潘斌，唐捷，李偉克，謝繼強，楊維克

(1.廣東電網(wǎng)公司韶關供電局，廣東韶關512026；2.長沙電力職業(yè)技術(shù)學院，湖南長沙410131；3.長沙南網(wǎng)電氣有限公司，湖南長沙410011)

一種新的基于全視角技術(shù)的高壓設備在線巡檢裝置

潘斌1，唐捷1，李偉克1，謝繼強2，楊維克3

(1.廣東電網(wǎng)公司韶關供電局，廣東韶關512026；2.長沙電力職業(yè)技術(shù)學院，湖南長沙410131；3.長沙南網(wǎng)電氣有限公司，湖南長沙410011)

變電站的一些高壓設備由于其位置、角度等原因，巡檢人員難以看到設備安全狀況，設備的安全運行存在安全隱患。經(jīng)過研究、實驗為現(xiàn)場巡檢人員提供一種電力設備帶電運行狀態(tài)下開展全視角、近距離設備隱患排查的巡檢裝置。該巡檢裝置使用絕緣材料制作，具備遙控氣動升降功能，能采集全視角設備影像并以無線方式將影像于手持智能終端上再現(xiàn)，完成目前常規(guī)方法所無法完成的高壓設備全視角、全方位在線巡檢。

:全視角；高壓設備；在線巡檢

變電站高壓設備所處高度達數(shù)十米，設備頂部區(qū)域的電氣和機械連接部件，包括銅鋁過渡接頭、絕緣套管、支柱瓷瓶或絕緣子、有載分解開關傳動機構(gòu)等，由于高度和視角的原因，運行人員在日常巡視中難以看到其設備安全狀況。這些部件由于長期受電氣或化學腐蝕、不平衡應力等影響，會導致局部腐蝕、變形、開裂等安全隱患，甚至發(fā)生斷裂，造成嚴重的安全事故。如果未及時發(fā)現(xiàn)并消除這類安全隱患，電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)受到很大的威脅。為排除安全隱患，電力設備運維單位最常用的方法是在電力設備計劃停電的情況下，由專業(yè)檢修人員到達隱患所處的設備高空位置進行排查〔1〕。采取這種方法需要將電力設備操作停電、再安排工作人員登高檢查，因此存在工作安排復雜、隱患發(fā)現(xiàn)效率低、時效性差等問題，并增加了高空作業(yè)人員的人身安全風險。

目前在針對電力設備部件帶電巡檢手段方面，除巡檢人員到現(xiàn)場憑肉眼或望遠鏡檢查以外，還有巡檢智能機器人〔2〕，它可攜帶紅外熱像儀、可見光CCD等，對變電站設備開展全天候、全方位、全自主地無人值守巡檢。但是，巡檢機器人自身高度僅有1.1 m左右，同人工巡檢一樣，只能對變電站的高空設備進行 “仰視”檢查，由于視角和高度原因存在無法視及的設備死角。其他應用較廣的方法有紅外成像法和超聲波檢測法，采取紅外成像法可進行遠距離、非接觸性設備缺陷檢測，但該方法只能反映設備發(fā)熱異常并進行隱患分析，對傳動部件等非電氣部位隱患無能為力；采取超聲波檢測法〔3〕可檢測到設備內(nèi)部的裂紋和缺陷，但多數(shù)情況下需要停電進行接觸式檢測，檢測要求高、工作量大，且有些設備部位根本無法檢測。

本文的研究目的即為現(xiàn)場巡檢人員提供一種可在電力設備帶電運行狀態(tài)下對其開展全視角、近距離設備隱患排查的有效工具。采用這種工具，能夠?qū)ρ矙z人員由于其觀察視角及所處高度等原因，無法有效發(fā)現(xiàn)的高壓設備潛在隱患進行及時排查。在隱患排查過程中該工具可以提供高壓設備在線健康狀態(tài)的分析預判數(shù)據(jù)，確保變電站高壓設備的安全穩(wěn)定運行?？梢詫崿F(xiàn)高壓設備在線巡檢無需停電，而且巡檢的速度較以往大幅提高，有效的提升電力企業(yè)的工作效率與效益。

