一种用于变电站的智能巡检安全头盔的制作方法

本发明涉及一种电力系统用防护用品，具体地讲涉及一种用于变电站的智能巡检安全头盔。

背景技术：

构成电网三个单元变电、输电、配电中的变电站是改变电压的场所。为了把发电厂发出来的电能输送到较远的地方，需经历将电压升高，变为高压电，到用户附近再按需要把电压降低，这种升降电压的工作靠变电站来完成。变电站的主要设备是开关和变压器。按规模大小不同，小的称为变电所，大的称为变电站。变电所：一般是电压等级在110KV以下的降压变电站；变电站：包括各种电压等级的“升压、降压”变电站。

为满足智能化变电站的需求，未来变电站设备将逐步走向功能集成化和结构一体化，一、二次设备的融合将更加紧密，界限也将更加模糊。实现综合分析、自动协同控制是变电站智能化的关键，设备信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、检修自动化是发展方向。而巡检手段和安全措施急需随之智能化。

变电站的安全措施主要是指在变电运行及检修工作中，保证人身、电网及设备安全的安全措施。其中，安全帽是防止冲击物伤害工作人员头部保证人生安全的防护用品。现有的安全帽还不能作为变电站运行及检修工作中确保巡检安全的防护用品，无集成传感、定位、照明、成像、显示、报警及通信等功能的用于变电站的智能巡检安全头盔。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于变电站的智能巡检安全头盔。

一种用于变电站的智能巡检安全头盔，其特征在于，所述安全头盔包括壳体和功能单元；

所述壳体由改性聚丙烯塑料、超高分子聚乙烯塑料或聚碳酸酯塑料制成；

所述功能单元包括工频电场传感器、工频磁场传感器、红外热像仪、加速度传感器、UWB定位单元、信号处理及电源单元、LED照明灯、显示单元、声光报警单元和通信单元。

进一步的，所述工频电场传感器包括检测工频电场强度并将结果传送至所述信号处理及电源单元的无电极型电场强度传感器或基于微机电系统技术的电场强度传感器；

所述工频磁场传感器包括检测工频磁场强度并将结果传送至所述信号处理及电源单元的磁通门传感器；

所述红外热像仪包括内置激光测距仪的工业检测型红外热像仪，以获取目标的红外热像图、温度和距离，并将结果传送至所述信号处理及电源单元；

所述加速度传感器包括监测所述安全头盔佩戴人员的实时姿态状况并将结果传送至所述信号处理及电源单元的三轴加速度传感器；

所述UWB定位单元包括确定所述安全头盔佩戴人员在变电站范围内分或米级精度的位置，并将结果传送至所述信号处理及电源单元。

进一步的，所述信号处理及电源单元包括的电源部分由充电电池组成，为其他各单元供电；信号处理部分包括对工频电场传感器、工频磁场传感器、红外热像仪、加速度传感器、UWB定位单元所采集数据的处理，以及对声光报警诊断的判别，并通过通信单元与变电站运监中心交互信息。

进一步的，所述采集数据的处理包括：根据工频电场传感器、工频磁场传感器、红外热像仪、加速度传感器、UWB定位单元所采集的数据，确定佩戴所述安全头盔的工作人员接近带电体的距离和带电体的电压等级。

进一步的，所述声光报警诊断包括对佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离和带电体的电压等级的判别：

按下式确定佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离：

d＝a×d₀

其中，d₀为根据安全距离的标准设定的安全距离；a为设定的正实数；当a∈(1.25，∞)时，所述声光报警单元的绿颜色信号灯亮且蜂鸣器不响；当a∈(1，1.25])时，所述声光报警单元的黄颜色信号灯亮且蜂鸣器断续地响；当a∈(0，1]时，所述声光报警单元的红颜色信号灯亮且蜂鸣器连续响。

进一步的，所述LED照明灯为所述安全头盔佩戴人员提供照明的所述安全头盔的照明顶灯。

进一步的，所述显示单元为眼镜式佩戴结构，通过数据线与所述信号处理及电源单元连接，显示所述工频电场传感器监测的电场强度数值、所述工频磁场传感器监测的磁场强度数值、所述红外热像仪监测的热像图、温度和显示变电站运监中心的指令。

