一種新的基于全視角技術(shù)的高壓設(shè)備在線巡檢裝置

潘斌，唐捷，李偉克，謝繼強(qiáng)，楊維克

(1.廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān)512026；2.長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410131；3.長(zhǎng)沙南網(wǎng)電氣有限公司，湖南長(zhǎng)沙410011)

一種新的基于全視角技術(shù)的高壓設(shè)備在線巡檢裝置

潘斌1，唐捷1，李偉克1，謝繼強(qiáng)2，楊維克3

(1.廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān)512026；2.長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410131；3.長(zhǎng)沙南網(wǎng)電氣有限公司，湖南長(zhǎng)沙410011)

變電站的一些高壓設(shè)備由于其位置、角度等原因，巡檢人員難以看到設(shè)備安全狀況，設(shè)備的安全運(yùn)行存在安全隱患。經(jīng)過(guò)研究、實(shí)驗(yàn)為現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員提供一種電力設(shè)備帶電運(yùn)行狀態(tài)下開展全視角、近距離設(shè)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(dòng)升降功能，能采集全視角設(shè)備影像并以無(wú)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(wú)法完成的高壓設(shè)備全視角、全方位在線巡檢。

:全視角；高壓設(shè)備；在線巡檢

變電站高壓設(shè)備所處高度達(dá)數(shù)十米，設(shè)備頂部區(qū)域的電氣和機(jī)械連接部件，包括銅鋁過(guò)渡接頭、絕緣套管、支柱瓷瓶或絕緣子、有載分解開關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，由于高度和視角的原因，運(yùn)行人員在日常巡視中難以看到其設(shè)備安全狀況。這些部件由于長(zhǎng)期受電氣或化學(xué)腐蝕、不平衡應(yīng)力等影響，會(huì)導(dǎo)致局部腐蝕、變形、開裂等安全隱患，甚至發(fā)生斷裂，造成嚴(yán)重的安全事故。如果未及時(shí)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(shè)備運(yùn)維單位最常用的方法是在電力設(shè)備計(jì)劃停電的情況下，由專業(yè)檢修人員到達(dá)隱患所處的設(shè)備高空位置進(jìn)行排查〔1〕。采取這種方法需要將電力設(shè)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(fù)雜、隱患發(fā)現(xiàn)效率低、時(shí)效性差等問(wèn)題，并增加了高空作業(yè)人員的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

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

本文的研究目的即為現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員提供一種可在電力設(shè)備帶電運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)其開展全視角、近距離設(shè)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(wú)法有效發(fā)現(xiàn)的高壓設(shè)備潛在隱患進(jìn)行及時(shí)排查。在隱患排查過(guò)程中該工具可以提供高壓設(shè)備在線健康狀態(tài)的分析預(yù)判數(shù)據(jù)，確保變電站高壓設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行?？梢詫?shí)現(xiàn)高壓設(shè)備在線巡檢無(wú)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(shè)備在線巡檢裝置構(gòu)想

研究的總體目標(biāo)是研制出一套基于全視角技術(shù)的高壓設(shè)備在線巡檢裝置?；谏鲜鍪褂眯枨螅醪皆O(shè)計(jì)該裝置構(gòu)架見圖1。

巡檢裝置關(guān)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(tái)上采集設(shè)備影像并將影像于手持平板設(shè)備 (預(yù)裝配套客戶端軟件)上再現(xiàn)。在使用時(shí)，通過(guò)客戶端操控軟件，巡檢人員只要對(duì)手持設(shè)備做簡(jiǎn)單操作，就可在高壓設(shè)備帶電運(yùn)行情況下，完成目前常規(guī)方法所無(wú)法完成的高壓設(shè)備全視角、全方位在線巡檢。

