電力鐵塔運行狀態(tài)智能在線監(jiān)測的研究及應(yīng)用

張元軍　李清華

【摘 要】目前，在高壓輸電線路中對鐵塔運行姿態(tài)（沉降/傾斜）、接地網(wǎng)阻值、接地引下線狀態(tài)進(jìn)行檢測的常規(guī)方法是人工周期巡檢，此方法，對于鐵塔在運行過程中的狀態(tài)無法實時監(jiān)測。針對目前檢測方法的不足，研制出鐵塔運行狀態(tài)智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時在線監(jiān)測鐵塔運行姿態(tài)（沉降/傾斜）、接地網(wǎng)阻值、接地引下線狀態(tài)，最后通過無線通信將結(jié)果發(fā)到狀態(tài)監(jiān)測工作站，從而將常規(guī)的周期巡檢變成實時在線的狀態(tài)監(jiān)測。通過現(xiàn)場實際運行示例，驗證了鐵塔運行狀態(tài)智能在線監(jiān)測具有很強(qiáng)的實用性、可靠性、穩(wěn)定性，值得在電力鐵塔輸電線路中推廣使用。

【關(guān)鍵詞】鐵塔；沉降/傾斜；接地網(wǎng)；接地引下線；智能在線監(jiān)測

【Abstract】At present， in the HV transmission line tower running posture（settlement/tilt）， grounding resistance， grounding lead line state detection of the conventional method is artificial periodic inspection. This method， for the tower in the running process of the state can not be real-time monitoring. aiming at shortcomings of the detection method of the developed tower operation state intelligent online monitoring system， real-time online monitoring tower running posture（settlement/tilt）， grounding resistance， grounding lead offline state， finally through wireless communication sends the result to the state monitoring workstation， which will regular inspection cycle into real-time online condition monitoring. based on the actual operation of the site， it is proved that the intelligent on-line monitoring of the towers running state is practical， reliable and stable， and it is worth popularizing in the power tower transmission line.

【Key words】Power tower； Settlement/tilt； Grounding grid； Grounding guide line； Intelligent online monitoring

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，供電需求量逐年增長，相應(yīng)的，對于供電可靠性要求越來越高。鐵塔作為輸電線路的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著安全可靠輸送電能的重要任務(wù)，因此，鐵塔的可靠穩(wěn)定運行顯得尤為重要。目前，對鐵塔運行狀態(tài)檢測采用計劃周期巡檢方法，存在一定的安全隱患與不足，從而需要一種新的方法來解決當(dāng)前運行現(xiàn)狀中存在的隱患以及目前采取措施存在的不足。

1 當(dāng)前運行現(xiàn)狀及產(chǎn)生隱患的原因

現(xiàn)階段由于諸多原因?qū)е妈F塔的運行現(xiàn)狀還存在很大的安全隱患，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）高壓輸電線路受自身重力、外界風(fēng)沙、暴雨、冰雪等環(huán)境作用，鐵塔地基容易發(fā)生傾斜、開裂、滑移等現(xiàn)象，從而引起鐵塔變形、傾斜、甚至倒塔斷線。鐵塔傾斜容易導(dǎo)致電氣安全距離不夠，影響輸電線路正常運行，倒塔斷線將使供電線路陷于癱瘓，嚴(yán)重時將影響到供電安全和供電可靠[1]。

（2）隨著環(huán)境條件的不斷變化，極端天氣時有發(fā)生，雷雨天氣不斷增多，雷擊引起輸電線路跳閘故障日漸增多，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞、大面積停電、電網(wǎng)瓦解等惡性后果。

（3）鐵塔接地網(wǎng)土壤電阻率發(fā)生變化，接地網(wǎng)腐蝕，氣象環(huán)境變化等，導(dǎo)致鐵塔在運行過程中接地網(wǎng)接地電阻增大，達(dá)不到防雷效果。

