绝缘伸缩拍摄器

任 鹏，杨 帆，任 雁，谢 烨

（1.国网湖北省电力有限公司咸宁市供电公司，湖北 咸宁 437100；2.国网湖北省电力有限公司中超建设管理公司，湖北 武汉 430000）

10 kV专变用户多数采用高供高计方式计量，由于换装失误、资料录入错误、计量装置迁移及人为窃电等原因，导致用户电费结算互感器变流比与现场互感器实际变流比不符，损害了供用电双方合法权益。

在计量装置日常维护工作中，运行中的变压器察看铭牌信息时必须将相关设备（线路）停电，作业人员需要在互感器不带电的情况下做好安全防护措施后，登梯察看互感器铭牌并核对互感器变流比信息，并且停电需要用户配合且手续复杂耗时。针对课题需求，亟须研制一种能在不停电的情况下快速获取高压互感器铭牌信息的工具。因此小组课题确定为绝缘伸缩拍摄器的研制。

1 设定目标及可行性分析

1.1 设定目标

小组决定研制一种在不停电的情况下，快速获取高压互感器铭牌信息的工具，且获取一台高压互感器铭牌信息用时≤30 s。

1.2 可行性分析

对绝缘伸缩拍摄器的研制进行可行性分析。

借用“自拍杆”搭建高压互感器铭牌信息获取模拟平台，进行高压互感器不带电情况下的铭牌信息获取试验。通过拽拉伸缩杆将手机升至高压感器铭牌处，利用蓝牙遥控器无线控制手机对互感器铭牌进行拍摄，获取互感器铭牌信息。分别模拟获取5台变电站线路高压电流互感器和用户高压组合互感器铭牌信息，记录到获取一台高压互感器铭牌平均用时为24.32 s。考虑一定裕量，绝缘伸缩拍摄器获取一台高压互感器铭牌信息用时≤30 s是可实现的，量化目标可行。

2 制定解决方案

小组提出了绝缘伸缩拍摄器的总体方案，方案具有以下特点：

绝缘伸缩拍摄器的支撑杆、取景器和云台外壳均采用绝缘耐受性能强的材料，在35 kV工频电压下无滑闪、无火花或击穿，表面无可见漏电腐蚀痕迹，无升温。

支撑杆能支撑取景器接近或接触带电体，代替作业人员获取设备信息，使作业人员与带电体之间保持足够的安全距离不被电击，确保人身安全。支撑杆代替作业人员登高，有效防止高处作业坠落风险。

无线控制技术可无线调节取景器拍摄角度，实时进行取景构图，控制取景器拍摄。确保了作业人员安全。

小组制作了简易理论模型，在培训中心实训基地进行高压互感器停电状态下的铭牌信息获取试验。简易理论模型获取一台高压互感器铭牌信息平均用时21.2 s。绝缘伸缩拍摄器方案满足目标要求。

3 方案分解

3.1 第一级分解

根据绝缘伸缩拍摄器的功能，小组成员对方案进行第一级分解。

取景器单元主要功能是拍摄清晰照片，无线与控制单元通信。在35 kV高压环境绝缘性良好。

支撑杆单元主要功能是在0.4～2.4 m范围内调节支撑杆长度，稳定支撑取景器单元。在35 kV高压环境绝缘性良好。

云台单元主要功能是固定取景器单元，可在720°任意调节取景器单元拍摄角度。35 kV高压环境绝缘性良好。

控制单元主要功能是无线连接取景器单元，无线控制云台旋转，无线对取景器单元进行实时构图、拍摄。

3.2 第二级分解

3.2.1 取景器单元的分解和选择

小组将取景器单元的分为成像芯片类型、通信单元、电源类型和壳体材料。

成像芯片类型的选择。

成像芯片是取景器的重要组成部分，是将光信号（光子）转换成电信号（电子）。小组选用CCD和CMOS两种成像芯片方案，并进行选择。

方案一：CCD成像芯片。

方案二：CMOS成像芯片。

小组对2种方案进行了图像信息读出速度、成像质量灵敏度和噪点试验，

通过分析，CMOS成像芯片比CCD成像芯片图像信息读出速度快159.6 fps。CMOS成像芯片有更高的帧速率，比CCD成像芯片动态范围显示更好，灵敏度更高。并且COMS成像芯片信噪比好，图像质量更高。综上分析，CMOS成像芯片成像质量、最大读取速度均优于CCD，故选择使用CMOS成像芯片方案。

通信单元的选择。

方案一：Bluetooth；

方案二：Wi-Fi；

方案三：ZigBee。

将3种方案的传输距离、传输速度和设备连接能力进行试验。Wifi无线通信技术传输距离较远，连接设备较多，传输速度最快。故确定选择使用Wifi无线通信技术。

电源类型的选择。

方案一：锂电池；

方案二：镍氢电池。

通过查阅参数，进行对比分析，锂电池体积小、重量轻、自放电率低，能量大，单个锂电池的电压是镍氢电池的3倍，没有记忆效应，可随用随充，具备过充保护，可充放电1000次左右，并且锂电池长时间带负荷工作的温升比镍氢电池长时间带负荷工作的温升低3℃左右。综上考虑，选择锂电池进行供电。

