一键式高压断路器智能检测装置的研制

0   引言

能源作为世界各国经济发展的第一驱动力，在各国间能源博弈日趋激烈的当下，如何加速我国能源结构转型升级，引领世界能源发展，已成为能源行业亟须解决的问题之一^[1]。作为保障供电可靠性的重要电力设备，高压断路器已广泛使用在各种电压等级的电网中，其所发挥的重要作用也是不言而喻^[2]。

高压断路器是电力系统中不可或缺的重要设备之一，主要起控制和保护设备的作用。当系统正常运行时可以切断空载电流或负荷电流；当系统发生故障导致负荷电流激增时，高压断路器由于具备灭弧功能可以切断故障电流（短路电流和过负荷电流），从而达到保护系统正常运行的作用。由于高压断路器长期在户外经受风吹雨打，并且持续高强度的使用，机械结构、触头磨损，分合闸二次机构等故障问题日益凸显，断路器相关部件老化、损坏，使断路器容易出现危急或紧急的缺陷，甚至影响电网安全稳定运行。然而传统断路器检测需要人工接线、单台试验时间长达70 min，检测时间较长且准确率难以保证，检修人员技术水平的参差不齐更容易发生短路、触电等事故，极不安全。因此亟须研制出一种能够快速智能检测的装置，解决上述问题。

根据新型电力系统建设要求，提升电网工作标准化水平，提高检修人员日常巡检的工作效率，强化班组数字化建设，增强供电服务质量。目前高压断路器的检测主要分为二次回路检测、机械特性检测和回路电阻测试3项，检测基本由检修人员在现场进行。同时现有高压断路器检测存在仪器众多、检测不同项目需要更换不同仪器、接线、频繁插接插头等问题。针对上述问题本文开展了一键式高压断路器智能检测装置的研究，装置可以实现一次连接、一键测量、智能检测，大幅缩短检测时间。

1   现状分析

2020 年习近平总书记提出了“碳达峰、碳中和”目标，为能源发展提供了一条明确的道路。国家电网公司紧紧围绕“双碳”目标，率先发布行动方案，通过建设以新能源为主体的新型电力系统来助力目标的实现。随着城市建设不断加快，电网规模也快速发展，伴随的是变电站数量在日益渐增。因此也加大了工作人员对于站内相关设备的检修工作，高压断路器作为站内使用频率最高的设备，其中某些部件会出现老化或损坏等问题，如何做到快速、准确的检测到故障信息，实现安全可靠的供电，成为当下亟须解决的问题之一。

目前高压断路器的检测主要分为二次回路检测、机械特性检测和回路电阻测试3 项，检测工作基本由检修人员在现场进行。现有高压断路器检测仪器众多、检测项目不同需要更换不同仪器、接线、频繁插接插头等问题。传统高压断路器的诊断基本由检修人员在现场进行检测与维护，检测时间较长且准确率难以保证，检修人员技术水平的参差不齐更容易发生短路、触电等事故，极不安全。同时断路器测试时需要检修人员注意力高度集中，连接试验线、夹子与断路器航空插头的插针，稍有不慎就会出现接线错误的情况，出现触电等事故，给检修人员的生命造成严重的威胁。

通过对以往断路器检测试验的分析和研究，发现传统高压断路器检测装置面临如下几个方面的问题：

1.1 试验项目单一

传统高压断路器检测受集成度影响，断路器机械特性测试、断路器二次回路试验和断路器回路电阻测试功能需由不同装置完成。因此，如需完成全部断路器测试项目，则需要携带多个试验装置，并在试验时多次接线。接线过程中需要检修人员时刻保持高度专注，数量庞大的接线端子相互连接，稍有不慎就会出现接线错误的情况，在高压的情况下，不仅会造成设备短路，还会对检修人员的生命造成严重的威胁。

1.2 数据管理分散

传统高压断路器试验装置数据均存储于试验装置本体，除本体分析可在装置上完成，读取数据均需借助存储介质手动进行。该种数据管理模式下，数据利用率低，不利于后续深度分析。且装置本体存储容量有限，生成数据格式固定，从长远来看，不利于试验历史数据回溯。

1.3 诊断方式落后

长期以来，传统高压断路器试验装置诊断流程为：人工测量→合上盖板→查询标准→数据对比。检测完成后，还需要对检测数据进行分析判断，从而确定被检测的高压断路器是否存在安全隐患。但是对于高压断路器的检测数据的评估仍然依靠人工进行，数据分析方式原始低效，对人工的经验和素质要求较高，存在效率低和可靠性差的问题。

1.4 迭代升级困难

传统高压断路器试验装置硬件一般不具备大容量数据存储介质，且功能升级均需厂商线下更新固件，手动烧录花费时间较久。受限于初始设计，装置可实现功能上限较低，更新固件后，功能提升并不明显。

2 技术方案

2.1 制定方案

为了解决上述技术问题，我们从高压断路器智能检测装置的功能入手，确定检测仪的基本模块。高压断路器的检测需要对设备进行反复测试获得机械特性检测、二次端子检测、回路电阻测试等一系列检测数据，而现有高压断路器检测仪器众多、检测不同项目需要更换不同仪器、接线、频繁插接插头等问题。