（4）鐵塔接地引下線與接地體之間接觸不良，接地點脫落或接觸不可靠，起不到防雷泄流的作用。

2 目前采取措施及不足

針對目前電力鐵塔運行現(xiàn)狀，檢測主要采取如下措施：

（1）采用周期巡檢方式來人為觀測鐵塔運行姿態(tài)，這是當(dāng)前常規(guī)的檢測手段。

（2）由于防雷要求，需要快速的將雷擊電流通過鐵塔泄放到大地，行業(yè)內(nèi)基本做法是在鐵塔下面鋪設(shè)接地網(wǎng)，從而達(dá)到快速引流的作用，而接地網(wǎng)接地電阻值是常用的一種判斷接地網(wǎng)狀態(tài)的方式。

（3）按《架空送電線路運行規(guī)程》的要求，需要定期對鐵塔接地電阻以及接地狀態(tài)進(jìn)行測試，及時檢測出接地電阻超標(biāo)以及接地狀態(tài)不可靠的鐵塔，更新和改造接地電阻值不滿足要求的接地線，必要時可增加線路接地線數(shù)量，對接地電阻值較大的，應(yīng)使用降阻劑、碳粉等將接地電阻值控制在合格范圍內(nèi)。

通過上面的這些措施雖然能發(fā)現(xiàn)一部分鐵塔狀態(tài)不正常的現(xiàn)狀，但還是存在一些不足：

（1）由于鐵塔運行姿態(tài)（沉降/傾斜）的變化一般都是緩慢變化過程，在初期，巡線人員很難用肉眼觀察到微小的變化，另外，靠人力進(jìn)行的周期巡檢存在一定的主觀性，某些參數(shù)人工實測困難，無法滿足鐵塔實時監(jiān)測的需求，嚴(yán)重影響供電安全和工業(yè)生產(chǎn)，容易造成巨大損失[2-3]。

（2）受限于目前人力以及檢測設(shè)備功能性、便攜性方面原因，鐵塔接地網(wǎng)阻值以及接地狀態(tài)目前只能通過每年春檢進(jìn)行檢測分析，不能進(jìn)行實時監(jiān)測，將會存在接地網(wǎng)阻值增大或接地狀態(tài)已不能滿足要求，但因沒有發(fā)現(xiàn)而得不到及時的維修或更換，可能帶來很大的安全隱患和財產(chǎn)損失[4-5]。

3 鐵塔運行狀態(tài)智能在線監(jiān)測方案

針對目前在電力鐵塔運行狀態(tài)檢測方法中存在的隱患與不足之處，研制設(shè)計出了一套電力鐵塔運行狀態(tài)智能在線監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過接地極接入地網(wǎng)來監(jiān)測接地電阻、通過接地引下線來監(jiān)測鐵塔接地狀態(tài)、通過姿態(tài)（沉降/傾斜）傳感器來收集鐵塔姿態(tài)變化情況，最后通過運營商網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)結(jié)果發(fā)到狀態(tài)監(jiān)測工作站或遠(yuǎn)程智能監(jiān)控終端。通過此在線系統(tǒng)，將常規(guī)的鐵塔定期巡檢變成實時在線的狀態(tài)監(jiān)測。

電力鐵塔運行狀態(tài)智能在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1。

通過在各鐵塔上安裝一套鐵塔運行狀態(tài)智能在線裝置，此裝置能實時在線監(jiān)測鐵塔的各項數(shù)據(jù)（鐵塔沉降/傾斜、接地網(wǎng)阻值、接地狀態(tài)）。各裝置之間通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到后臺的狀態(tài)監(jiān)測工作站，工作站也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)操作指令。在工作站中，能實時監(jiān)測到各鐵塔監(jiān)測點運行狀況，如有閾值超標(biāo)，將及時報警，提醒運行人員及時進(jìn)行維護(hù)、檢修。

電力鐵塔狀態(tài)智能在線監(jiān)測系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)，需要系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點共同發(fā)揮作用，作為系統(tǒng)內(nèi)重要的在線監(jiān)測裝置的模塊設(shè)計框圖如圖2。

