微地形區(qū)輸電線路覆冰在線監(jiān)測裝置研究

孔 韜，何相奎，張 迪，余 帆，于洪來，程俊翔

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江 衢州 324000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，我國已建成堅(jiān)強(qiáng)的超、特高壓主干電力網(wǎng)絡(luò)。隨著不斷的創(chuàng)新改造，輸電線路遭受覆冰、雷擊、大風(fēng)等自然災(zāi)害的頻率逐年下降。對(duì)于大多數(shù)常見氣象區(qū)，設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的輸電線路已能抵御天氣變化，但對(duì)于局部氣象區(qū)的輸電線路還需要進(jìn)一步細(xì)化研究、監(jiān)控。電力線路中的某一小段甚至一兩基鐵塔之間，在系統(tǒng)性天氣的影響下（局部氣候），受特殊地形影響，該地區(qū)范圍內(nèi)某部分氣候因子擾動(dòng)增強(qiáng)，超過該地區(qū)設(shè)計(jì)的冰、風(fēng)條件值，從而有可能危及輸電線路運(yùn)行的地區(qū)，稱為“微地形微氣象區(qū)”[1]。微地形微氣象區(qū)多位于交通不發(fā)達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，如山區(qū)、谷地等。此類區(qū)域在遭遇極端天氣時(shí)，線路運(yùn)維人員難以在短時(shí)間內(nèi)趕赴現(xiàn)場開展特巡工作。若要趕赴現(xiàn)場，受極端天氣影響，人身安全得不到保障。近年來，智能采集技術(shù)得到了突破，有必要在該區(qū)域安裝智能采集設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控電力設(shè)備安全。

目前，輸電線路巡視主要以人工巡視為主，人力成本、經(jīng)濟(jì)成本較高。輸電線路在線監(jiān)測主要是對(duì)人工巡視的補(bǔ)充。輸電線路覆冰的在線監(jiān)測方法主要有氣象法、視頻圖像法、稱重法以及模擬導(dǎo)線法等[2]。在線監(jiān)測應(yīng)用方面，國內(nèi)外均有一些在線監(jiān)測裝置面世，主要分為兩種[3]：第一種是針對(duì)覆冰的相關(guān)參數(shù)（絕緣子串受到的拉力和絕緣子串傾角、氣象參數(shù)等）進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測量，然后通過相關(guān)公式計(jì)算覆冰厚度；另一種是通過遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場圖片，通過圖片直接分析導(dǎo)線的實(shí)時(shí)覆冰狀況。

現(xiàn)有的在線監(jiān)測裝置采集信息種類單一，不符合“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)要求。本文設(shè)計(jì)一種新型在線監(jiān)測裝置安裝、傳輸、管理方法，對(duì)輸電線路覆冰做全面監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)方位在線監(jiān)測。

1 輸電線路覆冰計(jì)算模型

輸電線路覆冰的計(jì)算模型是設(shè)計(jì)在線監(jiān)測裝置的關(guān)鍵，針對(duì)導(dǎo)線覆冰載荷進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算輸電線路導(dǎo)線覆冰厚度。

為使問題簡化，首先假設(shè)架空線是沒有剛性的柔性索鏈，懸掛在兩基桿塔間的架空線呈懸鏈線形狀。懸鏈線公式為[3]：

式中：l為兩懸掛點(diǎn)的水平距離；h為兩懸掛點(diǎn)的垂直距離；Lh=0為等高懸點(diǎn)架空線懸鏈線長度，m；σ0為弧垂最低點(diǎn)的軸向應(yīng)力，MPa；γ為架空線自重比載，MPa/m。根據(jù)式（1）可以得到懸鏈線上各離散節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

由圖1可得，導(dǎo)線上任一點(diǎn)應(yīng)力為：

圖1 架空導(dǎo)線呈懸鏈線狀的受力圖

當(dāng)只討論導(dǎo)線的靜態(tài)拉應(yīng)力時(shí)，可得出兩端導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的應(yīng)力為[1]：

