變電站絕緣子憎水性試驗(yàn)工具的設(shè)計(jì)

楊 磊

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000)

絕緣子受電暈放電、紫外輻射、潮濕環(huán)境、酸雨等因素影響，其表面硅橡膠或PRTV涂料老化，引起電氣性能和機(jī)械性能下降，影響變電站電力設(shè)備運(yùn)行可靠性[1]。絕緣子的表面憎水性程度是衡量絕緣子性能的重要指標(biāo)之一[2]。目前，變電站絕緣子憎水性試驗(yàn)采用IEC/TS 62073-2003推薦測(cè)試法[3]中的噴水分級(jí)法[3-5]對(duì)停電狀態(tài)的電力設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，配備噴壺、照相機(jī)[5]等試驗(yàn)工具。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)員需借助絕緣梯、安全帶及安全平臺(tái)等安全工器具登上設(shè)備構(gòu)架后，手持噴壺噴霧，用數(shù)碼照相機(jī)將絕緣子表面水珠分布情況拍照，將照片與憎水性分級(jí)對(duì)照?qǐng)D對(duì)比。噴壺和照相機(jī)使用時(shí)不方便，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，效果差，存在試驗(yàn)員墜落的潛在安全隱患。

憎水性試驗(yàn)工具主要在輸電線路絕緣子帶電檢測(cè)試驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛：文獻(xiàn)[6-7]提出采用旋翼無人機(jī)平臺(tái)替代人工登高的試驗(yàn)方法，提高輸電線路絕緣子憎水性檢測(cè)的效率和安全性；文獻(xiàn)[8-9]采用圖像識(shí)別算法對(duì)憎水性圖片分析和評(píng)級(jí)，研發(fā)憎水性分析系統(tǒng)提高絕緣子憎水性分級(jí)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度；文獻(xiàn)[10]研制了一種由電動(dòng)式自動(dòng)噴水裝置、微型數(shù)碼攝像機(jī)構(gòu)成的憎水性試驗(yàn)工具，試驗(yàn)員可在塔上與絕緣子保持一定安全距離獲取試驗(yàn)照片。在變電站電力設(shè)備的絕緣子應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種設(shè)備帶電條件下進(jìn)行絕緣子憎水性試驗(yàn)的裝置，由試驗(yàn)員遙控裝置升高至待測(cè)絕緣子附近試驗(yàn)，改變了傳統(tǒng)試驗(yàn)需要停電和登高的作業(yè)方式，但機(jī)構(gòu)組成復(fù)雜，保養(yǎng)困難，運(yùn)輸不便。以上述研究成果為基礎(chǔ)，為了解決變電站開展絕緣子憎水性試驗(yàn)存在的問題，本文設(shè)計(jì)一種攜帶方便，使用輕巧的新型絕緣子憎水性試驗(yàn)工具。

1 試驗(yàn)過程存在的問題

1.1 試驗(yàn)工具使用不便

絕緣子憎水性試驗(yàn)分為7個(gè)環(huán)節(jié)，包含準(zhǔn)備工作、架設(shè)安全平臺(tái)、人員登高、噴水拍照、試驗(yàn)結(jié)束檢查、工具收回、出具試驗(yàn)報(bào)告。在工作時(shí)間、工具數(shù)量和人員配置方面對(duì)4座110 kV變電站的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后得到，試驗(yàn)總時(shí)間平均為52.75 min，架設(shè)平臺(tái)、人員登高、工具收回環(huán)節(jié)平均用時(shí)占比之和超過50%，如圖1所示。由于噴壺和照相機(jī)本身使用方法的限制，登高作業(yè)成為試驗(yàn)員靠近絕緣子所采取的主要手段，使用絕緣梯、安全平臺(tái)、安全帶等高空作業(yè)工具的試驗(yàn)環(huán)節(jié)用時(shí)明顯增長(zhǎng)。

圖1 環(huán)節(jié)用時(shí)占比

試驗(yàn)員直接操作噴壺、照相機(jī)，致使噴灑距離、噴霧頻率等指標(biāo)不能完全達(dá)到文獻(xiàn)[2]的規(guī)定，對(duì)試驗(yàn)效果影響較大；照片畫面模糊、水滴散布不均勻或者表面附著水滴過于稀疏，增大了人工判斷的難度，降低了絕緣子憎水性評(píng)估準(zhǔn)確性。

1.2 高處試驗(yàn)有墜落風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于電容器、電抗器等設(shè)備高度較低的絕緣子，試驗(yàn)員可在地面直接使用工具噴霧拍照，能夠靈活調(diào)整站位和拍攝角度。對(duì)于斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的絕緣子，高度均超過2 m，試驗(yàn)員在構(gòu)架上根據(jù)光線、風(fēng)向等因素選擇站位、調(diào)整角度完成噴霧和拍照的操作相對(duì)于地面較困難。為保證試驗(yàn)員的安全，一般配備2人，一人為工作負(fù)責(zé)人，指導(dǎo)、監(jiān)視試驗(yàn)員的所有操作；另一人配合試驗(yàn)員工作，例如傳遞工具、扶穩(wěn)絕緣梯。在安全措施和監(jiān)護(hù)人員齊備的情況下，試驗(yàn)員在構(gòu)架上變換位置、調(diào)整姿態(tài)或傳遞工具時(shí)仍然存在墜落風(fēng)險(xiǎn)。