圖2 在線監(jiān)測裝置模塊設(shè)計框圖

Fig.2 Online Monitoring System Module Design Diagram

裝置通過對姿態(tài)傳感器（沉降/傾斜）、接地電阻監(jiān)測、接地引下線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的結(jié)果通過無線方式傳給遠(yuǎn)程終端或者狀態(tài)監(jiān)測工作站，另外，裝置采用光伏/蓄電池雙電源供電方案。

4 系統(tǒng)功能

4.1 鐵塔姿態(tài)變化監(jiān)測

系統(tǒng)對鐵塔姿態(tài)變化的監(jiān)測主要是利用InvenSence公司生產(chǎn)的傳感器 MPU6050，它是全球首例整合性六軸傳感器，集成了3 軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴(kuò)展的數(shù)字運動處理器DMP（Digital Motion Processor）。MPU6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec（dps），可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。

MPU6050是一款姿態(tài)傳感器，通過它可以得到待測物體（如鐵塔、平衡車）x、y、z軸的傾角（俯仰角 Pitch、滾轉(zhuǎn)角Roll、偏航角Yaw）。工作時，通過I2C可以讀取到MPU6050的六個數(shù)據(jù)（三軸加速度 AD 值、三軸角速度AD值）經(jīng)過姿態(tài)融合后就可以得到傾角[6-10]。

系統(tǒng)通過對傳感器 MPU6050采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以計算出該位置鐵塔的姿態(tài)變化情況，比如，鐵塔是否沉降/傾斜，沉降的深度，傾斜的角度，方便維護(hù)人員定位處理。

4.2 接地電阻監(jiān)測

通過將電極插入鐵塔的接地網(wǎng)中，對電極注入異頻信號，然后采集返回的電信號，在 MCU 內(nèi)部經(jīng)過處理，可以得出該鐵塔所處位置地網(wǎng)的接地電阻的趨勢變化情況，通過對趨勢曲線的判斷，裝置可以判斷出該位置鐵塔接地網(wǎng)運行情況。另外，后臺的狀態(tài)監(jiān)測工作站同時可以對多個鐵塔進(jìn)行監(jiān)測，在整條線路都安裝監(jiān)測裝置后，能得出整條輸電線路鐵塔的接地網(wǎng)運行情況。

采用異頻信號注入電極的檢測技術(shù)，可以在系統(tǒng)不斷電的情況下進(jìn)行實時檢測。另外，由于采用異頻信號，可以解決地網(wǎng)中零序電流的干擾，同時高頻干擾問題也將迎刃而解。

裝置對接地電阻測量參數(shù)：

測試電壓：AC220V；

測試電流：≤5A；

測試頻率：異頻可設(shè)置；

測量范圍：0～600Ω，精度0.5%。

4.3 接地引下線監(jiān)測

接地引下線是鐵塔與地網(wǎng)的連接部分。在電力設(shè)備的長時間運行過程中，連接處有可能因受潮等因素影響，出現(xiàn)節(jié)點銹蝕、甚至斷裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致接地引下線與主接地網(wǎng)連接點電阻增大，從而不能滿足電力規(guī)程的防雷引流要求，使設(shè)備在運行中存在不安全隱患[11]。

裝置通過線纜與接地引下線連接，內(nèi)部注入信號并計算導(dǎo)通電阻值結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行判斷，一般情況下，測試結(jié)果是否正?？蓞⒖急?：

裝置對接地引下線導(dǎo)通電阻值測量參數(shù)如下：

測量范圍：1～1999mΩ；

分辨率：1mΩ。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

5.1 實例一

某地110KV 輸電線路53號鐵塔一直正常運行，最近后臺工作站突然收到該鐵塔有傾斜告警，經(jīng)過線路維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)鐵塔確實有傾斜情況，確認(rèn)裝置上報告警準(zhǔn)確。

經(jīng)過綜合分析該53號鐵塔，它位置處于山區(qū)，近日連續(xù)暴雨后，該處位置有山體滑坡，導(dǎo)致該鐵塔發(fā)生傾斜。

經(jīng)過現(xiàn)場對鐵塔傾斜處理完成，然后對裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)偏移的設(shè)置校準(zhǔn)后，裝置繼續(xù)運行監(jiān)測。

