絕緣伸縮拍攝器

任 鵬，楊 帆，任 雁，謝 燁

（1.國網湖北省電力有限公司咸寧市供電公司，湖北 咸寧 437100；2.國網湖北省電力有限公司中超建設管理公司，湖北 武漢 430000）

10 kV專變用戶多數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，導致用戶電費結算互感器變流比與現場互感器實際變流比不符，損害了供用電雙方合法權益。

在計量裝置日常維護工作中，運行中的變壓器察看銘牌信息時必須將相關設備（線路）停電，作業人員需要在互感器不帶電的情況下做好安全防護措施后，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復雜耗時。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 設定目標及可行性分析

1.1 設定目標

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升至高壓感器銘牌處，利用藍牙遙控器無線控制手機對互感器銘牌進行拍攝，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是可實現的，量化目標可行。

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，代替作業人員獲取設備信息，使作業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。支撐桿代替作業人員登高，有效防止高處作業墜落風險。

無線控制技術可無線調節取景器拍攝角度，實時進行取景構圖，控制取景器拍攝。確保了作業人員安全。

小組制作了簡易理論模型，在培訓中心實訓基地進行高壓互感器停電狀態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要求。

3 方案分解

3.1 第一級分解

根據絕緣伸縮拍攝器的功能，小組成員對方案進行第一級分解。

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范圍內調節支撐桿長度，穩定支撐取景器單元。在35 kV高壓環境絕緣性良好。

云臺單元主要功能是固定取景器單元，可在720°任意調節取景器單元拍攝角度。35 kV高壓環境絕緣性良好。

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，無線對取景器單元進行實時構圖、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）轉換成電信號（電子）。小組選用CCD和CMOS兩種成像芯片方案，并進行選擇。

方案一：CCD成像芯片。

方案二：CMOS成像芯片。

小組對2種方案進行了圖像信息讀出速度、成像質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，圖像質量更高。綜上分析，CMOS成像芯片成像質量、最大讀取速度均優于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、傳輸速度和設備連接能力進行試驗。Wifi無線通信技術傳輸距離較遠，連接設備較多，傳輸速度最快。故確定選擇使用Wifi無線通信技術。

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，進行對比分析，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，可隨用隨充，具備過充保護，可充放電1000次左右，并且鋰電池長時間帶負荷工作的溫升比鎳氫電池長時間帶負荷工作的溫升低3℃左右。綜上考慮，選擇鋰電池進行供電。

殼體材料的選擇。

根據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環氧玻布層壓板、環氧聚酯纖維布板和SMC模塑板4種材料方案。

通過查閱單位數量的3種材料參數，測定3 mm厚度的SMC復合材料即可滿足耐壓需求，厚度薄，最經濟。故選用3 mm厚度的SMC復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式2種方案。

架體單元。

方案一：伸縮式。

類似釣魚竿結構，圖3中(a)采用6節伸縮式設計。圖1中(b)是分節處桿用內卡接口固定分節處。

方案二：分節式。

圖1中(c)采用3節分段設計，圖1中(d)采用的螺旋接口固定分節處。

小組成員對2種方案進行全展用時試驗。

圖1 旋轉單元方案圖

通過試驗，伸縮式完全伸縮用時比分節式少，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、玻璃纖維和環氧樹脂3種材料的參數，進行對比分析。環氧樹脂強度高、耐電性好、彎曲能力強等優點能滿足伸縮桿用于高空帶電作業要求，因此選用環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定可靠。故選用束帶式固定取景器單元。

旋轉單元的選擇。

方案一：電動式；

方案二：手動式。

小組對2種方案進行取景器單元角度調節和調節用時試驗。電動式調節取景器單元到理想角度的平均用時比手動式調節少用時51.4 s。電動式旋轉單元控制拍攝角度精準、用時少。故確定選用電動式旋轉單元。

3.2.4 控制單元的選擇

選用基于iOS和Android系統的手機作為控制單元，并將基于iOS和Android系統的手機應用開發方式分為Native手機應用、Web手機應用和Hybrid手機應用3種方案。

方案一：Web手機應用就是針對iOS、Android優化后的web站點，用戶不需要下載安裝即可訪問。Web手機應用與一般的web站點相比更側重“功能”，是基于網頁技術開發實現特定功能的應用，必須依賴手機瀏覽器運行。

方案二：Native手機應用是基于智能手機操作系統用原生程序編寫運營的手機應用。Native手機應用運行時是基于本地操作系統的，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。但開發難度大，開發成本和維護成本高。

方案三：Hybrid手機應用即混合模式移動應用，是指介于Web手機應用和Native手機應用之間的手機應用。這種半原生半web的混合類手機應用，是同時采用網頁語言和程序語言進行開發，通過不同的應用商店進行打包分發，用戶需要下載安裝使用。Hybrid手機應用兼具Native手機應用良好的用戶交互體驗和web手機應用跨平臺開發的優勢。

根據調查，Hybrid手機應用開發成本適中，維護更新簡單，體檢優，Store和market均認可，能實現跨平臺應用。因此，確定采用Hybrid手機應用方式開發控制單元手機應用。最優方案如圖2所示。

4 對策實施

設計取景器硬件方案，按照取景器硬件方案安裝CMOS成像芯片。查閱SonyIMX117圖像傳感器技術參數，證實了單位像素尺寸為1.55 μm，最大分辨率為1200萬像素，滿足設計目標。

選購高通Atheros AR6233GEAM2D802.11n+藍牙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。按照保證取景器續航能力達到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，對其進行35 kV耐壓試驗，經檢驗鑒定，取景器能承受105 kV電壓，絕緣良好。

制作環氧樹脂材質的伸縮桿，伸展后長度為2 m，收縮后小于0.6 m。機械抗彎試驗證明伸縮桿各節機械抗彎均高于國標標準，滿足要求。

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

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

按照Hybrid手機應用方式開發手機應用，對編寫好的手機應用進行手機安裝測試，基于iOS和Android系統手機的手機應用成功安裝率達到100%。

進行標準組裝加工，各部件結構合理，銜接合適。手機應用無線控制取景器拍照成功率100%，控制云臺水平、垂直旋轉成功率為100%，通過了35 kV耐壓試驗，目標實現。

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 結束語

小組使用研制的絕緣伸縮拍攝器在變電站進行35 kV高壓互感器銘牌獲取實驗并進行了記錄，如表2所示。

編制的《絕緣伸縮拍攝器操作指導書》納入國網湖北省電力有限公司《電力營銷業務現場作業手冊計量分冊》相關使用規范。該項技術已獲得2項實用新型專利（專利號：201621079756/0、201720497312.7），并在國網咸寧供電公司試點試用成功，在湖北省電力系統內廣域應用。