Công nghệ giám sát vị trí đóng/mở của cầu dao điện áp cao

Trong bối cảnh hoạt động tốc độ cao của hệ thống điện, cơ chế đóng/mở của cầu dao cao áp trong trạm biến áp đối mặt với những thách thức như quy trình vận hành phức tạp, khối lượng công việc lớn và hiệu suất vận hành thấp. Với sự phát triển của công nghệ nhận dạng hình ảnh và đổi mới cảm biến, các trạm biến áp thông minh hiện đại ngày nay đòi hỏi tiêu chuẩn kỹ thuật cao hơn cho việc giám sát vị trí đóng/mở của cầu dao cao áp trong quá trình phát triển cơ sở hạ tầng. 

Việc tích hợp công nghệ cảm biến IoT (Internet of Things) và truyền thông không dây vào thiết bị điện đã tăng đáng kể mức độ tự động hóa và thông minh của hệ thống cầu dao cao áp—phù hợp với yêu cầu tương lai về phát triển lưới điện thông minh và trạm biến áp. Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu các khía cạnh ứng dụng chính của công nghệ giám sát vị trí cho hoạt động của cầu dao cao áp dựa trên cấu trúc nội bộ và đặc điểm kỹ thuật.

1. Cấu trúc Nội bộ của Cầu Dao Cao Áp

1.1 Thành Phần Dẫn Điện

Trong quá trình đóng/mở, đầu tiếp xúc tĩnh của cầu dao cao áp chủ yếu được xây dựng từ các tấm đồng. Hai tấm đồng này được kết nối với nhau để tạo thành lưỡi tiếp xúc, có thể xoay quanh trục trung tâm để cho phép theo dõi trạng thái. Khi đóng, bộ phận này kẹp chặt vào đầu tiếp xúc tĩnh. Một lò xo nén được lắp đặt giữa hai tấm đồng để điều chỉnh áp lực tiếp xúc giữa tiếp xúc di chuyển và tiếp xúc tĩnh.

Trong quá trình vận hành, khi dòng điện đi qua cả hai tấm theo cùng một hướng, lực hút điện từ được tạo ra giữa chúng, tăng áp lực tiếp xúc và nâng cao tính ổn định vận hành. Ngoài ra, các tấm thép mạ kẽm được gắn ở hai bên lưỡi tiếp xúc tạo ra từ hóa đáng kể dưới điều kiện dòng điện ngắn mạch, tạo ra lực hút lẫn nhau, tăng cường thêm áp lực tiếp xúc và cải thiện cơ bản tính ổn định cơ học của cơ chế đóng/mở của cầu dao.

1.2 Thành Phần Cách Điện

Trong hệ thống giám sát vị trí, tiếp xúc di chuyển và tiếp xúc tĩnh được gắn trên các giá đỡ từ riêng biệt—tiếp xúc di chuyển được cố định lên ống cách điện sứ. Để đảm bảo sự ổn định cơ học và cách ly điện giữa tiếp xúc di chuyển và các cấu trúc kim loại, sử dụng ống cách điện sứ kéo.

1.3 Cấu Trúc Cơ Sở

Cơ sở, thường được xây dựng từ khung thép, đóng vai trò là nền tảng gắn kết cho các cách điện sứ (hoặc ống cách điện) và trục dẫn chính. Nó phải được nối đất đúng cách. Vì cầu dao cao áp không có khả năng dập hồ quang, chúng có điểm ngắt rõ ràng khi mở, làm cho trạng thái đóng/mở trực quan dễ nhìn.

2. Đặc Điểm của Công Nghệ Giám Sát Vị Trí Đóng/Mở

2.1 Công Nghệ Nhận Dạng Hình Ảnh

Nhận dạng hình ảnh mang lại lợi thế về tính trực quan và dễ thực hiện. Tuy nhiên, do lượng lớn và sự biến đổi của dữ liệu hình ảnh môi trường trong hoạt động của trạm biến áp, cần có các thuật toán nhận dạng thông minh tiên tiến—đặc biệt là những thuật toán liên quan đến xử lý thông tin chiều sâu. Hệ thống trạm biến áp phải xác định chính xác dữ liệu đồ họa từ các thiết bị khác nhau và trích xuất các đặc trưng phân biệt để làm cơ sở xác định trạng thái vị trí của cầu dao.

2.2 Công Nghệ Cảm Biến Hiện Đại

Các phương pháp giám sát hiện đại sử dụng cảm biến tư thế, cảm biến quang và các thiết bị cảm biến tiên tiến khác để theo dõi sự thay đổi động của vị trí cầu dao trong quá trình vận hành. Khi kết hợp với các phương pháp phát hiện dựa trên tiếp xúc truyền thống, chúng tạo thành tiêu chí “xác nhận kép” cho phán đoán vị trí—một yếu tố quan trọng để kích hoạt chức năng “kiểm soát tuần tự bằng một cú nhấp chuột” trong các trạm biến áp thông minh.

