電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)智能化絕緣工具搖測(cè)裝置的研制

黃 旗，要 磊，杜向東

（中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州供電段，甘肅 蘭州 730010）

電氣化牽引供電行業(yè)的從業(yè)人員離不開絕緣工具，他們?cè)谶M(jìn)行日常檢修作業(yè)工作時(shí)，必須要借助這些絕緣工具來做好安全卡控措施。在高壓電網(wǎng)上開展工作，不管是日常維護(hù)還是檢測(cè)試驗(yàn)，操作人員的人身安全都依賴于絕緣工具的安全保護(hù)。其真實(shí)耐壓性會(huì)隨著使用時(shí)間、環(huán)境、溫度的變化而衰減，因此在使用前必須要進(jìn)行絕緣搖測(cè)，確保作業(yè)人員使用的絕緣工具性能良好。而電氣化鐵路牽引供電的擴(kuò)張式發(fā)展，使得絕緣工具使用次數(shù)大大增加，需要進(jìn)行的維護(hù)工作也隨之增加。所以，對(duì)于絕緣工具的搖測(cè)裝置，智能化是其最佳研制方向。

1 關(guān)于絕緣搖測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀研究

電氣化鐵路牽引供電工作者的基本操作都與絕緣工具有著不可分割的關(guān)系?！峨姎饣F路安全工作規(guī)程》作為工作人員必須遵守的規(guī)則，明確規(guī)定了在帶電作業(yè)時(shí)，所用絕緣工具進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)的間隔周期為半年。試驗(yàn)的具體內(nèi)容是，人為設(shè)定不同的環(huán)境，分別測(cè)量絕緣工具的沿邊絕緣強(qiáng)度和層間絕緣強(qiáng)度，相關(guān)指標(biāo)（如沿邊閃絡(luò)電壓）必須達(dá)到規(guī)定的電氣強(qiáng)度數(shù)值。一般這種對(duì)絕緣工具有效性進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)，都會(huì)委托給專門的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，而且鑒于對(duì)試驗(yàn)精度的高要求，每次操作的成本都很高。因此，大部分供電行業(yè)在日常工作中，都是在開始作業(yè)前自行檢測(cè)各種工具的絕緣性能。

目前應(yīng)用最廣泛的工具是兆歐表。在檢測(cè)時(shí)，分別用2 個(gè)表筆，連接絕緣工具表面的不同位置，從而得出規(guī)定距離上的電阻值。這種搖測(cè)方法原理明確、操作簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)也很明顯。最主要的缺點(diǎn)是缺少固定臺(tái)位，整個(gè)搖測(cè)過程全靠作業(yè)人員手動(dòng)操作，而且必須3 個(gè)以上工作人員同時(shí)協(xié)作，才能順利完成某個(gè)絕緣工具的搖測(cè)工作。其次是單次測(cè)量范圍太小，正因如此，在實(shí)際操作中需要重復(fù)多次操作，不但增加了實(shí)際工作量，也容易出現(xiàn)錯(cuò)漏問題。此外，人工操作的誤差問題難以避免。例如，在測(cè)量絕緣桿時(shí)，按照相關(guān)規(guī)定，應(yīng)該測(cè)量2 cm 范圍內(nèi)的表面阻值，在達(dá)到700 MΩ以上時(shí)，才能認(rèn)為其狀態(tài)良好，可以投入使用。但是無法完全保證每次測(cè)量都可以精確到2 cm，所以得到的實(shí)際測(cè)量數(shù)值誤差很大。

目前人們需要頻繁地對(duì)絕緣工具進(jìn)行搖測(cè)。根據(jù)調(diào)查，在蘭州一個(gè)供電段內(nèi)，2021 年共計(jì)114 個(gè)班組使用絕緣工具，其中，變配電班組占約50%的比例，接觸網(wǎng)和電力班組各占約25%。調(diào)查顯示，每天都有各個(gè)班組的絕緣工具使用記錄，也就是說，無論哪個(gè)班組，每天至少都需要完成一次搖測(cè)工作。全年的搖測(cè)工作數(shù)目，保守計(jì)算為4.1 萬次。