2 覆冰在線監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

如圖2所示，輸電線路覆冰的在線監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，在核心主控制器的基礎(chǔ)上可連接各類傳感器采集單元，共享主控、電源和通信部分的設(shè)備模塊。核心主控制器負(fù)責(zé)處理接收、采集、存儲(chǔ)傳感器、通信、控制等信息，主控制器具備CMA接入功能，監(jiān)測數(shù)據(jù)可根據(jù)各個(gè)省公司的專網(wǎng)環(huán)境順利接入各個(gè)省公司或者國網(wǎng)公司的統(tǒng)一平臺(tái)[2-3]。

圖2 輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)圖

2.1 覆冰監(jiān)測裝置組成

覆冰在線監(jiān)測裝置可以安裝在桿塔與金具的各個(gè)位置，可對(duì)覆冰進(jìn)行全方位監(jiān)測，包括實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測裝置、拉力傳感器、圖像監(jiān)測裝置、模擬導(dǎo)線稱重裝置和供電裝置等[4]。裝置的全方位體現(xiàn)在其通過拉力傳感器、模擬導(dǎo)線、圖像采集3種方式[5]進(jìn)行輸電覆冰數(shù)據(jù)采集，由狀態(tài)監(jiān)測裝置收集采集的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)進(jìn)行處理，而后臺(tái)通過智能識(shí)別與解析計(jì)算判別覆冰的厚度。

2.2 拉力傳感器采集單元

拉力傳感器采用17-4PH不銹鋼材料[6]，外形絕緣子串上的球頭掛環(huán)類似。傳感器內(nèi)部實(shí)時(shí)采集拉力數(shù)據(jù)，最后通過RS485總線方式發(fā)給主控器，如圖3所示。每個(gè)拉力傳感器內(nèi)部都做防雷保護(hù)處理，保證了在惡劣環(huán)境下的產(chǎn)品可靠性。

圖3 拉力傳感器采集單元原理框圖

該拉力傳感器采用RS485總線方式數(shù)據(jù)接入方便，能適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，根據(jù)情況配置拉力傳感器數(shù)量，通過總線可以控制各個(gè)傳感器。如圖4所示，該裝置可直接與球頭掛環(huán)相連進(jìn)行安裝。它采用不銹鋼材質(zhì)，抗拉能力強(qiáng)于原有的金具，且使用壽命可達(dá)30年。

圖4 拉力傳感器安裝圖

2.3 傾角傳感器采集單元

絕緣子傾角主要用于采集微地形微氣象區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)力大小，因?yàn)轱L(fēng)向和風(fēng)力決定了線路覆冰的種類和形狀。絕緣子傾角通過傳感器采集后通過RS485匯總到桿塔上安裝的狀態(tài)監(jiān)測裝置處，狀態(tài)監(jiān)測裝置按照第1章節(jié)講解的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合拉力采集的輸電線路掛點(diǎn)處的應(yīng)力大小，便可基本求得該微地形微氣象區(qū)的覆冰厚度及情況，最后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)主站。

圖5是傾角測量單元的硬件組成框圖。整個(gè)系統(tǒng)由SCA100T傾角傳感器、低通濾波器以及帶高精度AD轉(zhuǎn)換單片機(jī)等組成[7]。

圖5 傾角測量單元的硬件組成框圖

傾角傳感器采用的是高精度雙軸傾角傳感器，具有體積小、安裝方便、輕便等優(yōu)勢，重量僅為1.2 g。

傾角傳感器中設(shè)置了一個(gè)硅敏感微電容傳感器，另外設(shè)置了ASIC電路專用的集成電路。ASIC集成電路綜合了EEPROM存儲(chǔ)器、信號(hào)放大器、AD轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口等零部件，構(gòu)成了一整套智能傳感系統(tǒng)[8]。圖6為該傳感器的結(jié)構(gòu)框架圖。

2.4 模擬導(dǎo)線采集單元

輸電線路覆冰后，導(dǎo)線的綜合荷載發(fā)生變化[9]。目前，已應(yīng)用的幾種測量裝置都是直接安裝在線路導(dǎo)線上，需要作業(yè)人員登塔在線路金具上安裝。本文提出采用模擬輸電線路導(dǎo)線的測量方法，即采用安裝在線路桿塔上由本測量裝置和裝置懸掛的該線路的一段模擬導(dǎo)線來確定和計(jì)算線路覆冰導(dