任 鵬，楊 帆，任 雁，謝 燁

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司咸寧市供電公司，湖北 咸寧 437100；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司中超建設(shè)管理公司，湖北 武漢 430000）

10 kV專(zhuān)變用戶(hù)多數(shù)采用高供高計(jì)方式計(jì)量，由于換裝失誤、資料錄入錯(cuò)誤、計(jì)量裝置遷移及人為竊電等原因，導(dǎo)致用戶(hù)電費(fèi)結(jié)算互感器變流比與現(xiàn)場(chǎng)互感器實(shí)際變流比不符，損害了供用電雙方合法權(quán)益。

在計(jì)量裝置日常維護(hù)工作中，運(yùn)行中的變壓器察看銘牌信息時(shí)必須將相關(guān)設(shè)備（線(xiàn)路）停電，作業(yè)人員需要在互感器不帶電的情況下做好安全防護(hù)措施后，登梯察看互感器銘牌并核對(duì)互感器變流比信息，并且停電需要用戶(hù)配合且手續(xù)復(fù)雜耗時(shí)。針對(duì)課題需求，亟須研制一種能在不停電的情況下快速獲取高壓互感器銘牌信息的工具。因此小組課題確定為絕緣伸縮拍攝器的研制。

1 設(shè)定目標(biāo)及可行性分析

1.1 設(shè)定目標(biāo)

小組決定研制一種在不停電的情況下，快速獲取高壓互感器銘牌信息的工具，且獲取一臺(tái)高壓互感器銘牌信息用時(shí)≤30 s。

1.2 可行性分析

對(duì)絕緣伸縮拍攝器的研制進(jìn)行可行性分析。

借用“自拍桿”搭建高壓互感器銘牌信息獲取模擬平臺(tái)，進(jìn)行高壓互感器不帶電情況下的銘牌信息獲取試驗(yàn)。通過(guò)拽拉伸縮桿將手機(jī)升至高壓感器銘牌處，利用藍(lán)牙遙控器無(wú)線(xiàn)控制手機(jī)對(duì)互感器銘牌進(jìn)行拍攝，獲取互感器銘牌信息。分別模擬獲取5臺(tái)變電站線(xiàn)路高壓電流互感器和用戶(hù)高壓組合互感器銘牌信息，記錄到獲取一臺(tái)高壓互感器銘牌平均用時(shí)為24.32 s?？紤]一定裕量，絕緣伸縮拍攝器獲取一臺(tái)高壓互感器銘牌信息用時(shí)≤30 s是可實(shí)現(xiàn)的，量化目標(biāo)可行。

2 制定解決方案

小組提出了絕緣伸縮拍攝器的總體方案，方案具有以下特點(diǎn)：

絕緣伸縮拍攝器的支撐桿、取景器和云臺(tái)外殼均采用絕緣耐受性能強(qiáng)的材料，在35 kV工頻電壓下無(wú)滑閃、無(wú)火花或擊穿，表面無(wú)可見(jiàn)漏電腐蝕痕跡，無(wú)升溫。

支撐桿能支撐取景器接近或接觸帶電體，代替作業(yè)人員獲取設(shè)備信息，使作業(yè)人員與帶電體之間保持足夠的安全距離不被電擊，確保人身安全。支撐桿代替作業(yè)人員登高，有效防止高處作業(yè)墜落風(fēng)險(xiǎn)。

無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)可無(wú)線(xiàn)調(diào)節(jié)取景器拍攝角度，實(shí)時(shí)進(jìn)行取景構(gòu)圖，控制取景器拍攝。確保了作業(yè)人員安全。

小組制作了簡(jiǎn)易理論模型，在培訓(xùn)中心實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行高壓互感器停電狀態(tài)下的銘牌信息獲取試驗(yàn)。簡(jiǎn)易理論模型獲取一臺(tái)高壓互感器銘牌信息平均用時(shí)21.2 s。絕緣伸縮拍攝器方案滿(mǎn)足目標(biāo)要求。