根據(jù)實(shí)際觀察，這種搖測(cè)方法對(duì)人力的浪費(fèi)相當(dāng)大。一次搖測(cè)過程一般需要配備2 個(gè)抬絕緣桿的人和2個(gè)分別操作兆歐表表頭和線端的人，這幾個(gè)人必須密切配合，才能得到最終搖測(cè)結(jié)果。而且其中的安全風(fēng)險(xiǎn)也是無法忽視的，作業(yè)人員在移動(dòng)時(shí)，一旦操作不準(zhǔn)確，就可能發(fā)生電擊傷事件。

在調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，也有許多工作者發(fā)現(xiàn)了這些問題，對(duì)這一原始的搖測(cè)工具進(jìn)行了改進(jìn)，但這種改進(jìn)依然浮于表面，如只是把檢測(cè)表筆略作改動(dòng)，變成更敏感的電極片等，沒有從根本上解決真正的缺點(diǎn)。要改變檢測(cè)效率低、安全隱患大的現(xiàn)狀，必須結(jié)合實(shí)地調(diào)查，研制出一款有適用性的智能化搖測(cè)裝置。

2 新型裝置研究的目標(biāo)、內(nèi)容和方法

2.1 新型裝置要達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)

回歸到絕緣工具搖測(cè)裝置的功能定位上，這一新裝置要滿足的第一個(gè)基本功能就是安全性。必須要準(zhǔn)確識(shí)別出絕緣功能不佳的工具，保證搖測(cè)合格的工具都具有良好的工作狀態(tài)，徹底杜絕絕緣工具出現(xiàn)紕漏而造成的安全問題。

在保證安全的基礎(chǔ)上，要達(dá)到較高的搖測(cè)效率。讓工作人員可以在相對(duì)更短的時(shí)間內(nèi)，用更快的速度完成對(duì)絕緣工具的整組搖測(cè)。新裝置加設(shè)一個(gè)固定臺(tái)位，在搖測(cè)時(shí)不必再到處跑，在固定位置即可快速完成。

新裝置也可以大大解放作業(yè)人員的雙手，不再需要多名工作人員團(tuán)體作業(yè)，而是可以由單人自主完成。它可以大大節(jié)省人力資源，稱得上是省時(shí)省力的優(yōu)良裝置。

在搖測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性上，也有改進(jìn)。采用數(shù)字兆歐表，將其2 個(gè)接線端和絕緣桿件進(jìn)行可靠的連接，在數(shù)字顯示的同時(shí)，還加入了語音播報(bào)，使結(jié)果能被人們更精準(zhǔn)地接收到。

因此，新型智能搖測(cè)裝置的目標(biāo)可以概括為安全有效、快捷方便、節(jié)約資源、記測(cè)準(zhǔn)確等。除此之外，在這一新產(chǎn)品成功研制出來后，可以量化生產(chǎn)，在電氣化鐵路領(lǐng)域中大批量使用，通過提高工作效率和人員利用率，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 新型裝置的主要研究?jī)?nèi)容

首先，研究出具有實(shí)用性的搖測(cè)專用臺(tái)面；其次，用絕緣支架包裹臺(tái)面，在下方加設(shè)主箱體，以裝設(shè)伸縮搖測(cè)線和數(shù)字兆歐表；最后，在臺(tái)面上依次鑲嵌好數(shù)字顯示屏（用來自動(dòng)顯示搖測(cè)結(jié)果）、語音播報(bào)器（用來實(shí)時(shí)播報(bào)搖測(cè)結(jié)果）和藍(lán)牙打印機(jī)（用來自動(dòng)打印檢測(cè)報(bào)告單），并裝設(shè)好具有自動(dòng)搖測(cè)功能的按鈕，搖測(cè)自動(dòng)化和智能化得到初步實(shí)現(xiàn)。