3. Các Xem Xét Chính về Ứng Dụng Công Nghệ Giám Sát Vị Trí Cầu Dao

Khi các trạm biến áp tiến triển về sự thông minh, các công nghệ giám sát vị trí mới cho cầu dao cao áp đã trở thành yếu tố then chốt trong cơ sở hạ tầng lưới điện thông minh—đặc biệt để đáp ứng nhu cầu kiểm soát tuần tự bằng một cú nhấp chuột. Các kỹ sư phải chọn các kỹ thuật giám sát phù hợp dựa trên cấu hình hệ thống cụ thể để đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy.

3.1 Công Nghệ Nhận Dạng Hình Ảnh

Nhận dạng hình ảnh tích hợp thị giác máy tính với xử lý thông tin mờ để trích xuất các đặc trưng phân biệt từ dữ liệu hình ảnh, thỏa mãn các yêu cầu đa dạng của người dùng trong các tình huống khác nhau. Trên thực tế, vị trí của cầu dao được xác định bằng cách chụp ảnh trạng thái đóng/mở của nó và áp dụng các thuật toán tính toán thông số thông minh và xử lý hình ảnh để xác minh sự tuân thủ các tiêu chuẩn vận hành.

Tuy nhiên, phương pháp này có độ chính xác nhận dạng tương đối thấp và dễ bị nhiễu từ môi trường (ví dụ: ánh sáng, bụi, thời tiết), dẫn đến chi phí triển khai tăng. Để giải quyết vấn đề này, dữ liệu vị trí theo thời gian thực phải được truyền đến các nền tảng giám sát tập trung. Các ứng dụng hiện tại thường kết hợp các robot kiểm tra trạm biến áp thông minh sử dụng các mô hình tính toán tiên tiến để đạt được xác định vị trí chính xác.

Ngoài ra, để đáp ứng yêu cầu của lưới điện Trung Quốc về xác minh cầu dao từ xa, hệ thống giám sát hình ảnh phải được tích hợp chặt chẽ với tín hiệu vị trí công tắc. Điều này cho phép xác định trạng thái chính xác thông qua quá trình bốn giai đoạn: thu thập hình ảnh, trích xuất đặc trưng, xử lý xám và nhận dạng trạng thái—kết thúc bằng việc tải dữ liệu lên trung tâm kiểm soát.

Trong quá trình hoạt động, các phương pháp tính toán tổng hợp có thể tối ưu hóa dữ liệu vận hành cục bộ, mặc dù tốc độ hội tụ hệ thống chậm vẫn là một thách thức. Do đó, nên áp dụng nhận dạng trạng thái công tắc dựa trên tầm nhìn cơ khí cùng với logic ngưỡng kép và lọc miền không gian để giảm nhiễu và tăng cường trích xuất đặc trưng—sẽ cải thiện hiệu quả nhận dạng. Tuy nhiên, hệ thống giám sát video đòi hỏi sự bao phủ toàn diện, đa góc; nếu không, can thiệp điện từ bên ngoài có thể làm suy giảm đáng kể độ tin cậy của việc theo dõi.

3.2 Công nghệ cảm biến quang học

Cảm biến quang học liên quan đến việc lắp đặt các cảm biến laser lên bộ phận tiếp xúc di chuyển. Một thiết bị phát laser hướng tia sáng về phía phản xạ; khi disconnector ở vị trí cụ thể, tín hiệu phản hồi được cảm biến nhận. Nếu tín hiệu quang học nhận được vượt quá ngưỡng đã định trước, tín hiệu đầu ra điện giảm tương ứng—cho phép suy luận vị trí dựa trên sự thay đổi tín hiệu.

Để đảm bảo chất lượng vận hành, các thiết bị phát hiện laser hồng ngoại cũng có thể theo dõi sự khác biệt nhiệt độ giữa các điểm tiếp xúc, hỗ trợ phát triển hệ thống theo dõi thông minh. Kỹ sư triển khai các hệ thống tích hợp bao gồm thiết bị phát laser, phản xạ và thu để cảm biến không dây vị trí của đầu tiếp xúc di chuyển qua sự ngắt quãng của tia sáng.

Trạng thái disconnector thời gian thực phải được truyền tới hệ thống điều khiển sau thông qua các mô-đun giao tiếp. Tuy nhiên, công nghệ này đòi hỏi sự căn chỉnh cực kỳ chính xác của thiết bị phát laser, phản xạ và cảm biến—đặt ra thách thức lớn trong quá trình lắp đặt thực tế. Ngoài ra, khoảng cách truyền tải hiệu quả tự nhiên bị hạn chế. Do đó, kỹ sư nên cải tiến các kiến trúc cảm biến laser hiện có để phát triển các hệ thống chuyên biệt cho disconnector xoay ngang.