进一步的，所述声光报警单元当佩戴所述安全头盔工作人员误入高场强区时的声光报警；声光报警单元由红黄绿三种颜色的信号灯和蜂鸣器组成；声光报警指令由信号处理及电源单元的信号处理部分提供。

进一步的，所述通信单元由蓝牙、WiFi和WiGig通信模块组成，实现其与检修用手持移动终端和变电站内无线通信基站的信息交互与数据共享通信；所述WiGig通信模块，用符合IEEE 802.11ad的WiGig技术，工作频段为59GHz～64GHz，使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode进行安全保护，支持的最大传输速度为Gbit/s数量级。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明提供的技术方案在保证工作人员的人身安全方面具有实用价值和有益效果如下：

1)因为本发明所述安全头盔中集成了工频电场传感器，所以能检测安全头盔佩戴人员的工频电场辐射强度和持续时间，为工作人员的电磁辐射防护提供了可靠的健康卫生数据；

2)因为本发明所述安全头盔中集成了工频磁场传感器，所以能检测安全头盔佩戴人员的工频磁场辐射强度和持续时间，为工作人员的电磁辐射防护提供了可靠的健康卫生数据；

3)因为本发明所述安全头盔中集成了加速度传感器、UWB定位单元及通信单元，所以，在变电站运监测中心中能实时准确对佩戴所述安全头盔人员的身体状况例如跌倒、碰撞情况进行及时监测，进而可以保障工作人员的人身安全；

4)因为本发明所述安全头盔中集成了UWB定位单元及通信单元，所以，所述安全头盔佩戴人员在变电站范围内的位置定位信息，能准确在变电站运监中心中显示出来；

5)所述LED照明灯是所述安全头盔的照明顶灯，为佩戴所述安全头盔的人员提供照明，便于无日照或日照不足时进行巡检工作；

6)佩戴所述安全头盔的工作人员在接近带电体的一定距离范围内时会发出声光报警，而且不同的距离有不同的声光报警；当佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离大于1.25倍的安全距离时，所述声光报警单元的绿颜色信号灯亮且蜂鸣器不响；当佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离小于或等于1.25倍的安全距离而大于安全距离时，所述声光报警单元的黄颜色信号灯亮且蜂鸣器断续地响；当佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离小于或等于安全距离时，所述声光报警单元的红颜色信号灯亮且蜂鸣器连续响。

2、本发明提供的技术方案在巡检手段的智能化、自动化方面具有实用价值和有益效果体现在以下3个方面：

1)本发明所述安全头盔中集成了工频电场传感器、工频磁场传感器、加速度传感器和UWB定位单元，分米级的定位精度的工频电场辐射强度数据和工频磁场辐射强度数据用于判定变电站的电磁场异常情况，进而能准确可靠支撑变电站内的设备与装置的故障诊断；

2)本发明所述安全头盔是红外热像仪与多种传感器及UWB定位单元集成，通过所采集数据的处理分析，针对变电站内的电流致热效应、电压致热效应或其他致热效应的各电压等级设备，例如电机、变压器、电抗器、断路器、隔离开关、互感器、套管、电力电容器、避雷器、电力电缆、母线、导线、绝缘子、组合电器、低压电器及二次回路等进行致热型设备缺陷的诊断判别，对故障的诊断提供了可靠的支撑；

3)因为本发明所述安全头盔中集成了红外热像仪、加速度传感器和UWB定位单元等，而且所述红外热像仪内置红外线测距离传感器，所以，相对于DL/T 664-2008《带电设备红外诊断应用规范》的技术而言，增加了致热型设备故障的位置定位功能，能提高变电站的检修质量和效率，也对变电站内设备故障的诊断提供了可靠的支持手段。