2.3 新型裝置的主要研究方法

研究方法主要針對(duì)各個(gè)零部件在箱體中如何合理有效鑲嵌，確保在進(jìn)行實(shí)際搖測(cè)時(shí)，只需要將絕緣桿件放在臺(tái)面的任意位置上即可，開啟自動(dòng)搖測(cè)按鈕后，可以在短時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果，原始搖測(cè)的弊端都能得到有效處理。

2.4 新型裝置實(shí)現(xiàn)的效果

該裝置最終實(shí)現(xiàn)智能診斷，它將“數(shù)字兆歐表”檢測(cè)后的數(shù)據(jù)傳送給TTS 控制主板，TTS 控制主板將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能診斷分析，判定數(shù)值是否合格，隨后將診斷口令信號(hào)分別傳遞給“語音播報(bào)器” 和“藍(lán)牙打印機(jī)”，最終實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)檢測(cè)結(jié)果和藍(lán)牙打印“檢驗(yàn)報(bào)告單”。

3 新型裝置的結(jié)構(gòu)與使用方法

筆者在中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)公司蘭州供電段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后，提出改造絕緣工具的搖測(cè)裝置，通過分析已有裝置，結(jié)合電氣知識(shí)和人工智能知識(shí)制定對(duì)策，研制改造出新的搖測(cè)裝置，并經(jīng)過無數(shù)次現(xiàn)場(chǎng)試用，不斷對(duì)其中的瑕疵之處做出改進(jìn)。從而研制出了真正具有實(shí)用性的固定臺(tái)位，進(jìn)一步優(yōu)化了現(xiàn)有搖測(cè)手段，改變了多人合作搖測(cè)的局面，只需要一人一按鍵，就可以自動(dòng)完成整個(gè)搖測(cè)流程，并自動(dòng)用人工語音播報(bào)、藍(lán)牙打印出搖測(cè)結(jié)果，真正做到了電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中所用絕緣工具搖測(cè)的智能化。

這項(xiàng)改造是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，解決當(dāng)前搖測(cè)裝置使用過程中的不合理之處，其功能框架設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 新型絕緣工具搖測(cè)裝置的功能框圖

其電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電路控制示意圖

在外形方面，箱體為長(zhǎng)方體，以mm 為單位，尺寸分別為長(zhǎng)=1 000 mm，寬=500 mm，高=300 mm。整個(gè)搖測(cè)箱裝置的總高度是850 mm，包括底部250 mm 高的絕緣支架和300 mm 的箱體支腳。箱體的幾何造型穩(wěn)定，所用材料結(jié)實(shí)，拼接牢固不易變形；絕緣支架的用材取自環(huán)氧樹脂，整個(gè)支架表面非常光滑。此外，箱壁的厚度為2 mm；箱體內(nèi)部伸縮搖測(cè)線為電鼓式，其線徑大于或等于2 mm；護(hù)套的直徑必須大于或等于5 mm；具備數(shù)字顯示功能的兆歐表必須達(dá)到國(guó)家規(guī)定的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以上。其外形結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 新型裝置的立體結(jié)構(gòu)圖

該技術(shù)裝置的具體構(gòu)造如下：①該裝置的核心在箱體內(nèi)部，其中安設(shè)的搖測(cè)表，支線從箱體中伸出，立在臺(tái)面上。臺(tái)面上的絕緣支架是可拆卸調(diào)節(jié)的，實(shí)際使用中只需要將所測(cè)絕緣桿放在該支架上即可。②絕緣支架的下部是大底板，底板的兩端分別設(shè)有2根立桿，其上端都是以舒緩的U 形為截面的支撐頭。絕緣支架在臺(tái)面的對(duì)應(yīng)位置上，另有安設(shè)的定位座。其轉(zhuǎn)動(dòng)頭設(shè)在箱體內(nèi)部，向上通過插桿上部的檔條，對(duì)應(yīng)地板上的插孔和相適配的插槽。③箱子兩側(cè)的卷線器是可自動(dòng)伸縮的，上文中說的搖測(cè)線就盤繞在卷管器中。此外，在臺(tái)面上分別設(shè)置了啟動(dòng)開關(guān)、顯示屏、語音播報(bào)器和藍(lán)牙打印機(jī)，分別用來開啟搖測(cè)裝置、顯示兆歐表數(shù)值和用語音將這一數(shù)據(jù)播報(bào)、打印出來。為了更清晰地展示這一新裝置，做出了它不同部分的視圖，分別如圖4—圖6 所示。