Bằng cách phân tích sự thay đổi của tín hiệu laser nhận được, kỹ thuật viên có thể phân biệt đáng tin cậy giữa trạng thái mở và đóng. Trạng thái vị trí của disconnector được tóm tắt trong Bảng 1.

Như được thể hiện trong Bảng 1, công nghệ cảm biến quang cung cấp một phương pháp giám sát trong các ứng dụng thực tế không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, làm cho nó phù hợp với nhiều môi trường và tình huống. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm đáng kể: độ ổn định và an toàn tương đối thấp trong quá trình phát hiện hệ thống, không thể xác minh hoàn toàn chất lượng tiếp xúc khi công tắc cách ly ở vị trí đóng, và dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết xấu như mưa, tuyết, độ ẩm và tầm nhìn kém—dẫn đến giảm độ tin cậy và chính xác.

3.3 Công nghệ Phát hiện Điểm Tiếp Xúc

Công nghệ phát hiện điểm tiếp xúc xác định vị trí van cách ly dựa trên nguyên lý hoạt động của các tiếp điểm phụ trợ. Nó yêu cầu việc lắp đặt các điểm tiếp xúc phụ trợ tại các vị trí mở/đóng cụ thể của công tắc cách ly, với trạng thái thực sự của công tắc được suy ra từ sự kết nối của các tiếp điểm này.

Trong quá trình hoạt động, các tiếp điểm phụ trợ có thể được lắp đặt trong khu vực điện áp cao hoặc điện áp thấp. Khi được đặt trong khu vực điện áp cao, chuyển động cơ học do hành động mở/đóng của công tắc cách ly sẽ kích hoạt vật lý các tiếp điểm phụ trợ. Trạng thái hoạt động của các tiếp điểm phụ trợ này sau đó trực tiếp kiểm soát hoặc chỉ báo vị trí mở hoặc đóng của công tắc cách ly, cho phép phản ánh chính xác trạng thái thực tế. Tuy nhiên, sau thời gian hoạt động dài, mài mòn cơ học và sai lệch có thể làm giảm hiệu suất, đòi hỏi tối ưu hóa và nâng cấp.

Khi được lắp đặt trong khu vực điện áp thấp, hệ thống dựa vào các thành phần di chuyển bên trong tủ điều khiển để kích hoạt cơ học các tiếp điểm phụ trợ, từ đó hoàn thành thao tác mở/đóng cơ bản. Phương pháp này liên quan đến cơ chế truyền dẫn đa giai đoạn để phản ánh trạng thái của đầu tiếp xúc. Nếu bất kỳ thành phần nào trong chuỗi cơ khí này gặp sự cố hoặc hỏng hóc, hệ thống có thể không phản ánh chính xác trạng thái hoạt động thực sự của công tắc cách ly.

4. Xu hướng Phát triển Tương lai

Hiện nay, nghiên cứu và tiến bộ công nghệ trong hệ thống giám sát hoạt động của công tắc cách ly điện áp cao ở Trung Quốc đang trở nên ngày càng toàn diện. Tuy nhiên, nhiều trạm biến áp trong nước vẫn còn phụ thuộc vào quy trình chuyển mạch thủ công truyền thống. Cách tiếp cận này yêu cầu các kỹ thuật viên phải lặp đi lặp lại từng bước tại chỗ, gây ra sự không hiệu quả. Ngay cả đối với các bất thường tín hiệu đơn giản, kỹ thuật viên cũng phải di chuyển đến địa điểm. Sự phụ thuộc lâu dài vào vận hành thủ công tăng nguy cơ lỗi do con người, bỏ sót thao tác và tốc độ chuyển mạch chậm.

Với sự tích hợp và tiến bộ liên tục của các công nghệ bao gồm nhận dạng hình ảnh, mạng cảm biến, đo lường bằng laser và cảm biến áp suất, một loạt các phương pháp xác định vị trí công tắc cách ly đã xuất hiện. Sự hội tụ công nghệ này cung cấp các hướng nghiên cứu mới và hỗ trợ nền tảng cho tự động hóa và thông minh của các công tắc cách ly điện áp cao thông minh.

5. Kết luận

Tóm lại, việc giám sát vị trí mở/đóng của công tắc cách ly điện áp cao liên quan đến các quy trình hoạt động phức tạp và đa dạng. Bảo dưỡng định kỳ vẫn một phần phụ thuộc vào việc kiểm tra trực tiếp tại chỗ để đánh giá điều kiện hoạt động thực tế, và tất cả các hoạt động phải tuân thủ nghiêm ngặt các giao thức kỹ thuật đã được thiết lập. Hướng đi trong tương lai nằm ở việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào hệ thống giám sát để cuối cùng đạt được phát hiện vị trí thông minh, tự động và đáng tin cậy—mở đường cho hạ tầng trạm biến áp thông minh thế hệ tiếp theo.