絕緣伸縮拍攝器

任 鵬，楊 帆，任 雁，謝 燁

（1.國網(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專變用戶多數(shù)采用高供高計方式計量，由于換裝失誤、資料錄入錯誤、計量裝置遷移及人為竊電等原因，導(dǎo)致用戶電費結(jié)算互感器變流比與現(xiàn)場互感器實際變流比不符，損害了供用電雙方合法權(quán)益。

在計量裝置日常維護(hù)工作中，運行中的變壓器察看銘牌信息時必須將相關(guān)設(shè)備（線路）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互感器變流比信息，并且停電需要用戶配合且手續(xù)復(fù)雜耗時。針對課題需求，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，且獲取一臺高壓互感器銘牌信息用時≤30 s。

1.2 可行性分析

對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，進(jìn)行高壓互感器不帶電情況下的銘牌信息獲取試驗。通過拽拉伸縮桿將手機(jī)升至高壓感器銘牌處，利用藍(lán)牙遙控器無線控制手機(jī)對互感器銘牌進(jìn)行拍攝，獲取互感器銘牌信息。分別模擬獲取5臺變電站線路高壓電流互感器和用戶高壓組合互感器銘牌信息，記錄到獲取一臺高壓互感器銘牌平均用時為24.32 s。考慮一定裕量，絕緣伸縮拍攝器獲取一臺高壓互感器銘牌信息用時≤30 s是可實現(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：

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

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。

無線控制技術(shù)可無線調(diào)節(jié)取景器拍攝角度，實時進(jìn)行取景構(gòu)圖，控制取景器拍攝。確保了作業(yè)人員安全。

小組制作了簡易理論模型，在培訓(xùn)中心實訓(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。簡易理論模型獲取一臺高壓互感器銘牌信息平均用時21.2 s。絕緣伸縮拍攝器方案滿足目標(biāo)要求。

3 方案分解

3.1 第一級分解

根據(jù)絕緣伸縮拍攝器的功能，小組成員對方案進(jìn)行第一級分解。

取景器單元主要功能是拍攝清晰照片，無線與控制單元通信。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線連接取景器單元，無線控制云臺旋轉(zhuǎn)，無線對取景器單元進(jìn)行實時構(gòu)圖、拍攝。

3.2 第二級分解

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型、通信單元、電源類型和殼體材料。

成像芯片類型的選擇。

成像芯片是取景器的重要組成部分，是將光信號（光子）轉(zhuǎn)換成電信號（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)量靈敏度和噪點試驗，

通過分析，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。Wifi無線通信技術(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無線通信技術(shù)。

電源類型的選擇。

方案一：鋰電池；

方案二：鎳氫電池。

通過查閱參數(shù)，進(jìn)行對比分析，鋰電池體積小、重量輕、自放電率低，能量大，單個鋰電池的電壓是鎳氫電池的3倍，沒有記憶效應(yīng)，可隨用隨充，具備過充保護(hù)，可充放電1000次左右，并且鋰電池長時間帶負(fù)荷工作的溫升比鎳氫電池長時間帶負(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。

通過查閱單位數(shù)量的3種材料參數(shù)，測定3 mm厚度的SMC復(fù)合材料即可滿足耐壓需求，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殼體。

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。

類似釣魚竿結(jié)構(gòu)，圖3中(a)采用6節(jié)伸縮式設(shè)計。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，圖1中(d)采用的螺旋接口固定分節(jié)處。

小組成員對2種方案進(jìn)行全展用時試驗。

圖1 旋轉(zhuǎn)單元方案圖

通過試驗，伸縮式完全伸縮用時比分節(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)氧樹脂3種材料的參數(shù)，進(jìn)行對比分析。環(huán)氧樹脂強(qiáng)度高、耐電性好、彎曲能力強(qiáng)等優(yōu)點能滿足伸縮桿用于高空帶電作業(yè)要求，因此選用環(huán)氧樹脂材料制作支撐單元。

3.2.3 云臺單元的分解和選擇。

云臺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2種方案進(jìn)行震蕩試驗。夾式固定取景器單元易滑動、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：電動式；

方案二：手動式。

小組對2種方案進(jìn)行取景器單元角度調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)用時試驗。電動式調(diào)節(jié)取景器單元到理想角度的平均用時比手動式調(diào)節(jié)少用時51.4 s。電動式旋轉(zhuǎn)單元控制拍攝角度精準(zhǔn)、用時少。故確定選用電動式旋轉(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iOS、Android優(yōu)化后的web站點，用戶不需要下載安裝即可訪問。Web手機(jī)應(yīng)用與一般的web站點相比更側(cè)重“功能”，是基于網(wǎng)頁技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)特定功能的應(yīng)用，必須依賴手機(jī)瀏覽器運行。

方案二：Native手機(jī)應(yīng)用是基于智能手機(jī)操作系統(tǒng)用原生程序編寫運營的手機(jī)應(yīng)用。Native手機(jī)應(yīng)用運行時是基于本地操作系統(tǒng)的，所以兼容能力和訪問能力更好，擁有最佳的用戶體驗和最好的交互界面。但開發(fā)難度大，開發(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的混合類手機(jī)應(yīng)用，是同時采用網(wǎng)頁語言和程序語言進(jìn)行開發(fā)，通過不同的應(yīng)用商店進(jìn)行打包分發(fā)，用戶需要下載安裝使用。Hybrid手機(jī)應(yīng)用兼具Native手機(jī)應(yīng)用良好的用戶交互體驗和web手機(jī)應(yīng)用跨平臺開發(fā)的優(yōu)勢。

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

4 對策實施

設(shè)計取景器硬件方案，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)，證實了單位像素尺寸為1.55 μm，最大分辨率為1200萬像素，滿足設(shè)計目標(biāo)。

選購高通Atheros AR6233GEAM2D802.11n+藍(lán)牙4.0控制器芯片，將芯片焊接至取景器主板。通過信號測試實驗證實Wifi信號接收器獲取取景器Wifi信號距離大于80 m時能成功連接。

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，選購了三星可充式鋰電池組，通過電壓波動試驗證實鋰電池輸出電壓波動小于5%。

具體實施辦法如表1所示。

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

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

制作束帶固定架，通過拉脫實驗證實重物拉力達(dá)480 N時取景器未從束帶固定架中脫落。

制作電動式旋轉(zhuǎn)云臺，旋轉(zhuǎn)實驗證明云臺能實現(xiàn)720°旋轉(zhuǎn)（水平360°和垂直360°旋轉(zhuǎn)）。

按照Hybrid手機(jī)應(yīng)用方式開發(fā)手機(jī)應(yīng)用，對編寫好的手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行手機(jī)安裝測試，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)用無線控制取景器拍照成功率100%，控制云臺水平、垂直旋轉(zhuǎn)成功率為100%，通過了35 kV耐壓試驗，目標(biāo)實現(xiàn)。

5 效果檢查

通過小組共同努力，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 具體實施辦法

表2 銘牌信息獲取時間記錄表

圖3 絕緣伸縮拍攝器的成品圖

6 結(jié)束語

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驗并進(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》納入國網(wǎng)湖北省電力有限公司《電力營銷業(yè)務(wù)現(xiàn)場作業(yè)手冊計量分冊》相關(guān)使用規(guī)范。該項技術(shù)已獲得2項實用新型專利（專利號：201621079756/0、201720497312.7），并在國網(wǎng)咸寧供電公司試點試用成功，在湖北省電力系統(tǒng)內(nèi)廣域應(yīng)用。