一種用于特高壓輸電線路的非接觸式線路驗(yàn)電裝置

李吉文 陳先勇 賀義平 趙鋼

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.048

摘 要：現(xiàn)有輸電線路驗(yàn)電技術(shù)大多采用接觸式，用于特高壓線路時(shí)存在操作不便及一定的安全隱患。該文介紹的一種非接觸式線路驗(yàn)電裝置，基于垂直場(chǎng)強(qiáng)差分布曲線匹配方法，通過對(duì)垂直于地面、垂直于輸電線路走向的電場(chǎng)強(qiáng)度分量的測(cè)量，將其與仿真計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析得到輸電線路的帶電狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了在塔下非接觸式安全驗(yàn)電，確保了作業(yè)人員的安全。經(jīng)多條特高壓線路實(shí)測(cè)，采用這種算法的驗(yàn)電裝置驗(yàn)電準(zhǔn)確、安全便捷。為特高壓輸電線路驗(yàn)電提供了一種安全有效的新方法。

關(guān)鍵詞：輸電線路 工頻電場(chǎng) 非接觸式線路驗(yàn)電裝置

中圖分類號(hào)：TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（a）-0048-04

A Non-contact Line Charged Check Devicefor UHV Transmission Lines

Li Jiwen1 Chen Xianyong1 He Yiping1 Zhao Gang2

（1.Xinjiang power transmission & transformation engineering company，Urumqi Xinjiang，830011，China；2.Xian Guangyuan electric Co.，Ltd.，Xian Shaanxi，710065，China）

Abstract：Most of existing transmission line chargedcheck technology uses the contact， when used in UHV line is inconvenient operation and certain security risks. This paper introduces a kind of non-contact line charged check device， based on the vertical electric field intensity distribution curve matching method， based on the perpendicular to the ground， perpendicular to the electric field component of the transmission lines to measurements， with the standard data obtained by the simulation calculation comparison analysis get charged state of the transmission line. Realize non-contact safety inspection under the tower， ensure the safety of workers. By multiple UHV line measurement， the device using thisalgorithm inspection accurate， safe and convenient. The device provides a safe and effective new method for UHV transmission lines inspection.

Key Words：Transmission lines；Power frequency electric field；Non-contact line charged check device

《GB26859電力安全工作規(guī)程》第6.3.2條規(guī)定，高壓直流線路和330 kV及以上的交流線路，可使用帶金屬部分的絕緣棒或?qū)Ｓ玫慕^緣繩逐漸接近導(dǎo)線，根據(jù)有無放單聲和火花的驗(yàn)電方法，判斷線路是否帶電，驗(yàn)電時(shí)應(yīng)戴絕緣手套。但筆者在新疆特高壓輸電線路檢修工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，許多線路鐵塔高度都在七八十米以上，塔下無法驗(yàn)電，需要作業(yè)人員冒著大風(fēng)，攜帶數(shù)米長(zhǎng)的驗(yàn)電桿攀爬鐵塔到一定高度進(jìn)行驗(yàn)電，存在勞動(dòng)強(qiáng)度過大、操作困難及較大安全隱患。

為解決特高壓線路缺乏安全有效的驗(yàn)電手段的問題，筆者們研制了一種非接觸式線路驗(yàn)電裝置，它通過測(cè)量地面附近的垂直于地面及垂直于輸電線路走向的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度分量，可以準(zhǔn)確地判斷線路的帶電狀態(tài)。

裝置采用曲線匹配的算法，即對(duì)典型的特高壓輸電線路類型，單塔單回路，單塔雙回路和兩路并行的線路下方的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，得到線路下方一定高度范圍內(nèi)的仿真（曲線）數(shù)值，作為標(biāo)準(zhǔn)曲線庫(kù)保存。當(dāng)獲得一組實(shí)際測(cè)量（曲線）數(shù)值后，將其與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行逐條曲線相似性判斷，相似度最高的標(biāo)準(zhǔn)曲線作為匹配曲線，根據(jù)匹配標(biāo)準(zhǔn)曲線的屬性判斷出線路的帶電狀態(tài)。

經(jīng)過在新疆多地對(duì)750 kV的輸電線路的實(shí)際測(cè)量，裝置的測(cè)量準(zhǔn)確率達(dá)到了100%。

實(shí)踐證明，這種針對(duì)特高壓輸電線路，基于電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量的非接觸式線路驗(yàn)電裝置準(zhǔn)確可靠，為特高壓輸電線路驗(yàn)電提供了一種新方法。

1 裝置與測(cè)量

如圖1所示，裝置由兩部分構(gòu)成，前端探頭盒包含依次連接的感應(yīng)模塊、濾波模塊、采集模塊和信號(hào)處理模塊，感應(yīng)模塊測(cè)量位于測(cè)量路徑上各測(cè)量點(diǎn)的帶電體的電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波模塊低通濾波后，送至采集模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由信號(hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)處理后傳輸出去。