2 憎水性試驗(yàn)工具的設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)工具總體設(shè)計(jì)

由于變電站內(nèi)設(shè)備數(shù)量眾多，安全距離有限，在替代登高試驗(yàn)方面，文獻(xiàn)[6-7]提出的無人機(jī)替代方案對(duì)鄰近帶電設(shè)備構(gòu)成威脅。無人機(jī)平臺(tái)駕駛員操控難度更大，不適于變電站范圍內(nèi)實(shí)施。文獻(xiàn)[10]研制的試驗(yàn)工具用于試驗(yàn)員登塔后使用，電動(dòng)噴霧機(jī)構(gòu)和微型攝像機(jī)安裝于伸縮絕緣桿，既方便試驗(yàn)員登塔時(shí)攜帶，又可以保證人與帶電線路的安全距離，與變電站實(shí)施絕緣子憎水性試驗(yàn)的使用環(huán)境相似。為此，根據(jù)變電站試驗(yàn)的實(shí)際需求，改進(jìn)文獻(xiàn)[10]的設(shè)計(jì)方案得到新型憎水性試驗(yàn)工具的整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)工具整體組成

圖3 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

變電站絕緣子憎水性試驗(yàn)工具主要由試驗(yàn)裝置、絕緣拉桿、水壺支架和手機(jī)夾構(gòu)成。圖2中，絕緣拉桿為變電站內(nèi)統(tǒng)一配置，可根據(jù)絕緣子不同高度自由組裝，與試驗(yàn)裝置連接后可以直接替代登高作業(yè)方式進(jìn)行試驗(yàn)。水壺支架用于放置水瓶，在靠近試驗(yàn)裝置進(jìn)水管的位置安裝，試驗(yàn)裝置從水瓶處取水經(jīng)噴頭噴射足夠水霧。手機(jī)夾可放置屏幕尺寸6英寸及以下的手機(jī)，具有角度調(diào)節(jié)功能，試驗(yàn)員可在手機(jī)上由App軟件連接試驗(yàn)裝置查看絕緣子表面水珠附著狀況的畫面并控制拍攝。試驗(yàn)裝置是工具的主體結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)噴霧和遙控拍照功能，主要由遙控電動(dòng)噴霧系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成，如圖3所示。

2.2 試驗(yàn)裝置遙控電動(dòng)噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遙控電動(dòng)噴霧系統(tǒng)主要由霧化噴頭及支座、水泵、定時(shí)繼電器模組構(gòu)成。系統(tǒng)采用直徑為8 mm的黃銅材質(zhì)霧化噴頭，不易生銹堵塞，噴頭處可調(diào)整噴霧范圍和細(xì)密程度，有效覆蓋待測(cè)絕緣子表面。水泵選用2 W 5 V小型齒輪泵，耗電量小，揚(yáng)程達(dá)到1 m，出水口由硅膠軟管與霧化噴頭相連，進(jìn)水口軟管穿過裝置外殼延伸至水壺支架位置與水壺連接，經(jīng)過噴霧量測(cè)試得到：水泵運(yùn)行1 s，噴霧量平均為0.8 mL，噴霧距離最大達(dá)到28 cm，滿足文獻(xiàn)[2]的設(shè)計(jì)要求。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧功能并改善噴霧效果，系統(tǒng)采用了具有遙控功能的以定時(shí)繼電器為主要元件的電路模塊。定時(shí)繼電器模組中，一組定時(shí)繼電器用于控制噴霧時(shí)間和間隔時(shí)間，將噴霧時(shí)間設(shè)定為1 s，間隔時(shí)間設(shè)定為0.5 s；另一組為遙控定時(shí)繼電器，用于控制噴霧總時(shí)間，由遙控器控制啟動(dòng)或停止定時(shí)。根據(jù)噴霧次數(shù)、噴霧時(shí)間、噴霧間隔時(shí)間的設(shè)定值，計(jì)算得到噴霧總時(shí)間為37 s。

按照絕緣子憎水性試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)如圖4的定時(shí)繼電器邏輯電路，并連接各個(gè)定時(shí)繼電器電路。其工作原理為遙控器啟動(dòng)按鈕按下后，遙控定時(shí)器M1開始計(jì)時(shí)(M1定時(shí)37 s)，遙控繼電器M0常開觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)定時(shí)器M2(M2定時(shí)1 s)和水泵(開始噴霧1 s)；M2定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，其常開觸點(diǎn)閉合啟動(dòng)定時(shí)器M3(M3定時(shí)0.5 s)，同時(shí)M2常閉觸點(diǎn)斷開使水泵停止(停止噴霧0.5 s)；M3定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，其常閉觸點(diǎn)斷開使M2失電，同時(shí)M2常開觸點(diǎn)斷開使M3失電，導(dǎo)致M3常閉觸點(diǎn)閉合重新啟動(dòng)定時(shí)器M2。此時(shí)，水泵經(jīng)過0.5 s停轉(zhuǎn)后再次啟動(dòng)。如此循環(huán)往復(fù)，直至M1定時(shí)器到達(dá)第37 s時(shí)，M1常閉觸點(diǎn)斷開停止水泵和定時(shí)器M2，水泵共啟動(dòng)25次，完成噴霧試驗(yàn)環(huán)節(jié)。