壳体材料的选择。

根据常见的绝缘壳体制作材料，小组提出了真空压力浸胶板、FR-4环氧玻布层压板、环氧聚酯纤维布板和SMC模塑板4种材料方案。

通过查阅单位数量的3种材料参数，测定3 mm厚度的SMC复合材料即可满足耐压需求，厚度薄，最经济。故选用3 mm厚度的SMC复合材料用于制作取景器单元壳体。

3.2.2 支撑杆单元的分解和选择

支撑杆单元杆体形式分为伸缩式和分节式2种方案。

架体单元。

方案一：伸缩式。

类似钓鱼竿结构，图3中(a)采用6节伸缩式设计。图1中(b)是分节处杆用内卡接口固定分节处。

方案二：分节式。

图1中(c)采用3节分段设计，图1中(d)采用的螺旋接口固定分节处。

小组成员对2种方案进行全展用时试验。

图1 旋转单元方案图

通过试验，伸缩式完全伸缩用时比分节式少，操作方便。故选择使用伸缩式绝缘伸缩杆。

伸缩式杆体材料的选择。

小组查阅了酚醛塑料、玻璃纤维和环氧树脂3种材料的参数，进行对比分析。环氧树脂强度高、耐电性好、弯曲能力强等优点能满足伸缩杆用于高空带电作业要求，因此选用环氧树脂材料制作支撑单元。

3.2.3 云台单元的分解和选择。

云台单元分为固定单元和旋转单元。

固定单元的选择。

方案一：夹式固定；

方案二：束带式固定。

小组对2种方案进行震荡试验。夹式固定取景器单元易滑动、易脱落。束带式固定取景器单元稳定可靠。故选用束带式固定取景器单元。

旋转单元的选择。

方案一：电动式；

方案二：手动式。

小组对2种方案进行取景器单元角度调节和调节用时试验。电动式调节取景器单元到理想角度的平均用时比手动式调节少用时51.4 s。电动式旋转单元控制拍摄角度精准、用时少。故确定选用电动式旋转单元。

3.2.4 控制单元的选择

选用基于iOS和Android系统的手机作为控制单元，并将基于iOS和Android系统的手机应用开发方式分为Native手机应用、Web手机应用和Hybrid手机应用3种方案。

方案一：Web手机应用就是针对iOS、Android优化后的web站点，用户不需要下载安装即可访问。Web手机应用与一般的web站点相比更侧重“功能”，是基于网页技术开发实现特定功能的应用，必须依赖手机浏览器运行。

方案二：Native手机应用是基于智能手机操作系统用原生程序编写运营的手机应用。Native手机应用运行时是基于本地操作系统的，所以兼容能力和访问能力更好，拥有最佳的用户体验和最好的交互界面。但开发难度大，开发成本和维护成本高。

方案三：Hybrid手机应用即混合模式移动应用，是指介于Web手机应用和Native手机应用之间的手机应用。这种半原生半web的混合类手机应用，是同时采用网页语言和程序语言进行开发，通过不同的应用商店进行打包分发，用户需要下载安装使用。Hybrid手机应用兼具Native手机应用良好的用户交互体验和web手机应用跨平台开发的优势。

根据调查，Hybrid手机应用开发成本适中，维护更新简单，体检优，Store和market均认可，能实现跨平台应用。因此，确定采用Hybrid手机应用方式开发控制单元手机应用。最优方案如图2所示。

4 对策实施

设计取景器硬件方案，按照取景器硬件方案安装CMOS成像芯片。查阅SonyIMX117图像传感器技术参数，证实了单位像素尺寸为1.55 μm，最大分辨率为1200万像素，满足设计目标。

选购高通Atheros AR6233GEAM2D802.11n+蓝牙4.0控制器芯片，将芯片焊接至取景器主板。通过信号测试实验证实Wifi信号接收器获取取景器Wifi信号距离大于80 m时能成功连接。

安装锂电池。按照保证取景器续航能力达到10 h的电池容量最少需要1220 mAh的要求，选购了三星可充式锂电池组，通过电压波动试验证实锂电池输出电压波动小于5%。

具体实施办法如表1所示。

制作壳体，对其进行35 kV耐压试验，经检验鉴定，取景器能承受105 kV电压，绝缘良好。

制作环氧树脂材质的伸缩杆，伸展后长度为2 m，收缩后小于0.6 m。机械抗弯试验证明伸缩杆各节机械抗弯均高于国标标准，满足要求。

制作束带固定架，通过拉脱实验证实重物拉力达480 N时取景器未从束带固定架中脱落。

制作电动式旋转云台，旋转实验证明云台能实现720°旋转（水平360°和垂直360°旋转）。

按照Hybrid手机应用方式开发手机应用，对编写好的手机应用进行手机安装测试，基于iOS和Android系统手机的手机应用成功安装率达到100%。

进行标准组装加工，各部件结构合理，衔接合适。手机应用无线控制取景器拍照成功率100%，控制云台水平、垂直旋转成功率为100%，通过了35 kV耐压试验，目标实现。

5 效果检查

通过小组共同努力，绝缘伸缩拍摄器制作顺利完成，绝缘伸缩拍摄器成品如图3所示。

表1 具体实施办法

表2 铭牌信息获取时间记录表

图3 绝缘伸缩拍摄器的成品图

6 结束语

小组使用研制的绝缘伸缩拍摄器在变电站进行35 kV高压互感器铭牌获取实验并进行了记录，如表2所示。

编制的《绝缘伸缩拍摄器操作指导书》纳入国网湖北省电力有限公司《电力营销业务现场作业手册计量分册》相关使用规范。该项技术已获得2项实用新型专利（专利号：201621079756/0、201720497312.7），并在国网咸宁供电公司试点试用成功，在湖北省电力系统内广域应用。