3、本发明提供的技术方案在保证人身安全的同时，改进了保障变电站设备安全的巡检手段，能提高变电站的检修质量和效率，满足变电站运行管理和检修的自动化与智能化的需求。

附图说明

图1为智能巡检安全头盔功能单元组成；

图2为本发明的智能巡检安全头盔通过通信单元与变电站运监中心的信息交互图。

具体实施方式

电力系统中，一次系统是指由发电机、送电线路、变压器、断路器等，发电、输电、变电、配电等设备组成的系统。它们是电力系统的主体，其功能是将发电机所发出的电能，经过输变电设备，逐级降压送到配电系统，而后再由配电线路把电能分配到用户。二次系统是由继电保护、安全自动控制、系统通讯、调度自动化、DCS自动控制系统等组成的系统。二次系统是电力系统不可缺少的重要组成部分，它是实现人与一次系统的联系监视、控制，使一次系统能安全经济地运行。

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，用以切断或接通、改变或者调整电压，将各级电压的电网联系起来。是输电和配电的集结点。变电站主要包括变压器、互感器、开关设备、防雷设备等。开关设备包括断路器、隔离开关、负荷开关、高压熔断器等，都是断开和合上电路的设备。

六氟化硫全封闭组合电器(GIS)把断路器、隔离开关、母线、接地开关、互感器、出线套管或电缆终端头等分别装在各自密封间中，后集中组成一个整体外壳，并充以六氟化硫气体作为绝缘介质。这种组合电器具有结构紧凑体积小重量轻不受大气条件影响，检修间隔长，无触电事故和电噪声干扰等优点。它的缺点是价格较贵，制造和检修工艺要求高。

下面结合附图，以两个实施案例，对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

一、以A省电力公司某220kV智能化变电站运维人员佩戴本发明的智能巡检安全头盔为例

1.1、应用本发明的具体实施方式

本发明的智能巡检安全头盔功能单元组成如图1所示。

(1、一种用于变电站的智能巡检安全头盔，其特征在于：所述安全头盔包括壳体和壳体中的功能单元；

(1.1所述壳体是改性聚丙烯塑料、超高分子聚乙烯塑料或聚碳酸酯塑料的安全帽；

(1.2所述壳体中的功能单元包括工频电场传感器、工频磁场传感器、红外热像仪、加速度传感器、UWB定位单元、信号处理及电源单元、LED照明灯、显示单元、声光报警单元以及通信单元；

(1.3所述工频电场传感器采用无电极型电场强度传感器或基于MEMS(微机电系统)技术的电场强度传感器，完成工频电场强度测试，并将结果传送至所述信号处理及电源单元；

(1.4所述工频磁场传感器采用磁通门传感器，完成工频磁场强度测试，并将结果传送至所述信号处理及电源单元；

(1.5所述红外热像仪采用工业检测型红外热像仪，内置激光测距仪，获取被测目标的红外热像图、温度和距离，并将结果传送至所述信号处理及电源单元；

(1.6所述加速度传感器采用三轴加速度传感器，完成所述安全头盔佩戴人员的跌倒、碰撞情况监测，并将结果传送至所述信号处理及电源单元；

(1.7所述UWB定位单元完成所述安全头盔佩戴人员在变电站范围内的位置定位，位置定位精度为分米级，并将结果传送至所述信号处理及电源单元；

(1.8所述LED照明灯是所述安全头盔的照明顶灯，为所述安全头盔佩戴人员提供照明；

(1.9所述信号处理及电源单元包括信号处理部分和电源部分，电源部分由充电电池组成，为其他各单元供电；

(1.10所述显示单元为眼镜式佩戴结构，通过数据线与所述信号处理及电源单元连接，显示所述工频电场传感器监测的电场强度数值、所述工频磁场传感器监测的磁场强度数值、所述红外热像仪监测的热像图和温度、显示变电站运监中心的指令；

(1.11所述声光报警单元当佩戴所述安全头盔工作人员误闯高场强区，进行声光报警；声光报警单元由红黄绿三种颜色的信号灯和蜂鸣器共同组成；声光报警指令由信号处理及电源单元的信号处理部分提供；