根据高压断路器智能检测装置的实际功能设定，对应的检测仪应具备CPU 模块、电源模块、检测模块、连接模块、控制模块以及显示模块共6大模块，应实现机械特性检测、二次端子检测、回路电阻测试、智能诊断平台共4大功能。一键式高压断路器智能检测装置系统框图如图1所示。

2.2 方案实施

通过对方案逐项分解，以及各模块预先设计的功能，经过查阅资料对比后确定各模块的实施流程如下图所示：

2.2.1 硬件系统设计

1）CPU 模块设计

本装置的CPU 模块使用的是32 位ARM 芯片的微控制器^[3]，具有集成高、功耗低、成本低廉等特点，符合使用需求。

2）电源模块

采用直流电池供电具有长时间连续供电、适应各种检测场合的特点。

3）连接模块

连接模块与高压断路器连接，高压断路器的各个回路接点与接线端子排上对应的接线端子电连接，使得标准接口里集成了断路器试验所需的所有回路接点，所以当需要对某个高压断路器进行试验时，只需将高压断路器试验装置与该高压断路器连接的标准接口插接，即可通过高压断路器试验装置实现对断路器的一键试验。

4）控制模块

高压断路器智能检测装置的控制模块通过外接键盘实现与CPU 模块的接口融合，检修人员通过键盘选择断路器的型号参数。

2.2.2 软件系统设计

一键式高压断路器智能检测装置通过C 语音进行编程，运行和编译均在IAR Embedded Workbench 环境下完成。可以提高工作人员测量高压断路器的时间和准确度，大幅度节省工作时间。

由于目前高压断路器的检测数据的评估仍然依靠人工进行，数据分析方式较为原始低效。因此本装置通过获取存在故障的同类型的高压断路器的检测数据，包括因故障退役的高压断路器数据、不良状态的高压断路器数据、人为设定不良或故障的高压断路器数据；将检测数据进行预处理、构建图像，并进行卷积神经网络模型训练，使用关联故障类型后的样本画像进行训练，训练后的卷积神经网络模型作为故障评估模型。通过构建图像，反映高压断路器的数据特征，通过卷积神经网络能够较好识别的不同的故障类型。

3 现场应用

一键式高压断路器智能检测装置通过接线端子排、第一连接线缆和标准接口与高压断路器相连接，在装置上的设置面板设定不同厂家、型号的断路器参数后，通过CPU 和测量模块对被测断路器进行自动快速测试并在屏幕上显示测量情况。实现一次连接、一键测量、智能检测，大幅缩短检测时间，提高了检修人员接线工作的效率。

目前已受权发明专利2 项：

201910834029.2《一种用于高压断路器快速检测的柔性接线装置》、201910842869.3《一种基于大数据技术的高压断路器状态评估方法》。

本检测装置对比以往传统的高压断路器检测有了极大的优化，显著提高了断路器试验的集成度，使研究和工作运行人员充分了解设备健康状态，提高设备监督管理水平、减少停电时户数，提高用户供电可靠性，并以此制定合理的检修维护策略。目前经相关部门检测认证：《一键式高压断路器智能检测装置》在安全、质量、成本等方面均无负面影响，可以全面推广应用。

4 效益分析

一键式高压断路器智能检测装置的现场成功应用在检测成功率、检测速度及社会效益等三方面带来了显著效益。

4.1 检测速度

利用CPU 替代了传统的人工检测，大大提高了工作效率，单台高压断路器的检测时间从原来的人工70 min 减少至8 min，提高效率8 倍，实现了工作效率的质的飞跃。装置自带交直流电源、及各厂家航空插头，提高了检测数据的准确性、稳定性，避免了对设备的误判断。

4.2 社会效益

本装置支撑了“大运行、大检修”下的安全生产运行体系，降低供电事故停电几率，减少了停电的损失，提高了检修人员运行及维护的效率和电网供电的安全可靠性，保障居民生活、企业生产用电安全。

5 结束语

本文所研制装置以现场生产存在的实际问题作为切入点，基于“来源于生产，服务于生产”的研制理念，本着保障现场安全生产的态度，提升现场工作效率的研制目的，通过现场调研，设计研制出一种一键式高压断路器智能检测装置。采用高度集成化技术，断路器机械特性测试、断路器二次回路试验和断路器回路电阻测试等常见试验集成到一台装置中。实现一次连接、一键测量、智能检测等功能，大幅降低检测时间。保障了生产一线检修工作人员的安全及电网安全可靠供电能力，目前已取得了良好效果，具有较好的推广前景。

参考文献：

[1] 赵旭州.智能电网发展态势理解方法研究[D].北京:华北电力大学,2021.

[2] 郭建峰,张思远,周刚.变电站三通式SF_6高压断路器气体充气装置的研制[J].农村电气化,2021(09):71-73.

[3] 周刚,冯悦鸣,胡海平,等.高压断路器智能检测装置的研制[J].电气应用,2015,34(04):52-54.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年12月期）