理解方法研究[D].北京:華北電力大學(xué),2021.

[2] 郭建峰,張思遠,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].電氣應用,2015,34(04):52-54.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）