依照該裝置的主要特點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容主要包括4個(gè)子任務(wù):基于 “移動(dòng)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(jī)構(gòu)材料及模具的研究與設(shè)計(jì)；輕型全視角圖像采集云臺(tái)及便攜式可移動(dòng)絕緣升降機(jī)構(gòu)研發(fā)；移動(dòng)智能終端(智能手機(jī)、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(dòng)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(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)〔4〕。實(shí)際使用中，通常將獲取的圖像通過(guò)電纜傳送到電腦終端進(jìn)行處理和復(fù)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(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下使用時(shí)的絕緣和抗干擾性能，因此擬基于“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，將可見光CCD獲取的設(shè)備細(xì)節(jié)圖像通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、采取無(wú)線方式傳輸?shù)揭苿?dòng)智能終端 (智能手機(jī)、平板電腦)進(jìn)行處理和復(fù)現(xiàn)。

ADDI9020是一款高集成度CCD信號(hào)處理器，該CCD信號(hào)處理器具備完整的前端電路，包括:黑電平鉗位、可變?cè)鲆鍯DS(縮短請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間)以及1個(gè)12 bit的ADC(模數(shù)變換器)；可編程時(shí)序發(fā)生器可以提供所有必須的CCD時(shí)鐘:RG、H時(shí)鐘 (5個(gè))、V時(shí)鐘 (12個(gè))、傳感器門限脈沖、基底時(shí)鐘以及基底偏置控制；60 MHz的ADC；7個(gè)GPIO通用端口，用于系統(tǒng)功能。作者在CCD的設(shè)計(jì)上初步考慮采用基于ADDI9020的CCD攝像機(jī)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(jī)構(gòu)材料及制作工藝的研究與設(shè)計(jì)

1)絕緣材料的選擇

要安全、可靠地實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備帶電狀態(tài)下的全視角巡檢，一個(gè)必要的前提是升降機(jī)構(gòu)必須符合電氣絕緣性能、支撐性能、氣動(dòng)性能的要求。根據(jù)氣壓驅(qū)動(dòng)型升降機(jī)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)升降機(jī)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(shí)要實(shí)現(xiàn)升降功能，還要符合支撐性能、氣動(dòng)性能的要求，各節(jié)升降桿又必須具有一定的強(qiáng)度以及較好的機(jī)械性能。國(guó)內(nèi)外尚無(wú)過(guò)使用絕緣材料制作氣壓驅(qū)動(dòng)型升降機(jī)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(diǎn)之一。

該絕緣材料首先應(yīng)具有較高的絕緣電阻和耐壓強(qiáng)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(huì)因長(zhǎng)期受熱而老化變質(zhì)；此外，還應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性、耐潮性和較高的機(jī)械強(qiáng)度以及工藝加工方便等特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)絕緣材料進(jìn)行性能分析，選取環(huán)氧樹脂作為升降機(jī)構(gòu)主支撐的絕緣材料。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的物理機(jī)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(fù)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(dòng)絕緣桿工藝的研究與設(shè)計(jì)

為了制作氣動(dòng)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(dòng)型升降機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)缸功能，需要研究氣動(dòng)絕緣桿的成型技術(shù)，設(shè)計(jì)氣動(dòng)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(dòng)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(yīng)力，特別是表面不平整等缺陷達(dá)不到氣動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)工藝要求和強(qiáng)度要求。

氣動(dòng)絕緣桿因?yàn)樾螤钐厥猓彝瑫r(shí)要滿足缸體和桿體二種功能要求，強(qiáng)度和工藝性能要求高，達(dá)不到要求就容易產(chǎn)生爆裂或卡死。經(jīng)過(guò)對(duì)環(huán)氧樹脂的各種成型工藝反復(fù)的試驗(yàn)，采用模擬氣動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的擠壓拉拔成型工藝制作出的氣動(dòng)絕緣桿比較符合氣動(dòng)缸的各項(xiàng)工藝和強(qiáng)度要求。但是環(huán)氧樹脂必須經(jīng)過(guò)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(tái)及便攜式可移動(dòng)絕緣升降機(jī)構(gòu)研發(fā)