(1.12所述通信单元由蓝牙、WiFi和WiGig通信模块组成，完成与检修用手持移动终端、变电站内无线通信基站的信息交互与数据共享通信；WiGig通信模块，采用符合IEEE 802.11ad的WiGig技术，工作于59GHz～64GHz频段，使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode来进行安全保护，支持的最大传输速度为Gbit/s数量级；

(2、如权利要求(1所述的安全头盔，其特征在于：所述的信号处理及电源单元的信号处理部分完成工频电场传感器、工频磁场传感器、红外热像仪、加速度传感器、UWB定位单元所采集数据的处理，以及声光报警诊断判别，并通过通信单元与变电站运监中心交互信息。

(3、如权利要求(2所述的采集数据的处理，其特征在于：所述的采集数据的处理，根据工频电场传感器、工频磁场传感器、红外热像仪、加速度传感器、UWB定位单元所采集的数据，得出佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离和带电体的电压等级；

(4、如权利要求(2所述的声光报警诊断判别，其特征在于：

(4.1所述的声光报警诊断判别依据为佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离和带电体的电压等级；

(4.2所述的声光报警诊断判别逻辑为，报警条件根据安全距离相关标准确定安全距离d0，设定正实数为a，佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离为d＝a×d0，当a∈(1.25,∞)时，所述声光报警单元的绿颜色信号灯亮且蜂鸣器不响；当a∈(1,1.25])时，所述声光报警单元的黄颜色信号灯亮且蜂鸣器断续地响；当a∈(0,1]时，所述声光报警单元的红颜色信号灯亮且蜂鸣器连续响；

(4.3所述的声光报警诊断判别的上述结果由信号处理及电源单元提供给所述声光报警单元，使红黄绿三种颜色的信号灯和蜂鸣器发生相应动作。

本发明的智能巡检安全头盔通过通信单元与变电站运监中心的信息交互如图2所示。所述的信号处理及电源单元的信号处理部分接收以下信息：工频电场传感器输出的电场强度数据、工频磁场传感器输出的磁场强度数据、红外热像仪输出的温度数据与图像视频、加速度传感器输出的加速度数据、UWB定位单元输出的位置定位数据以及通信单元输出的来自检修用手持移动终端和变电站内无线通信基站的信息；所述的信号处理及电源单元的信号处理部分向显示单元、声光报警单元以及通信单元发送信息。变电站运监中心通过变电站内无线通信基站，与检修用手持移动终端和本发明的智能巡检安全头盔交互信息。本发明的智能巡检安全头盔内部的通信单元，通过蓝牙、WiFi和WiGig无线通信方式，与检修用手持移动终端和变电站内无线通信基站交互信息。

变电站内配置4个UWB定位微基站，即变电站内UWB定位微基站1至4，覆盖整个变电站，保证所述UWB定位单元来完成所述安全头盔佩戴人员在变电站范围内的位置定位，实现厘米级的位置定位精度。

1.2、关于所述的安全距离与声光报警诊断判别逻辑

安全距离相关标准确定安全距离d₀。相关标准主要指GB26860-2011《电业安全工作规程(发电厂和变电站电气部分)》，其中规定了三种安全距离，如表1所示。三种情况下的三种安全距离分别是设备不停电时的安全距离、人员工作中与设备带电部分的安全距离、带电作业时人身与带电体的安全距离，在220kV变电站中进行故障排查时，安全距离d₀分别取3.00m、3.00m、1.8m，即有2种d₀取值：3.00m和1.8m。

(1)当d₀取3.00m，即220kV变电站中设备不停电时，佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离为d＝a×3.00，单位为米。当a∈(1.25,∞)时，即d∈(3.75,∞)时，所述声光报警单元的绿颜色信号灯亮且蜂鸣器不响；当a∈(1,1.25]时，即d∈(3.00,3.75]时，所述声光报警单元的黄颜色信号灯亮且蜂鸣器断续地响；当a∈(0,1]时，即d∈(0,3.00]时，所述声光报警单元的红颜色信号灯亮且蜂鸣器连续响；这就是所述的声光报警诊断判别逻辑：报警条件根据安全距离相关标准确定。