1 基于全視角技術(shù)的高壓設備在線巡檢裝置構(gòu)想

研究的總體目標是研制出一套基于全視角技術(shù)的高壓設備在線巡檢裝置?；谏鲜鍪褂眯枨?，初步設計該裝置構(gòu)架見圖1。

巡檢裝置關鍵部件使用絕緣材料，具備升降功能，能在輕型全視角圖像采集云臺上采集設備影像并將影像于手持平板設備 (預裝配套客戶端軟件)上再現(xiàn)。在使用時，通過客戶端操控軟件，巡檢人員只要對手持設備做簡單操作，就可在高壓設備帶電運行情況下，完成目前常規(guī)方法所無法完成的高壓設備全視角、全方位在線巡檢。

依照該裝置的主要特點，研究內(nèi)容主要包括4個子任務:基于 “移動互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的抗干擾可見光CCD(圖像控制器)研發(fā)；絕緣升降機構(gòu)材料及模具的研究與設計；輕型全視角圖像采集云臺及便攜式可移動絕緣升降機構(gòu)研發(fā)；移動智能終端(智能手機、平板電腦等)操控軟件研發(fā)。

圖1 全視角在線巡檢裝置集成架構(gòu)示意圖

2 基于 “移動互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的抗干擾可見光CCD研發(fā)

可見光CCD(圖像控制器)可直接將光學信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現(xiàn)〔4〕。實際使用中，通常將獲取的圖像通過電纜傳送到電腦終端進行處理和復現(xiàn)，但由于本文研制的全視角在線巡檢裝置需要具備在高電壓、強電場環(huán)境下使用時的絕緣和抗干擾性能，因此擬基于“移動互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，將可見光CCD獲取的設備細節(jié)圖像通過移動互聯(lián)網(wǎng)、采取無線方式傳輸?shù)揭苿又悄芙K端 (智能手機、平板電腦)進行處理和復現(xiàn)。

ADDI9020是一款高集成度CCD信號處理器，該CCD信號處理器具備完整的前端電路，包括:黑電平鉗位、可變增益CDS(縮短請求響應時間)以及1個12 bit的ADC(模數(shù)變換器)；可編程時序發(fā)生器可以提供所有必須的CCD時鐘:RG、H時鐘 (5個)、V時鐘 (12個)、傳感器門限脈沖、基底時鐘以及基底偏置控制；60 MHz的ADC；7個GPIO通用端口，用于系統(tǒng)功能。作者在CCD的設計上初步考慮采用基于ADDI9020的CCD攝像機的前端方案。該方案最高可支持到1280(H) ×720(V)＠30Frame/s的視頻格式〔5〕。

3 絕緣升降機構(gòu)材料及制作工藝的研究與設計

1)絕緣材料的選擇

要安全、可靠地實現(xiàn)高壓設備帶電狀態(tài)下的全視角巡檢，一個必要的前提是升降機構(gòu)必須符合電氣絕緣性能、支撐性能、氣動性能的要求。根據(jù)氣壓驅(qū)動型升降機構(gòu)的初步設計，要實現(xiàn)升降機構(gòu)符合絕緣性能，各節(jié)升降桿必須使用絕緣材料制作；同時要實現(xiàn)升降功能，還要符合支撐性能、氣動性能的要求，各節(jié)升降桿又必須具有一定的強度以及較好的機械性能。國內(nèi)外尚無過使用絕緣材料制作氣壓驅(qū)動型升降機構(gòu)升降桿的先例，選取合適的絕緣材料這是作者面臨的技術(shù)難點之一。