變電站高壓設(shè)備的高度達(dá)數(shù)十米，在設(shè)備帶電運(yùn)行情況下，巡檢人員或智能巡檢機(jī)器人由于視角和高度原因，根本無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備頂部等 “看不到”或 “看不清”的死角位置隱患。為擴(kuò)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(tái)”及 “便攜式可移動(dòng)絕緣升降機(jī)構(gòu)”。

1)輕型全視角圖像采集云臺(tái)

“輕型全視角圖像采集云臺(tái)”是安裝、固定CCD的支撐設(shè)備，可保證攝像頭實(shí)現(xiàn)水平360°旋轉(zhuǎn)和不同仰、俯角運(yùn)轉(zhuǎn)，以獲得更大的視角拍攝設(shè)備細(xì)節(jié)圖像。輕型全視角圖像采集云臺(tái)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(tái)內(nèi)置電源模塊、wifi模塊、通訊管理單元，為云臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，可以靈活組建無(wú)線環(huán)境，并將CCD獲取的圖像采取無(wú)線方式傳輸?shù)降孛嫜矙z人員攜帶的移動(dòng)智能終端 (智能手機(jī)、平板電腦)上進(jìn)行處理。為了便于移動(dòng)升降機(jī)構(gòu)穩(wěn)定托舉，云臺(tái)的結(jié)構(gòu)采用緊湊型輕型設(shè)計(jì)。如圖2所示。

圖2 云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2)便攜式可移動(dòng)絕緣升降機(jī)構(gòu)

目前使用的自動(dòng)升降機(jī)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(dòng)形式上分有電動(dòng)型、液壓型、氣動(dòng)型。不同形式的升降裝置有其各自的特點(diǎn)，根據(jù)使用條件、使用要求的不同有著各自的適應(yīng)范圍。

研制的 “便攜式可移動(dòng)絕緣升降機(jī)構(gòu)”主要用于支撐和托舉輕型全視角云臺(tái)，并可根據(jù)待巡檢設(shè)備的實(shí)際情況將云臺(tái)送達(dá)合適的高度。因此升降機(jī)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(cè)點(diǎn)分布很廣，為便于巡檢人員攜帶和操作，升降機(jī)構(gòu)要做可移動(dòng)式輕量化設(shè)計(jì)。綜上所述，該升降機(jī)構(gòu)擬采用氣壓驅(qū)動(dòng)型。

5 移動(dòng)智能終端 (智能手機(jī)、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(dòng)智能終端即可實(shí)現(xiàn)對(duì)高空中全視角圖像采集云臺(tái)的控制，還必須開發(fā)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能終端應(yīng)用操作軟件。通過(guò)終端操控軟件，巡檢人員只要對(duì)手持設(shè)備做簡(jiǎn)單操作，就可在高壓設(shè)備帶電運(yùn)行情況下，完成目前常規(guī)方法所無(wú)法完成的高壓設(shè)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(shè)備在線巡檢裝置，能在電力設(shè)備帶電運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)其開展全視角、近距離設(shè)備隱患排查，解決的目前對(duì)設(shè)備停電在安排檢查過(guò)程中工作流程復(fù)雜、隱患發(fā)現(xiàn)效率低、時(shí)效性差等問(wèn)題，并有效保障了作業(yè)人員的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

〔1〕陳貴亮，聶曉濤，黃強(qiáng)，等.專業(yè)巡檢在電力設(shè)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(jī)器人研制及應(yīng)用 〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(19):85-88.

〔3〕李德軍，沈威，郭志強(qiáng).GIS局部放電常規(guī)檢測(cè)和超聲波檢測(cè)方法的應(yīng)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(shè)計(jì) 〔J〕.光學(xué)精密工程，2012，20(7):1603-1610.

〔5〕夏元杰，段紅建，石欣，等.多視場(chǎng)定焦距CCD攝像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)校 〔J〕.光學(xué)應(yīng)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(jìn)展 〔J〕.玻璃鋼/復(fù)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(xiàng)目 (GDKJXM00000051)

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

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