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)正常運行時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，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)高強度的使用，機械結(jié)構(gòu)、觸頭磨損，分合閘二次機構(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)定運行。然而傳統(tǒng)斷路器檢測需要人工接線、單臺試驗時間長達(dá)70 min，檢測時間較長且準(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，強化班組數(shù)字化建設(shè)，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(xiàn)場進(jìn)行。同時現(xiàn)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、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，裝置可以實現(xiàn)一次連接、一鍵測量、智能檢測，大幅縮短檢測時間。

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(xiàn)場進(jìn)行。現(xiàn)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、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。同時斷路器測試時需要檢修人員注意力高度集中，連接試驗線、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方面的問題：

1.1 試驗項目單一

傳統(tǒng)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，則需要攜帶多個試驗裝置，并在試驗時多次接線。接線過程中需要檢修人員時刻保持高度專注，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)高壓斷路器試驗裝置數(shù)據(jù)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(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，手動燒錄花費時間較久。受限于初始設(shè)計，裝置可實現(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)實現(xiàn)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(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 方案實施

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

2.2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

1）CPU 模塊設(shè)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，符合使用需求。

2）電源模塊

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

3）連接模塊

連接模塊與高壓斷路器連接，高壓斷路器的各個回路接點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所需的所有回路接點，所以當(dāng)需要對某個高壓斷路器進(jìn)行試驗時，只需將高壓斷路器試驗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裝置實現(xiàn)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外接鍵盤實現(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

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間和準(zhǔn)確度，大幅度節(jié)省工作時間。

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。實現(xiàn)一次連接、一鍵測量、智能檢測，大幅縮短檢測時間，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：

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的集成度，使研究和工作運行人員充分了解設(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間從原來的人工70 min 減少至8 min，提高效率8 倍，實現(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(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)存在的實際問題作為切入點，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試驗集成到一臺裝置中。實現(xiàn)一次連接、一鍵測量、智能檢測等功能，大幅降低檢測時間。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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[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）