用于外置特高频传感器的带电检测支撑杆的设计

2024-01-26王永辉呼慧斌张晓庆张卫华

今日自动化 2023年10期

王永辉，呼慧斌，张晓庆，张卫华，马超

（国网河南省电力公司内黄县供电公司，河南安阳 456300）

电力设备的可靠性和安全性对电力系统的稳定运行至关重要。局部放电是电力设备绝缘状况不良的一种常见问题，可能导致设备故障和事故，因此局部放电的及时检测和监测至关重要。特高频传感器是一种用于检测局部放电的关键装置，能够捕获局部放电时产生的特高频电磁波信号。

1 外置特高频传感器的带电检测支撑杆的设计背景和意义

电力设备在运行中存在局部放电问题，这会引发特高频电磁波信号。为及时检测这些局部放电信号并评估电力设备的绝缘状态，外置特高频传感器的带电检测变得至关重要。然而，实际现场环境中，电力设备的绝缘结构、布局和周围空间的限制使得传感器的安装和定位异常困难。

在这一背景下，设计并研发一种外置特高频传感器带电检测支撑杆具有极大的意义。该支撑杆不仅能够将传感器安全固定在绝缘件上，还具备长度伸缩性和角度可调性的特点，使其适用于多种绝缘件的检测。电力设备的绝缘部件通常位于较高位置，超出了人工操作范围。这导致难以将传感器准确放置在绝缘件上，可能错过关键的局部放电信号。带电检测支撑杆的长度伸缩性可解决这一问题，使传感器能够轻松到达高处。由于电力设备的结构多变，需在不同角度和位置安装传感器，带电检测支撑杆的角度可调性允许在不同情况下灵活地调整传感器的角度，确保信号的准确捕捉。

2 用于外置特高频传感器的带电检测支撑杆的设计

2.1 特高频传感器

特高频（UHF）传感器设计是电力设备局部放电监测的核心。特高频传感器须具备广泛的频率响应范围，以检测局部放电信号的变化。局部放电通常在0.3～3 GHz 的频段内产生电磁波，因此，传感器应设计为能够高效地捕获并分析这一频段的信号。为确保局部放电监测的准确性，传感器须具备高度灵敏的特性，以探测微小的UHF 信号。这要求传感器的接收器和放大器设计具有出色的噪声性能和灵敏度，能够在高频范围内稳定运行。电力设备周围可能存在多种电磁干扰源，如变频器、电弧焊接设备等，这些干扰源可能影响局部放电信号的检测。因此，传感器设计应包括有效的抗干扰技术，如滤波器和屏蔽措施，以降低外部干扰对信号质量的影响[1]。

传感器的物理尺寸和重量考虑到实际应用场景，应具有紧凑的设计，以便轻松安装在角度调节模块上方。此外，轻量化设计有助于操作人员携带和操作传感器，减轻工作负担。传感器应具备适当的接口，以便将检测到的信号传输到数据处理单元，这包括模拟和数字接口选项，以适应不同的监测系统。传感器还可包括内置的数据处理功能，如信号分析和特征提取，以提供即时的监测结果。特高频传感器通常用于长期监测，因此，其设计应具备高可靠性和耐用性，须选用高质量的材料和组件，进行严格的质量控制，以确保传感器在恶劣环境下能够可靠运行，并具备长寿命。传感器设计应包括校准和维护的考虑。提供简单的校准流程以确保精确性，并考虑到维护操作的易用性，以减少停机时间。

2.2 伸缩绝缘杆设计

伸缩绝缘杆的设计在电力设备局部放电监测中扮演着关键的角色。伸缩绝缘杆的材质选择至关重要，因为其须在高电压和高压力环境下提供可靠的绝缘性能。环氧树脂是一个理想的选择，因为其具有出色的绝缘性能，能够有效隔离电力设备和操作人员，减少电击风险。此外，环氧树脂材料应具备高强度和高耐压特性，以承受潜在的机械压力和电压。伸缩绝缘杆的设计须包括有效的伸缩机制，以适应不同高度和距离的电力设备。伸缩机制须经过精确设计和测试，以确保其可以可靠地扩展和收缩，不会发生卡顿或卡住的情况。操作人员应能够轻松调节伸缩绝缘杆的长度，以适应不同的监测场景和设备高度。伸缩后，机制应具备牢固的锁定，以确保伸缩杆在使用过程中不会自行缩回或伸展。伸缩机制的设计应考虑到长期使用，不会因频繁伸缩而损坏，以确保其耐久性和可靠性。