圖4 定位座處的俯視圖

圖5 底板處的局部俯視圖

圖6 新結(jié)構(gòu)的整體主視圖

重點(diǎn)結(jié)合圖6，簡(jiǎn)單介紹該裝置進(jìn)行搖測(cè)的實(shí)施方式。在正式搖測(cè)開始前，先把可拆卸絕緣支架安裝好。安裝時(shí)，將標(biāo)插桿插入底板上的插孔中，此時(shí)檔條和插槽是正對(duì)的。插好后，轉(zhuǎn)動(dòng)插桿，使檔條與插槽成錯(cuò)位狀，絕緣支架就被牢牢卡住，固定在相應(yīng)位置上。然后將絕緣桿安放在上邊，把需要測(cè)量的絕緣工具安置在支撐頭上，把相應(yīng)長(zhǎng)度的搖測(cè)線分別夾在絕緣工具上，打開臺(tái)面上的開關(guān)，就可以開始搖測(cè)作業(yè)。搖測(cè)過程中需要外接電源，啟動(dòng)后，各個(gè)元件進(jìn)入工作狀態(tài)，兆歐表即時(shí)出現(xiàn)數(shù)值，顯示屏和語音播報(bào)將測(cè)量數(shù)值輸出，對(duì)工作人員來說，省去了煩瑣的讀數(shù)過程。搖測(cè)完成后，兩側(cè)的卷管器解除限制，可以自動(dòng)收卷工作中放出的搖測(cè)線。

4 新型搖測(cè)裝置研究的總結(jié)和后續(xù)展望

保證牽引供電設(shè)備的安全、穩(wěn)定是現(xiàn)代化鐵路牽引供電系統(tǒng)的基本要求。在牽引供電設(shè)備上檢修作業(yè)，絕緣工具的安全性尤為重要，因?yàn)樗苯記Q定著操作人員的生命安全。目前的檢測(cè)設(shè)備雖然已經(jīng)在往智能化方向發(fā)展，但依然存在一些小瑕疵，如檢測(cè)手段及絕緣工具日常狀態(tài)管理仍然不完善等。今后的發(fā)展將會(huì)更趨向智能化、精細(xì)化，植入“絕緣工具搖測(cè)管理軟件”，將日常搖測(cè)記錄留存，支持USB 接口轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能，繼續(xù)改進(jìn)并運(yùn)用到絕緣子、電纜絕緣電阻檢測(cè)等方面，更有助于牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。

5 結(jié)語

近年來，鐵路系統(tǒng)電氣化的快速發(fā)展，進(jìn)一步提高了對(duì)絕緣工具搖測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)和要求。目前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，技術(shù)水平不高，沿用古老的兆歐表搖測(cè)，智能水平和精細(xì)化程度偏低，加上耗時(shí)長(zhǎng)，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前鐵路牽引供電的要求。

因此，結(jié)合實(shí)際工作，探究出了新型的搖測(cè)裝置，通過增設(shè)固定臺(tái)面和加入智能化播報(bào)顯示屏、藍(lán)牙打印檢測(cè)數(shù)據(jù)，基本改善了原搖測(cè)工作中的缺陷問題，為促進(jìn)該系統(tǒng)的發(fā)展作出了有效探索。在后續(xù)工作中，廣大從業(yè)者和研究人員還應(yīng)繼續(xù)努力，貢獻(xiàn)自己的力量。