圖4 遙控電動(dòng)噴霧系統(tǒng)電路原理

2.3 試驗(yàn)裝置圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖像采集系統(tǒng)是試驗(yàn)裝置的重要組成部分，可以提供絕緣子表面附著水滴后的清晰圖片。系統(tǒng)采用寬0.8 cm，厚0.5 cm的微型分體式攝像頭，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕盈。攝像頭視角范圍為90°，能夠滿足拍攝3層絕緣子傘裙的試驗(yàn)需求。攝像分辨率最大為1 920×1 080 HP，在距離25 cm的位置拍照，可清楚分辨水滴附著的狀況，有利于人工對(duì)比或分析軟件識(shí)別。該攝像頭具備Wi-Fi熱點(diǎn)功能，試驗(yàn)員可用手機(jī)與其連接，通過專用App實(shí)時(shí)查看絕緣子表面水滴分布情況，擇機(jī)點(diǎn)擊拍攝按鈕截取圖片。當(dāng)圖像的光線暗淡、水滴不清晰時(shí)，可以通過App控制攝像頭調(diào)整焦距、對(duì)比度和亮度獲取試驗(yàn)所需最佳圖片。

與使用數(shù)碼照相機(jī)的方式相比，圖像采集系統(tǒng)的操作更加簡(jiǎn)單、快速；硬件體積更小，集成于試驗(yàn)裝置內(nèi)；Wi-Fi遠(yuǎn)距離傳輸圖像，解決了試驗(yàn)員在設(shè)備構(gòu)架上拍照存在的安全隱患，消除了手持相機(jī)拍攝對(duì)試驗(yàn)照片質(zhì)量的影響。

3 效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證新型絕緣子憎水性試驗(yàn)工具的性能是否滿足試驗(yàn)需求，在迎水橋?qū)嵱?xùn)變電站選取退役220 kV斷路器套管絕緣子進(jìn)行功能測(cè)試，如圖5(a)所示。測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)員選好站位及待測(cè)絕緣子高度并調(diào)整攝像頭和噴頭角度，將手機(jī)與試驗(yàn)裝置的Wi-Fi熱點(diǎn)匹配，組裝2節(jié)110 kV分節(jié)絕緣拉桿與試驗(yàn)裝置相連，調(diào)節(jié)手機(jī)圖像的清晰度后完成噴霧、拍照操作，測(cè)試結(jié)果表明試驗(yàn)裝置與絕緣拉桿連接牢固，噴霧均勻，拍攝清晰。

結(jié)合中衛(wèi)電網(wǎng)檢修計(jì)劃，在3座35 kV變電站、3座110 kV變電站內(nèi)檢修設(shè)備的絕緣子上完成憎水性試驗(yàn)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到：試驗(yàn)平均總用時(shí)由52.75 min縮短至12.5 min，試驗(yàn)人員由3人減少至2人；噴霧散布范圍大，水珠細(xì)密且均勻，如圖5(b)所示，能夠良好地測(cè)試絕緣子表面的憎水性程度；試驗(yàn)拍攝的照片色彩柔和，水滴輪廓清晰，為試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比評(píng)級(jí)提供方便。

圖5 憎水性試驗(yàn)工具使用效果

使用新型絕緣子憎水性試驗(yàn)工具直接替代了傳統(tǒng)人工登高方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，減少安全工器具如絕緣梯、安全帶等的使用數(shù)量，減少安全監(jiān)護(hù)人員數(shù)量，有效消除高處墜落的風(fēng)險(xiǎn)，簡(jiǎn)化試驗(yàn)流程中布置安全措施的多個(gè)環(huán)節(jié)，降低試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安全管控難度和風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

(1)本文研制了一種適用于35 kV及以上變電站開展絕緣子憎水性試驗(yàn)的工具，安裝簡(jiǎn)便，使用靈活，攜帶便利，達(dá)到了替代人工登高作業(yè)進(jìn)行試驗(yàn)的目的，有效消除了高處作業(yè)的墜落風(fēng)險(xiǎn)。

(2)將噴霧與拍照功能集于一體，解決了工具使用不便，噴霧效果人為影響大，拍攝不清晰的問題，有利于提高人工與憎水性分級(jí)對(duì)照?qǐng)D對(duì)比的準(zhǔn)確度。

(3)簡(jiǎn)化了試驗(yàn)環(huán)節(jié)，從而提高了試驗(yàn)工作效率，降低了試驗(yàn)員的工作強(qiáng)度，減少了試驗(yàn)安全措施投入成本。

(4)在便攜性、安全性、實(shí)用性等方面改觀顯著，對(duì)試驗(yàn)照片數(shù)據(jù)傳輸、結(jié)果判別有待改進(jìn)提升。