5.2 實例二

某地維護(hù)人員收到后臺推送的信息，35KV XX輸電線路27號鐵塔出現(xiàn)接地電阻增大趨勢。維護(hù)人員將此位置記錄，待巡檢時到現(xiàn)場，通過現(xiàn)場測試接地網(wǎng)電阻，阻值7Ω，確認(rèn)監(jiān)測裝置采集準(zhǔn)確。

現(xiàn)場根據(jù)鐵塔位置的具體情況，使用物理降阻劑方式進(jìn)行了處理。

處理后再次使用儀器對該位置接地電阻進(jìn)行測量，阻值3.8Ω，滿足地網(wǎng)接地要求，后臺告警也消失。

5.3 實例三

某供電所110KV輸電線路正常運行8年后，某日突然上報3號鐵塔接地引下狀態(tài)異常告警。

維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)接地引下線與主接地網(wǎng)處有節(jié)點腐蝕、斷裂現(xiàn)象，通過攜帶的接地引下線導(dǎo)通測試儀進(jìn)行現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)該接地引下線電阻值為520mΩ，由于接地引下線是電力設(shè)備與地網(wǎng)的連接部分，連接處出現(xiàn)了問題，這也導(dǎo)致接地引下線與主接地網(wǎng)連接點電阻增大，超過裝置設(shè)定的告警閾值，從而向后臺上報告警。

經(jīng)過現(xiàn)場人員進(jìn)行處理，處理后使用儀器再次測試，電阻值為88mΩ，后臺告警消失，狀態(tài)為良好。

6 總結(jié)

文中通過對目前電力鐵塔運行狀態(tài)的現(xiàn)狀及產(chǎn)生隱患原因的敘述，分析了當(dāng)前采取的措施以及不足之處，通過應(yīng)用鐵塔運行狀態(tài)智能在線監(jiān)測解決方案，描述了裝置系統(tǒng)功能，最后根據(jù)現(xiàn)場實例做了系統(tǒng)應(yīng)用的說明。通過對系統(tǒng)解決方案、功能的介紹以及實例的應(yīng)用，驗證了此系統(tǒng)具有很好的實用價值，值得在電力鐵塔線路中推廣應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]傅春蘅.高壓輸電線路鐵塔選型漫談[J].廣東輸電與變電技術(shù)，2004，1：1-4.

[2]劉建元，金巍.加速度傳感器在機(jī)車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013，17：65-65.

[3]馬瓊霞.無人值班變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的實時信息分析與管理[D].四川大學(xué)，2005.

[4]林建龍，鄧敏，林力輝.高壓絕緣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，26（1）：86-88.

[5]鄧岳華，阮綿暉，劉味果.高壓設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用與分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（16）：69-72.

[6]蘇維嘉，王旭輝.新型加速度傳感器在傾角測量中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20（5）：62-63.

[7]徐曉翔，陳文薌，葉軍君.基于三軸加速度傳感器的傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感器世界，2012，18（7）：32-36.

[8]李智，汪地，楊浩，張紅奎，陳燕軍.一種基于三軸加速度傳感器的傾角測量裝置[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（8）：30-32.

[9]葉龍.基于MPU6050傳感器的方位角傾角算法研究[D].吉林大學(xué)，2015.

[10]邱云平，伍寶玉.MPU-6050模塊角度算法處理及在嵌入式中的應(yīng)用[J].江西科技學(xué)院學(xué)報，2014（2）：26-29.

[11]陳遇元.輸電線路桿塔接地引下線改進(jìn)措施研究[J].大科技，2015，35.

[12]MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions Revision 3.2，11/14/2011 MPU-6050的芯片手冊[S].

[13]Metrowerks IDE Help for Code WarriorPlug-in for Motorola-Metrowerks Semiconductor[J].Inc，2010.

[14]Meehan Joanne，Muir Lindsey.SCM in Merseyside SMEs：Benefits and barriers[J].TQM Journal. 2008.