后端是一臺(tái)工業(yè)級(jí)的平板電腦，存儲(chǔ)有仿真得到的作為標(biāo)準(zhǔn)圖譜的橫向場(chǎng)強(qiáng)分布數(shù)據(jù)曲線。應(yīng)用程序根據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算生成測(cè)量曲線，將測(cè)量曲線與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行匹配識(shí)別。若測(cè)量曲線的最小值大于設(shè)定的帶電閥值，同時(shí)，將測(cè)量曲線與對(duì)應(yīng)類型輸電線路的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線逐條進(jìn)行距離計(jì)算，若距離的最小值小于距離閥值，則表示有電，顯示驗(yàn)電結(jié)果。

為盡量減小對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的干擾，裝置的前端通過電-光轉(zhuǎn)換，后端通過光-電轉(zhuǎn)換，使它們之間用光纖連接。

探頭盒下部有一個(gè)安裝孔，可以連接一個(gè)預(yù)制的托舉桿，操作人員可以手持托舉桿，將探頭盒舉過頭頂1 m，進(jìn)行驗(yàn)電操作。

裝置測(cè)量輸電線路下方工頻電場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量的方法是沿著線路垂直方向勻速走一定長(zhǎng)度的路徑，探頭盒將采集到的場(chǎng)強(qiáng)值上傳到平板電腦，生成采集數(shù)值集合（曲線），圖2是不同輸電線路類型所需要走過的路徑示意圖。

為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量路徑在輸電線路導(dǎo)線的外延還要延伸一段距離。

測(cè)量完成后，平板電腦將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤上。

2 標(biāo)準(zhǔn)圖譜

利用專業(yè)的電磁場(chǎng)仿真軟件，對(duì)750 kV和1 000 kV特高壓等級(jí)，對(duì)單塔單回路、單塔雙回路，兩（單回）路并行等常見的輸電線路類型，對(duì)不同的桿塔形狀，不同相序的輸電線路下方的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)曲線庫(kù)。

為使標(biāo)準(zhǔn)圖譜和實(shí)際測(cè)量一致，標(biāo)準(zhǔn)圖譜所要仿真的橫向長(zhǎng)度要符合測(cè)量路徑的要求，即圖2所示的長(zhǎng)度。例如標(biāo)號(hào)為7C1—SZ3（如圖3所示）的同塔雙回路桿塔，其最外側(cè)線路距中心15.6 m，則此桿塔在桿塔下方的仿真長(zhǎng)度為70.20 m。

下面是750 kV的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲線庫(kù)的例子。為清楚起見，只顯示了部分仿真曲線（見圖4、圖5）。

750 kV的仿真曲線從距地面14 m起，間隔2 m，一直到70 m止；1 000 kV從34 m到90 m，間隔2 m。

從仿真曲線上可以知道，對(duì)單塔雙回路輸電線路類型而言，無論桿塔類型如何，無論相序如何，兩路帶電的基本形狀都是從雙峰形逐漸演變成凸包形，一路帶電是滑梯形。曲線特征非常明顯。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)與曲線匹配計(jì)算

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6是烏吐線兩路帶電時(shí)在兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，圖7是烏吐線一路帶電時(shí)在3個(gè)測(cè)量點(diǎn)得到的測(cè)量數(shù)據(jù)。圖6和圖7的測(cè)量數(shù)據(jù)是經(jīng)過挑選的，有代表性，大多數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)的曲線特征都與此相似。圖中橫坐標(biāo)表示在測(cè)量路徑上測(cè)到的點(diǎn)位置，縱坐標(biāo)表示場(chǎng)強(qiáng)。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于環(huán)境、電纜高度等因素的影響，即使是同一條線路，不同地點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)是不同的。

在兩路帶電時(shí)，如圖6測(cè)得的數(shù)據(jù)基本呈現(xiàn)雙峰型或鼓型；在一路帶電時(shí)，如圖7測(cè)得的數(shù)據(jù)基本呈現(xiàn)滑梯型。這些特征與仿真曲線的特征基本一致。

電場(chǎng)分布受環(huán)境的影響較大，測(cè)量路徑上的遮擋物、障礙物都會(huì)造成電場(chǎng)的局部畸變，使得測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重偏離正常的電場(chǎng)分布，造成測(cè)量結(jié)果失效。更嚴(yán)重的，可能造成判斷錯(cuò)誤。因此，在實(shí)測(cè)時(shí)，盡量在空曠、平整的空地上選擇一條測(cè)量路徑進(jìn)行測(cè)量。可以在一條路徑上反復(fù)測(cè)量幾次，綜合幾次的判斷結(jié)果最終確定線路的帶電狀態(tài)。