(2)当d₀取1.8m，即220kV变电站中带电作业时，佩戴所述安全头盔工作人员接近带电体的距离为d＝a×1.8，单位为米。当a∈(1.25,∞)时，即d∈(2.25,∞)时，所述声光报警单元的绿颜色信号灯亮且蜂鸣器不响；当a∈(1,1.25]时，即d∈(1.8,2.25]时，所述声光报警单元的黄颜色信号灯亮且蜂鸣器断续地响；当a∈(0,1]时，即d∈(0,1.8]时，所述声光报警单元的红颜色信号灯亮且蜂鸣器连续响；这就是所述的声光报警诊断判别逻辑：报警条件根据安全距离相关标准确定。

表1 GB26860-2011《电业安全工作规程(发电厂和变电站电气部分)》中的三种安全距离

1.3、具体实施型号选取举例

工频电场传感器为无电极型工频电场强度传感器或基于MEMS(微机电系统)技术的电场强度传感器。工频磁场传感器为三端式磁通门传感器。红外热像仪为工业检测型在线红外热像仪，内置激光测距仪。加速度传感器为三轴加速度传感器。UWB定位单元为UBI sense UWB，属于Local Sense无线定位系统。LED照明灯为小颗粒白光LED灯。信号处理及电源单元内的电源单元采用聚合物12V锂电池。显示单元为眼镜式佩戴结构，采用索尼的头戴式显示器(Sony SmartEyeglasses)。通信单元由蓝牙、WiFi和WiGig通信模块组成，WiGig通信模块符合IEEE 802.11ad标准，工作于59GHz～64GHz频段，使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode来进行安全保护，支持的最大数据传输速度为7Gbit/s。

2、应用本发明的消除故障隐患案例

变电站内变压器故障可分为内部故障和外部故障，内部故障是指变压器本体内部绝缘或绕组出现的故障，外部故障是指变压器辅助设备出现的故障。运维人员佩戴本发明的智能巡检安全头盔对变压器进行检测，发现某220kV智能化变电站内变压器接头过热现象。分析可知，变压器引线通过变压器套管内腔引出与外部电路相连，引线是靠套管支撑和绝缘的。由于套管上端帽罩(将军帽)封闭不严而进水，引线主绝缘受潮而击穿，或变压器严重缺油使油箱内引线暴露在空气中，造成内部闪络，都会在引线处发生故障。结合变压器接头过热的热像图，诊断可知，引线主绝缘受潮，正在发生发电击穿现象，有可能引发引线绝缘故障或变压器套管闪络或爆炸。及时检修处理后，避免了一起变压器引发的严重故障。所以，本发明具有实用价值和有益效果。

二、以B省电力公司某GIS智能化变电站运维人员佩戴本发明的智能巡检安全头盔为例

GIS设备的常见故障可分为两大类，(1)与常规设备性质相同的故障，如断路器操动机构的故障等；(2)GIS的特有故障，如GIS绝缘系统的故障、内部放电、内部元件故障等。

应用本发明的具体解决方案如下。

B省电力公司某GIS智能化变电站采用双母并列运行。新建、改扩建或大修后运维人员佩戴本发明的智能巡检安全头盔对GIS设备精确检测并建立图库，将测试数据及图像存入相关数据库，进行动态管理。根据同类设备的正常状态和异常状态的热像图，判断设备是否正常。结合DL/T 664-2008《带电设备红外诊断应用规范》进行故障诊断判断，判断方法包括：表面温度判断法、同类比较判断法、图像特征判断法、相对温差判断法、档案分析判断法以及实时分析判断法。

运维人员佩戴本发明的智能巡检安全头盔对GIS设备进行检测，发现某智能化变电站110kV设备区室外GIS电缆终端外壳灼烧变色现象，为了排除各种干扰因素对图像的影响，结合电气试验或化学分析的结果，进行综合判断。可知，GIS内部不清洁、运输中的意外碰撞或和绝缘件质量低劣等原因引起GIS内部发生放电，导致图中异常现象。故障处理后GIS设备恢复正常。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。