Überwachungstechnologie für die Öffnen/Schließen-Position von Hochspannungs-Abschalteinrichtungen

Im Kontext des Hochgeschwindigkeitsbetriebs von Stromversorgungssystemen stellen die Öffnungs- und Schließmechanismen von Hochspannungsschaltgeräten in Umspannanlagen Herausforderungen wie komplexe Betriebsabläufe, hohe Arbeitsbelastungen und geringe Betriebseffizienz dar. Mit dem Fortschritt der Bilderkennungstechnologien und Sensorinnovationen verlangen moderne intelligente Umspannanlagen höhere technische Standards für die Überwachung der Öffnungs- und Schließpositionen von Hochspannungsschaltgeräten während der Infrastrukturausbau.

Die Integration von Energie-IoT-Sensortechnologien und drahtloser Kommunikation in Stromversorgungsanlagen hat das Automatisierungs- und Intelligenzniveau von Hochspannungsschaltgerätesystemen erheblich verbessert—entsprechend den zukünftigen Anforderungen an Smart Grids und Umspannanlagen. Daher ist es notwendig, die Schlüsselaspekte der Positionierungsüberwachungstechnologien für Hochspannungsschaltgeräte aufgrund ihrer internen Struktur und technischen Merkmale weiter zu untersuchen.

1. Interne Struktur von Hochspannungsschaltgeräten

1.1 Leitende Komponenten

Während der Öffnungs- und Schließvorgänge besteht das statische Kontaktende eines Hochspannungsschaltgeräts hauptsächlich aus Kupferplatten. Zwei solche Kupferplatten sind miteinander verbunden, um eine Kontaktklinge zu bilden, die sich um eine zentrale Achse dreht, um den Status zu überwachen. Wenn geschlossen, klemmt dieses Bauteil sicher am statischen Kontaktkopf. Eine Druckfeder wird zwischen den beiden Kupferplatten installiert, um den Kontaktdruck zwischen beweglichen und statischen Kontakten zu regeln.

Während des Betriebs, wenn Ströme in gleicher Richtung durch beide Platten fließen, entsteht ein elektromagnetischer Anziehungsdruck zwischen ihnen, was den Kontaktdruck erhöht und die Betriebstabilität verbessert. Darüber hinaus erzeugen verzinkte Stahlbleche, die auf beiden Seiten der Kontaktklinge montiert sind, unter Kurzschlussstrombedingungen eine bemerkbare Magnetisierung, die gegenseitige Anziehungskräfte erzeugt, die den Kontaktdruck weiter verstärken und die mechanische Stabilität des Öffnungs- und Schließmechanismus des Schaltgeräts grundlegend verbessern.

1.2 Isolierende Komponenten

Im Positionsüberwachungssystem werden die beweglichen und statischen Kontakte auf separaten magnetischen Trägern montiert—der bewegliche Kontakt wird an einer Porzellainschutzrohrmontage befestigt. Um die mechanische Stabilität und elektrische Isolation zwischen dem beweglichen Kontakt und metallischen Strukturen zu gewährleisten, wird ein Porzellan-Zugstangenisolator eingesetzt.

1.3 Basisstruktur

Die Basis, normalerweise aus einem Stahlgitter gefertigt, dient als Montageplattform für Porzellanisolatoren (oder Schutzrohre) und die Hauptantriebswelle. Sie muss ordnungsgemäß geerdet sein. Da Hochspannungsschaltgeräte keine Bogenlöschfähigkeit besitzen, haben sie einen klar sichtbaren Trennpunkt, wenn sie offen sind, was ihren Öffnungs- und Schließstatus visuell intuitiv macht.

2. Merkmale der Technologien zur Überwachung der Öffnungs- und Schließposition

2.1 Bilderkennungstechnologie

Bilderkennung bietet inhärente Vorteile in Bezug auf visuelle Intuitivität und einfache Implementierung. Allerdings bedarf es aufgrund der großen Menge und Variabilität der Umgebungsbildinformationen in Umspannanlagenbetrieben fortschrittlicher intelligenter Erkennungsalgorithmen—insbesondere solcher, die die Verarbeitung von Tiefeninformationen betreffen. Umspannwerksysteme müssen grafische Daten verschiedener Geräte genau identifizieren und charakteristische Merkmale extrahieren, um diese als Grundlage für die Bestimmung des Schaltgerätestatus zu verwenden.

2.2 Moderne Sensortechnologien

Moderne Überwachungsansätze nutzen Haltungssensoren, optische Sensoren und andere fortschrittliche Sensoreinrichtungen, um dynamische Änderungen der Schaltgerätposition während des Betriebs zu verfolgen. In Kombination mit traditionellen kontaktbasierten Detektionsmethoden bilden sie ein „Doppelbestätigungs“-Kriterium für die Positionsbestimmung—ein entscheidender Faktor für die „Ein-Klick-Sequenzsteuerung“-Funktion in intelligenten Umspannanlagen.