3.2 曲線匹配計(jì)算

從圖4和圖5的仿真曲線，以及圖6和圖7的測(cè)量曲線形狀看，測(cè)量曲線與某些標(biāo)準(zhǔn)曲線存在著一定的形狀相似性。通過比較測(cè)量曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的相似度，一條測(cè)量曲線可以尋找到“最佳”匹配的標(biāo)準(zhǔn)曲線。通過這條匹配標(biāo)準(zhǔn)曲線的屬性就可以判斷曲線的帶電狀況。

其次，測(cè)量曲線有很多的鋸齒，這可能是干擾或測(cè)量誤差造成的，因此需要對(duì)曲線進(jìn)行光滑濾波處理。

設(shè)測(cè)量曲線為，對(duì)其進(jìn)行一次自適應(yīng)濾波，

然后再進(jìn)行3次B樣條插值，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)曲線的點(diǎn)個(gè)數(shù)為，根據(jù)B樣條插值函數(shù)計(jì)算出個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值，歸一化處理后，設(shè)為；假設(shè)一條歸一化以后的標(biāo)準(zhǔn)曲線為，計(jì)算兩條曲線的距離，得出測(cè)量曲線與一條標(biāo)準(zhǔn)曲線的距離。遍歷標(biāo)準(zhǔn)曲線庫(kù)，取對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線的屬性就可以判斷出線路的帶電狀態(tài)。

根據(jù)兩條曲線間距離的不同定義，可以衍生出不同的曲線匹配算法。此外，根據(jù)兩條曲線間的相關(guān)性，即相關(guān)系數(shù)，也能較好地進(jìn)行匹配判斷。

在匹配算法中，針對(duì)每一種算法，設(shè)定了兩個(gè)閥值A(chǔ)和B，閥值A(chǔ)的含義是帶電閥值，閥值B的含義是匹配閥值，當(dāng)測(cè)量曲線的平均值小于等于閥值A(chǔ)時(shí)，判斷線路不帶電，給出結(jié)論；當(dāng)測(cè)量曲線的平均值大于閥值A(chǔ)時(shí)，判斷線路帶電，但此時(shí)有可能是一路帶電；需要進(jìn)一步判斷。當(dāng)測(cè)量曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的最小距離小于閥值B，則給出判斷結(jié)果，否則給出無法判斷的結(jié)論。

線路不帶電時(shí)，其下方的電場(chǎng)強(qiáng)度與正常環(huán)境下的差別不大，都在兩位數(shù)以下，而當(dāng)線路帶電時(shí)，線路下方的場(chǎng)強(qiáng)都在三位數(shù)以上。仿真和實(shí)測(cè)都證實(shí)了這一點(diǎn)。因此，通過設(shè)定適合的閥值A(chǔ)，可以容易地確定線路是否帶電，且不會(huì)誤判。對(duì)于單回路線路，閥值A(chǔ)就能給出結(jié)論，而對(duì)雙回路線路或兩路并行線路，當(dāng)閥值A(chǔ)判斷有電時(shí)，進(jìn)一步判斷是兩路都帶電還是其中一路帶電，哪路帶電成了關(guān)鍵，這也是匹配算法要解決的關(guān)鍵問題。

在應(yīng)用軟件中，我們對(duì)一條測(cè)量曲線順序采用多種算法進(jìn)行判斷，只有當(dāng)所有的判斷都一致，或僅有一個(gè)例外時(shí)，軟件才給出分析結(jié)論。否則軟件不給確定的結(jié)論。

筆者在新疆對(duì)750 kV的線路進(jìn)行了多次實(shí)地測(cè)量，測(cè)量樣本包含單塔單回路、單塔雙回路、兩路并行等輸電線路類型，包含了很多的桿塔類型和相序排列類型，以及帶電、部分帶電、不帶電等情形，有效的測(cè)量樣本數(shù)大約320個(gè)。對(duì)這些樣本的分析判斷結(jié)果與實(shí)際情況完全一致。

4 結(jié)語

非接觸式驗(yàn)電裝置能夠?qū)?50 kV電壓等級(jí)的輸電線路進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)電，是否能取代傳統(tǒng)的驗(yàn)電方式還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。

此驗(yàn)電裝置還有不少改進(jìn)的空間，其一是對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求，即要求有一個(gè)空曠平整的空地進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)這個(gè)問題，我們也在改進(jìn)測(cè)量方法和算法，比如通過測(cè)量輸電線路下方幾個(gè)特征點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，判斷出線路的帶電狀態(tài)。其二是前端裝置和平板電腦間是有線連接，實(shí)際測(cè)量有不便之處，為此，我們也在嘗試通過改進(jìn)采集處理流程，預(yù)補(bǔ)償算法等消除無線連接對(duì)局部電場(chǎng)造成的影響。

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