3 方案分解

3.1 第一級(jí)分解

根據(jù)絕緣伸縮拍攝器的功能，小組成員對(duì)方案進(jìn)行第一級(jí)分解。

取景器單元主要功能是拍攝清晰照片，無(wú)線(xiàn)與控制單元通信。在35 kV高壓環(huán)境絕緣性良好。

支撐桿單元主要功能是在0.4～2.4 m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)支撐桿長(zhǎng)度，穩(wěn)定支撐取景器單元。在35 kV高壓環(huán)境絕緣性良好。

云臺(tái)單元主要功能是固定取景器單元，可在720°任意調(diào)節(jié)取景器單元拍攝角度。35 kV高壓環(huán)境絕緣性良好。

控制單元主要功能是無(wú)線(xiàn)連接取景器單元，無(wú)線(xiàn)控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，無(wú)線(xiàn)對(duì)取景器單元進(jìn)行實(shí)時(shí)構(gòu)圖、拍攝。

3.2 第二級(jí)分解

3.2.1 取景器單元的分解和選擇

小組將取景器單元的分為成像芯片類(lèi)型、通信單元、電源類(lèi)型和殼體材料。

成像芯片類(lèi)型的選擇。

成像芯片是取景器的重要組成部分，是將光信號(hào)（光子）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電子）。小組選用CCD和CMOS兩種成像芯片方案，并進(jìn)行選擇。

方案一：CCD成像芯片。

方案二：CMOS成像芯片。

小組對(duì)2種方案進(jìn)行了圖像信息讀出速度、成像質(zhì)量靈敏度和噪點(diǎn)試驗(yàn)，

通過(guò)分析，CMOS成像芯片比CCD成像芯片圖像信息讀出速度快159.6 fps。CMOS成像芯片有更高的幀速率，比CCD成像芯片動(dòng)態(tài)范圍顯示更好，靈敏度更高。并且COMS成像芯片信噪比好，圖像質(zhì)量更高。綜上分析，CMOS成像芯片成像質(zhì)量、最大讀取速度均優(yōu)于CCD，故選擇使用CMOS成像芯片方案。

通信單元的選擇。

方案一：Bluetooth；

方案二：Wi-Fi；

方案三：ZigBee。

將3種方案的傳輸距離、傳輸速度和設(shè)備連接能力進(jìn)行試驗(yàn)。Wifi無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)傳輸距離較遠(yuǎn)，連接設(shè)備較多，傳輸速度最快。故確定選擇使用Wifi無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

電源類(lèi)型的選擇。

方案一：鋰電池；

方案二：鎳氫電池。

通過(guò)查閱參數(shù)，進(jìn)行對(duì)比分析，鋰電池體積小、重量輕、自放電率低，能量大，單個(gè)鋰電池的電壓是鎳氫電池的3倍，沒(méi)有記憶效應(yīng)，可隨用隨充，具備過(guò)充保護(hù)，可充放電1000次左右，并且鋰電池長(zhǎng)時(shí)間帶負(fù)荷工作的溫升比鎳氫電池長(zhǎng)時(shí)間帶負(fù)荷工作的溫升低3℃左右。綜上考慮，選擇鋰電池進(jìn)行供電。

殼體材料的選擇。

根據(jù)常見(jiàn)的絕緣殼體制作材料，小組提出了真空壓力浸膠板、FR-4環(huán)氧玻布層壓板、環(huán)氧聚酯纖維布板和SMC模塑板4種材料方案。

通過(guò)查閱單位數(shù)量的3種材料參數(shù)，測(cè)定3 mm厚度的SMC復(fù)合材料即可滿(mǎn)足耐壓需求，厚度薄，最經(jīng)濟(jì)。故選用3 mm厚度的SMC復(fù)合材料用于制作取景器單元?dú)んw。

3.2.2 支撐桿單元的分解和選擇

支撐桿單元桿體形式分為伸縮式和分節(jié)式2種方案。

架體單元。

方案一：伸縮式。

類(lèi)似釣魚(yú)竿結(jié)構(gòu)，圖3中(a)采用6節(jié)伸縮式設(shè)計(jì)。圖1中(b)是分節(jié)處桿用內(nèi)卡接口固定分節(jié)處。