3. Wichtige Anwendungsbetrachtungen für Positionsüberwachungstechnologien von Schaltgeräten

Da Umspannanlagen zunehmend intelligenter werden, sind neue Generationen von Positionsüberwachungstechnologien für Hochspannungsschaltgeräte für die Infrastruktur von Smart Grids entscheidend—insbesondere, um die Anforderungen der Ein-Klick-Sequenzsteuerung zu erfüllen. Ingenieure müssen geeignete Überwachungstechniken basierend auf spezifischen Systemkonfigurationen auswählen, um eine zuverlässige Leistung zu gewährleisten.

3.1 Bilderkennungstechnologie

Bilderkennung integriert Computersehen und Fuzzy-Informationverarbeitung, um charakteristische Merkmale aus visuellen Daten zu extrahieren und so unterschiedliche Benutzeranforderungen in verschiedenen Szenarien zu erfüllen. In der Praxis wird die Position eines Schaltgeräts durch die Erfassung von Bildern seines Öffnungs- oder Schließzustands und die Anwendung intelligenter Parameterberechnung und Bildverarbeitungsalgorithmen bestimmt, um die Einhaltung von Betriebsstandards zu überprüfen.

Diese Methode leidet jedoch unter relativ geringer Erkennungsgenauigkeit und hoher Anfälligkeit für Umweltstörungen (z.B. Beleuchtung, Staub, Wetter), was zu höheren Implementierungskosten führt. Um dies zu beheben, müssen Echtzeit-Positionsdaten an zentrale Überwachungsplattformen übertragen werden. Aktuelle Anwendungen setzen oft intelligente Umspannanlageninspektionsroboter ein, die fortgeschrittene Berechnungsmodelle verwenden, um eine präzise Positionsidentifikation zu erreichen.

Darüber hinaus müssen, um den Anforderungen des chinesischen Stromnetzes an die ferngesteuerte Schaltgerätüberprüfung gerecht zu werden, Bildüberwachungssysteme eng mit Schalterpositions signalen integriert werden. Dies ermöglicht eine genaue Statusbestimmung durch einen vierstufigen Prozess: Bilddatenerfassung, Merkmalsextraktion, Graustufenverarbeitung und Zustanderkennung—mit anschließendem Datenupload ins Steuerzentrum.

Während des Betriebs können Ensemble-Computing-Methoden lokale Betriebsdaten optimieren, obwohl die langsame Systemkonvergenz weiterhin eine Herausforderung darstellt. Daher sollten mechanische, visuelle Schaltzustanderkennung, Doppelschwellenlogik und räumliche Filterung zur Unterdrückung von Rauschen und zur Verbesserung der Merkmalsextraktion eingesetzt werden, um die Erkennungseffizienz zu steigern. Dennoch erfordern Videoüberwachungssysteme eine umfassende, mehrwinklige Abdeckung, da externe elektromagnetische Störungen ansonsten die Überwachungszuverlässigkeit erheblich beeinträchtigen könnten.

3.2 Optische Sensortechnologie

Optische Sensoren beinhalten die Installation von Lasersensoren am beweglichen Kontaktelement. Ein Laseremitter richtet einen Strahl auf einen Reflektor; wenn der Trennschalter in einer bestimmten Position ist, wird das reflektierte Signal vom Sensor empfangen. Wenn das empfangene optische Signal einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet, nimmt das elektrische Ausgangssignal entsprechend ab, was die Positionsbestimmung auf Grundlage der Signalschwankung ermöglicht.

Um die Betriebsqualität sicherzustellen, können Infrarot-Lasersensoren auch Temperaturunterschiede an den Kontakten überwachen, was die Entwicklung intelligenter Überwachungssysteme unterstützt. Ingenieure setzen integrierte Anordnungen aus Laseremittern, Reflektoren und Empfängern ein, um die Position des beweglichen Kontaktelements durch Lichtstrahlunterbrechung drahtlos zu erfassen.

Der Echtzeitstatus des Trennschalters muss über Kommunikationsmodule an die Backend-Steuerungssysteme übertragen werden. Diese Technologie erfordert jedoch eine extrem präzise Ausrichtung von Laseremittern, Reflektoren und Sensoren, was bei der Feldinstallation erhebliche Herausforderungen darstellt. Darüber hinaus ist die effektive Übertragungsdistanz grundsätzlich begrenzt. Ingenieure sollten daher bestehende Lasersensor-Architekturen verfeinern, um spezialisierte Systeme für horizontal rotierende Trennschalter zu entwickeln.