該絕緣材料首先應具有較高的絕緣電阻和耐壓強度，并能避免發(fā)生漏電、擊穿等事故；其次耐熱性能要好，不會因長期受熱而老化變質(zhì)；此外，還應有良好的導熱性、耐潮性和較高的機械強度以及工藝加工方便等特點。

通過對絕緣材料進行性能分析，選取環(huán)氧樹脂作為升降機構(gòu)主支撐的絕緣材料。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的物理機械和絕緣性能、與各種材料的粘接性能、以及其使用工藝的靈活性是其他熱固性塑料所不具備的〔6〕。因此它能制成復合材料、模壓材料、注射成型材料和擠壓拉拔成型材料。

2)制作氣動絕緣桿工藝的研究與設計

為了制作氣動絕緣桿，使其不但具備絕緣桿的支撐功能，還要具備氣壓驅(qū)動型升降機構(gòu)的氣動缸功能，需要研究氣動絕緣桿的成型技術(shù)，設計氣動絕緣桿的一體化成形模具，研制符合全視角在線巡視性能要求的絕緣氣動缸。

環(huán)氧樹脂的高壓電氣制品目前普遍采用真空澆注成型技術(shù)，但澆注制品內(nèi)部和表面的氣隙和氣泡，產(chǎn)生裂紋和內(nèi)部應力，特別是表面不平整等缺陷達不到氣動缸的運動工藝要求和強度要求。

氣動絕緣桿因為形狀特殊，且同時要滿足缸體和桿體二種功能要求，強度和工藝性能要求高，達不到要求就容易產(chǎn)生爆裂或卡死。經(jīng)過對環(huán)氧樹脂的各種成型工藝反復的試驗，采用模擬氣動桿的運動過程實現(xiàn)的擠壓拉拔成型工藝制作出的氣動絕緣桿比較符合氣動缸的各項工藝和強度要求。但是環(huán)氧樹脂必須經(jīng)過特殊工藝改造后才能夠?qū)崿F(xiàn)工藝要求。

4 輕型全視角圖像采集云臺及便攜式可移動絕緣升降機構(gòu)研發(fā)

變電站高壓設備的高度達數(shù)十米，在設備帶電運行情況下，巡檢人員或智能巡檢機器人由于視角和高度原因，根本無法及時發(fā)現(xiàn)設備頂部等 “看不到”或 “看不清”的死角位置隱患。為擴展和延伸觀察范圍，需要開發(fā)可集成可見光 CCD的“輕型全視角圖像采集云臺”及 “便攜式可移動絕緣升降機構(gòu)”。

1)輕型全視角圖像采集云臺

“輕型全視角圖像采集云臺”是安裝、固定CCD的支撐設備，可保證攝像頭實現(xiàn)水平360°旋轉(zhuǎn)和不同仰、俯角運轉(zhuǎn)，以獲得更大的視角拍攝設備細節(jié)圖像。輕型全視角圖像采集云臺支持調(diào)整攝像頭焦距、景深、光圈，以便于獲得更好的圖像采集效果。云臺內(nèi)置電源模塊、wifi模塊、通訊管理單元，為云臺的運轉(zhuǎn)提供動力，可以靈活組建無線環(huán)境，并將CCD獲取的圖像采取無線方式傳輸?shù)降孛嫜矙z人員攜帶的移動智能終端 (智能手機、平板電腦)上進行處理。為了便于移動升降機構(gòu)穩(wěn)定托舉，云臺的結(jié)構(gòu)采用緊湊型輕型設計。如圖2所示。

圖2 云臺結(jié)構(gòu)設計圖

2)便攜式可移動絕緣升降機構(gòu)

目前使用的自動升降機構(gòu)有多種類型，從起升結(jié)構(gòu)形式上一般分為圓柱形、方柱形和人字塔形。從驅(qū)動形式上分有電動型、液壓型、氣動型。不同形式的升降裝置有其各自的特點，根據(jù)使用條件、使用要求的不同有著各自的適應范圍。