伸缩绝缘杆的设计应追求轻量化，以便操作人员能够轻松携带和使用。这对于在电力设备上方进行局部放电监测是至关重要的，因为操作人员可能需要在不同位置快速移动伸缩绝缘杆。轻量化设计还有助于降低操作人员的疲劳，提高工作效率。伸缩绝缘杆的设计应符合相关的安全标准和规定，以确保在高电压环境中操作时不会对操作人员造成电击风险。这包括正确的绝缘测试和认证，以验证伸缩绝缘杆的绝缘性能。设计伸缩绝缘杆时，还应考虑到操作人员的舒适性和人机工程学原则。手柄和握把的设计应符合人体工程学，以减少操作人员的不适和疲劳，从而提高工作效率[2]。

2.3 角度调节模块设计

角度调节模块在特高频传感器和伸缩绝缘杆之间扮演着关键的连接和调整作用。角度调节模块的设计核心在于其可调角度的功能，这是为确保特高频传感器能够适应不同电力设备的角度和空间限制。角度调节模块应具备可锁定的能力，以允许操作人员将其调整到所需的角度，然后锁定在该位置。这可通过螺纹、夹持装置或其他机制来实现。模块的设计应考虑到可能的角度范围，以确保可满足各种电力设备的需求，包括不同高度和倾斜角度。调节角度时，模块应提供准确的度量和指示，以确保操作人员能够精确地调整到所需的角度。

角度调节模块的连接稳定性对于准确的局部放电监测至关重要。角度调节模块的连接点应设计得牢固，以防止在操作或检测过程中出现意外移位或松动。考虑到电力设备通常在运行中会受到振动和风险的影响，模块的设计应具备抗振动和抗风险的特性，以保持连接的稳定性。模块应包括可靠的锁定机制，以确保一旦达到所需角度，就能够牢固地锁定在该位置，不会无意中移动。考虑到操作人员需在电力设备上方操控角度调节模块，模块的设计应追求轻量化，以降低操作人员的负担。同时，材质选择也应考虑到强度和耐用性，以确保模块在长期使用中不会受到损坏或变形。

2.4 夹紧模块设计

夹紧模块在特高频传感器的固定和释放过程中发挥着重要作用，其设计需兼顾夹紧力控制和快速固定的功能。夹紧模块的首要任务是确保外置特高频传感器被牢固地夹紧在需监测的位置上。夹紧模块应具备可调节的夹紧力，以适应不同监测场景和传感器类型的需求。这允许操作人员根据具体情况调整夹紧力，确保传感器的稳定固定。夹紧力应均匀地分布在传感器表面，以避免对传感器造成损坏或出现压力不均匀的情况。这可通过合适的夹紧表面设计和材质选择来实现。考虑到传感器是敏感设备，夹紧模块的设计应确保在夹紧过程中不会损坏或影响传感器的性能。

为提高工作效率，夹紧模块的设计应追求快速的固定和释放机制。夹紧模块的设计应允许操作人员使用简单的一键锁定机制，以迅速夹紧传感器，而无需复杂的步骤或工具。快速固定机制应具备高可靠性，确保一旦锁定，传感器不会在监测过程中意外移动或松动。同样重要的是，夹紧模块的设计应提供轻松的释放机制，以便在监测结束后快速拆卸传感器。夹紧模块应追求轻量化设计，以减轻操作人员的负担，并确保方便携带。同时，材质选择和制造工艺应确保夹紧模块具备足够的耐久性，能够承受长期使用和重复夹紧的要求，而不会损坏或磨损。

3 用于外置特高频传感器的带电检测支撑杆设计的实施

为成功设计和实施用于外置特高频传感器的带电检测支撑杆，需按以下步骤进行详细规划和执行。

（1）要对现状进行调研，以了解电力设备的类型、工作环境、监测需求和安全要求。这包括与电力公司、工程师和维护人员的沟通，以获取关键信息。根据现状调研结果，明确装置需求和技术参数，包括带电检测支撑杆的长度、材质、可调角度、夹紧力等关键要点。还要考虑环境因素，如气候条件和电力设备的高度。在确定需求和参数后，完善设计方案。这包括详细的CAD 图纸和3D 模型，以确保设计与实际制造相符。此阶段还包括材料选择、结构设计和安全性评估[3]。