方案二：分節(jié)式。

圖1中(c)采用3節(jié)分段設(shè)計(jì)，圖1中(d)采用的螺旋接口固定分節(jié)處。

小組成員對(duì)2種方案進(jìn)行全展用時(shí)試驗(yàn)。

圖1 旋轉(zhuǎn)單元方案圖

通過(guò)試驗(yàn)，伸縮式完全伸縮用時(shí)比分節(jié)式少，操作方便。故選擇使用伸縮式絕緣伸縮桿。

伸縮式桿體材料的選擇。

小組查閱了酚醛塑料、玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂3種材料的參數(shù)，進(jìn)行對(duì)比分析。環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度高、耐電性好、彎曲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)能滿(mǎn)足伸縮桿用于高空帶電作業(yè)要求，因此選用環(huán)氧樹(shù)脂材料制作支撐單元。

3.2.3 云臺(tái)單元的分解和選擇。

云臺(tái)單元分為固定單元和旋轉(zhuǎn)單元。

固定單元的選擇。

方案一：夾式固定；

方案二：束帶式固定。

小組對(duì)2種方案進(jìn)行震蕩試驗(yàn)。夾式固定取景器單元易滑動(dòng)、易脫落。束帶式固定取景器單元穩(wěn)定可靠。故選用束帶式固定取景器單元。

旋轉(zhuǎn)單元的選擇。

方案一：電動(dòng)式；

方案二：手動(dòng)式。

小組對(duì)2種方案進(jìn)行取景器單元角度調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)用時(shí)試驗(yàn)。電動(dòng)式調(diào)節(jié)取景器單元到理想角度的平均用時(shí)比手動(dòng)式調(diào)節(jié)少用時(shí)51.4 s。電動(dòng)式旋轉(zhuǎn)單元控制拍攝角度精準(zhǔn)、用時(shí)少。故確定選用電動(dòng)式旋轉(zhuǎn)單元。

3.2.4 控制單元的選擇

選用基于iOS和Android系統(tǒng)的手機(jī)作為控制單元，并將基于iOS和Android系統(tǒng)的手機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)方式分為Native手機(jī)應(yīng)用、Web手機(jī)應(yīng)用和Hybrid手機(jī)應(yīng)用3種方案。

方案一：Web手機(jī)應(yīng)用就是針對(duì)iOS、Android優(yōu)化后的web站點(diǎn)，用戶(hù)不需要下載安裝即可訪(fǎng)問(wèn)。Web手機(jī)應(yīng)用與一般的web站點(diǎn)相比更側(cè)重“功能”，是基于網(wǎng)頁(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)特定功能的應(yīng)用，必須依賴(lài)手機(jī)瀏覽器運(yùn)行。

方案二：Native手機(jī)應(yīng)用是基于智能手機(jī)操作系統(tǒng)用原生程序編寫(xiě)運(yùn)營(yíng)的手機(jī)應(yīng)用。Native手機(jī)應(yīng)用運(yùn)行時(shí)是基于本地操作系統(tǒng)的，所以兼容能力和訪(fǎng)問(wèn)能力更好，擁有最佳的用戶(hù)體驗(yàn)和最好的交互界面。但開(kāi)發(fā)難度大，開(kāi)發(fā)成本和維護(hù)成本高。