Durch die Analyse der Schwankungen des empfangenen Lasersignals können Techniker zuverlässig zwischen geöffneten und geschlossenen Zuständen unterscheiden. Die Positionszustände des Trennschalters sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, bietet die optische Sensortechnologie einen Überwachungsansatz, der in praktischen Anwendungen immun gegen elektromagnetische Störungen ist und daher für eine Vielzahl von Umgebungen und Szenarien geeignet ist. Allerdings weist sie bemerkenswerte Nachteile auf: relativ geringe Stabilität und Sicherheit bei Systemüberprüfungen, Unfähigkeit, die Qualität des Kontakts vollständig zu überprüfen, wenn der Unterbrecher geschlossen ist, und hohe Anfälligkeit für schlechtes Wetter wie Regen, Schnee, Feuchtigkeit und schlechte Sichtbedingungen, was zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit führt.

3.3 Kontakt-Punkterkennungstechnologie

Die Kontakt-Punkterkennungstechnologie bestimmt die Position des Unterbrecherventils basierend auf dem Arbeitsprinzip der Hilfskontakte. Sie erfordert die Installation von Hilfskontakten an spezifischen Öffnungs- und Schließpositionen des Unterbrechers, wobei der tatsächliche Schaltzustand aus der Einwirkung dieser Kontakte abgeleitet wird.

Während des Betriebs können Hilfskontakte sowohl in Hoch- als auch in Niederspannungsbereichen installiert werden. Wenn sie im Hochspannungsbereich platziert sind, wird die mechanische Bewegung, die durch das Öffnen/Schließen des Unterbrechers generiert wird, verwendet, um die Hilfskontakte physisch zu betätigen. Der Betriebszustand dieser Hilfskontakte steuert oder zeigt dann direkt die offene oder geschlossene Position des Unterbrechers an, was eine hochgenaue Darstellung seines Echtzeitstatus ermöglicht. Allerdings kann nach längerer Nutzung mechanischer Verschleiß und Fehljustierung die Leistung beeinträchtigen, sodass Optimierungen und Aktualisierungen erforderlich sind.

Wenn sie im Niederspannungsbereich installiert sind, verlässt sich das System auf innere bewegliche Komponenten im Steuerkasten, um die Hilfskontakte mechanisch zu betätigen, wodurch die grundlegende Öffnungs-/Schließoperation abgeschlossen wird. Diese Methode beinhaltet mehrstufige Übertragungsmechanismen, um den Status des Kontaktkopfes widerzuspiegeln. Wenn ein Element in dieser mechanischen Kette ausfällt oder fehlfunktioniert, kann das System möglicherweise nicht korrekt den tatsächlichen Betriebszustand des Unterbrechers darstellen.

4. Zukünftige Entwicklungsrichtungen

Derzeit werden die Forschung und technologischen Fortschritte in Überwachungssystemen für Hochspannungsunterbrecher in China zunehmend umfassender. Dennoch verlassen sich viele Inlands-Unterstationen weiterhin auf traditionelle manuelle Schaltvorgänge. Dieser Ansatz erfordert, dass die Bediener jeden Schritt vor Ort wiederholt ausführen, was ineffizient ist. Selbst für einfache Signalanomalien müssen Techniker physisch zur Stelle reisen. Die langfristige Abhängigkeit von manuellen Vorgängen erhöht das Risiko menschlicher Fehler, Auslassungen und langsamer Schaltzeiten.

Mit der fortlaufenden Integration und Weiterentwicklung von Technologien – einschließlich Bilderkennung, Sensornetzwerken, Lasermessung und Drucksensorik – hat sich eine Vielzahl von Methoden zur Bestimmung der Position des Unterbrechers entwickelt. Diese technologische Konvergenz bietet neue Forschungsrichtungen und grundlegende Unterstützung für die Automatisierung und Intelligenz intelligenter Hochspannungsunterbrecher.

5. Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Überwachung der Öffnungs- und Schließposition von Hochspannungsunterbrechern komplexe und vielfältige Betriebsabläufe beinhaltet. Die Routinewartung hängt teilweise noch von manuellen Inspektionen vor Ort ab, um die Echtzeit-Betriebsbedingungen zu bewerten, und alle Operationen müssen strikt den festgelegten technischen Protokollen folgen. Die zukünftige Richtung liegt in der Integration von künstlicher Intelligenz in Überwachungssysteme, um letztendlich eine intelligente, autonome und zuverlässige Positionsbestimmung zu erreichen – und den Weg für die nächste Generation intelligenter Unterstationsinfrastrukturen zu ebnen.