（2）使用现代建模和仿真工具，进行带电检测支撑杆的建模和优化。这包括应力分析、负载分析和振动分析，以确保设计在不同工况下的稳定性和可靠性。一旦设计方案得到批准，开始制造带电检测支撑杆的零部件。制造完成后，在现场选择适当地点进行测试，模拟实际使用情况。测试包括夹紧力的准确性、角度调节的可靠性及带电操作的安全性。整个项目过程要严格按照电力安全规程执行，这包括带电操作的培训和程序，以确保人员安全。提供必要的防护装备，并确保符合相关标准和法规。一旦带电检测支撑杆被成功制造并通过测试，须进行项目验收。验收包括性能测试和安全评估。项目成功后，对所有相关资料进行归档，以备将来参考。

4 用于外置特高频传感器的带电检测支撑杆设计创新点

4.1 伸缩绝缘杆的携带方便性

在用于外置特高频传感器的带电检测支撑杆设计中，伸缩绝缘杆的引入带来了显著的创新。传统的外置传感器固定装置通常需人员爬升到较高位置，这既不方便也存在潜在的危险。为解决这个问题，引入了伸缩绝缘杆的设计，旨在提高携带方便性和使用便捷性，从而显著提高工作效率。伸缩绝缘杆的主要优势之一是其携带方便性。该伸缩绝缘杆由轻量化的材料制成，具备紧凑的折叠机制，使其在不使用时可轻松地折叠成更小的尺寸，方便携带和储存。操作人员可将伸缩绝缘杆轻松地装入车辆或携带在工具包中，而无需大型或笨重的设备[4]。

伸缩绝缘杆的设计还极大地提高了使用的便捷性和速度。当需进行特高频传感器的带电检测时，操作人员可轻松地将伸缩绝缘杆展开，并通过简单的锁定机制将其固定在所需长度。这个过程不仅可迅速完成，而且无需额外工具或复杂的步骤。由于伸缩绝缘杆的引入，不再需手动爬升到高处，因此极大提高了工作效率。操作人员可更迅速地将传感器定位到需检测的位置，而无需耗费时间和精力爬升或搭建临时支撑结构，这对于高空或难以到达的位置尤其有益。

4.2 角度调节模块的多功能性

角度调节模块是多功能性装置的核心组件之一。该模块经过精心设计，具有广泛的应用潜力。其主要功能是实现装置的角度调整，使其适用于不同的工作场景。角度调节器采用人员角度带动的方式，可由操作人员轻松控制。这一特性使得装置的角度调整变得直观且易操作，提高了使用的便捷性。模块内部搭载了特高频传感器，这些传感器能够快速、精确地感知装置的角度变化。这一功能对于复杂角度的检测至关重要，确保了准确性和稳定性。

特高频传感器与角度调节器实现了同步动作，这意味着当角度调整时，传感器会实时跟随，保持正确的位置。这种同步性有助于避免误差，提高了数据的准确性。角度调节模块的引入显著提高了装置的适用性。不论是在角度要求复杂的设备上，还是在位置狭窄的环境中，都可轻松进行检测。这种多功能性使得装置在各种工作场景中都能发挥作用。

5 用于外置特高频传感器的带电检测支撑杆设计解决的主要问题

在电力设备中，绝缘件通常位于较高的位置，超出了检测人员手可触及的范围。支撑杆的设计允许检测人员轻松地将传感器安装到这些高处的绝缘件上，消除了高度差异带来的难题。电力设备的绝缘结构可能需在各种不同的角度进行检测。支撑杆的灵活性和可调性使得无论绝缘件处于何种角度，传感器都能够以最佳角度与绝缘件接触，确保了检测的准确性。

绝缘件周围的空间通常相当有限，使得传感器的放置变得复杂。支撑杆的设计考虑到了这一点，使得传感器可在狭窄的空间内安装，确保了检测的可行性。电力局放特高频带电检测需确保检测人员的安全，支撑杆允许检测人员在不接触带电部件的情况下安装传感器，降低了电击和其他安全风险。