方案三：Hybrid手機(jī)應(yīng)用即混合模式移動(dòng)應(yīng)用，是指介于Web手機(jī)應(yīng)用和Native手機(jī)應(yīng)用之間的手機(jī)應(yīng)用。這種半原生半web的混合類(lèi)手機(jī)應(yīng)用，是同時(shí)采用網(wǎng)頁(yè)語(yǔ)言和程序語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)不同的應(yīng)用商店進(jìn)行打包分發(fā)，用戶(hù)需要下載安裝使用。Hybrid手機(jī)應(yīng)用兼具Native手機(jī)應(yīng)用良好的用戶(hù)交互體驗(yàn)和web手機(jī)應(yīng)用跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)調(diào)查，Hybrid手機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)成本適中，維護(hù)更新簡(jiǎn)單，體檢優(yōu)，Store和market均認(rèn)可，能實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)應(yīng)用。因此，確定采用Hybrid手機(jī)應(yīng)用方式開(kāi)發(fā)控制單元手機(jī)應(yīng)用。最優(yōu)方案如圖2所示。

4 對(duì)策實(shí)施

設(shè)計(jì)取景器硬件方案，按照取景器硬件方案安裝CMOS成像芯片。查閱SonyIMX117圖像傳感器技術(shù)參數(shù)，證實(shí)了單位像素尺寸為1.55 μm，最大分辨率為1200萬(wàn)像素，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

選購(gòu)高通Atheros AR6233GEAM2D802.11n+藍(lán)牙4.0控制器芯片，將芯片焊接至取景器主板。通過(guò)信號(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)證實(shí)Wifi信號(hào)接收器獲取取景器Wifi信號(hào)距離大于80 m時(shí)能成功連接。

安裝鋰電池。按照保證取景器續(xù)航能力達(dá)到10 h的電池容量最少需要1220 mAh的要求，選購(gòu)了三星可充式鋰電池組，通過(guò)電壓波動(dòng)試驗(yàn)證實(shí)鋰電池輸出電壓波動(dòng)小于5%。

具體實(shí)施辦法如表1所示。

制作殼體，對(duì)其進(jìn)行35 kV耐壓試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)鑒定，取景器能承受105 kV電壓，絕緣良好。

制作環(huán)氧樹(shù)脂材質(zhì)的伸縮桿，伸展后長(zhǎng)度為2 m，收縮后小于0.6 m。機(jī)械抗彎試驗(yàn)證明伸縮桿各節(jié)機(jī)械抗彎均高于國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足要求。

制作束帶固定架，通過(guò)拉脫實(shí)驗(yàn)證實(shí)重物拉力達(dá)480 N時(shí)取景器未從束帶固定架中脫落。

制作電動(dòng)式旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)證明云臺(tái)能實(shí)現(xiàn)720°旋轉(zhuǎn)（水平360°和垂直360°旋轉(zhuǎn)）。

按照Hybrid手機(jī)應(yīng)用方式開(kāi)發(fā)手機(jī)應(yīng)用，對(duì)編寫(xiě)好的手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行手機(jī)安裝測(cè)試，基于iOS和Android系統(tǒng)手機(jī)的手機(jī)應(yīng)用成功安裝率達(dá)到100%。

進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)組裝加工，各部件結(jié)構(gòu)合理，銜接合適。手機(jī)應(yīng)用無(wú)線(xiàn)控制取景器拍照成功率100%，控制云臺(tái)水平、垂直旋轉(zhuǎn)成功率為100%，通過(guò)了35 kV耐壓試驗(yàn)，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

5 效果檢查

通過(guò)小組共同努力，絕緣伸縮拍攝器制作順利完成，絕緣伸縮拍攝器成品如圖3所示。

表1 具體實(shí)施辦法

表2 銘牌信息獲取時(shí)間記錄表

圖3 絕緣伸縮拍攝器的成品圖

6 結(jié)束語(yǔ)

小組使用研制的絕緣伸縮拍攝器在變電站進(jìn)行35 kV高壓互感器銘牌獲取實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了記錄，如表2所示。

編制的《絕緣伸縮拍攝器操作指導(dǎo)書(shū)》納入國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司《電力營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)手冊(cè)計(jì)量分冊(cè)》相關(guān)使用規(guī)范。該項(xiàng)技術(shù)已獲得2項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：201621079756/0、201720497312.7），并在國(guó)網(wǎng)咸寧供電公司試點(diǎn)試用成功，在湖北省電力系統(tǒng)內(nèi)廣域應(yīng)用。