研制的 “便攜式可移動絕緣升降機構(gòu)”主要用于支撐和托舉輕型全視角云臺，并可根據(jù)待巡檢設備的實際情況將云臺送達合適的高度。因此升降機構(gòu)必須符合電氣絕緣性能，并滿足電氣耐壓和支撐性能要求。變電站檢測點分布很廣，為便于巡檢人員攜帶和操作，升降機構(gòu)要做可移動式輕量化設計。綜上所述，該升降機構(gòu)擬采用氣壓驅(qū)動型。

5 移動智能終端 (智能手機、平板電腦等)操控軟件研發(fā)

為了使巡檢人員能夠在地面安全距離以外、手持移動智能終端即可實現(xiàn)對高空中全視角圖像采集云臺的控制，還必須開發(fā)基于移動互聯(lián)網(wǎng)和智能終端應用操作軟件。通過終端操控軟件，巡檢人員只要對手持設備做簡單操作，就可在高壓設備帶電運行情況下，完成目前常規(guī)方法所無法完成的高壓設備全視角、全方位在線巡檢。

6 小結(jié)

本文研發(fā)的這種新的基于全視角技術(shù)的高壓設備在線巡檢裝置，能在電力設備帶電運行狀態(tài)下對其開展全視角、近距離設備隱患排查，解決的目前對設備停電在安排檢查過程中工作流程復雜、隱患發(fā)現(xiàn)效率低、時效性差等問題，并有效保障了作業(yè)人員的人身安全風險。

〔1〕陳貴亮，聶曉濤，黃強，等.專業(yè)巡檢在電力設備狀態(tài)檢修中的重要作用 〔J〕.安徽電力，2003(2):57-59.

〔2〕周立輝，張勇生，孫勇，等.智能變電站巡檢機器人研制及應用 〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2011，35(19):85-88.

〔3〕李德軍，沈威，郭志強.GIS局部放電常規(guī)檢測和超聲波檢測方法的應用比較 〔J〕.高壓電氣，2009，45(3):99-103.

〔4〕許文海，吳厚德，等.超高分辨率CCD成像系統(tǒng)的設計 〔J〕.光學精密工程，2012，20(7):1603-1610.

〔5〕夏元杰，段紅建，石欣，等.多視場定焦距CCD攝像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計及調(diào)校 〔J〕.光學應用，2012，33(2):2400-2404.

〔6〕劉曉蓓，王曉潔，惠雪梅.耐高溫環(huán)氧樹脂研究進展 〔J〕.玻璃鋼/復合材料，2013(3):118-121.

New On-line Inspection Device for High Voltage Equipment Based on Full-angle View Technology

PAN Bing1，TANG Jie1，LI Weike1，XIE Jiqiang2，YANG Weike3
(1.Guangdong Grid Co Shaoguan Power Supply Bureau，Shaoguan 512026，China；2.ChangSha Electric Power Technical College，Changsha 410131，China；3.Changsha Southern Grid Electric Co.，Ltd.，Changsha 410011，China)

The inspection personnel are difficult to see the safety status because of the position and angle of some high-voltage equipments in substation.And the potential safety hazards will bring a great threat to the safe operation of equipment.After the study and experiment the author proposed an inspection device which can carry out full-angle and close-range inspection for protential defects for operating equipment.The inspection device is made of insulating material equipped with remote control pneumatic lifting.Itcan capture the image offull angle and wirelessly transmitimages to hand-held intelligentterminal，helping to inspect the high-voltage equipment with the full-angle and close-range view，which cannotbe completed by the conventional method.

full-view angle；high-voltage equipment；inspection device；on-line inspection

TN881；TM919.8

:B

:1008-0198(2017)02-0060-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.014

2017-01-11

南方電網(wǎng)公司科技項目 (GDKJXM00000051)

潘斌(1967)，本科，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)及設備管理工作。

唐捷(1979)，博士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修、營銷客服、需求側(cè)管理等工作。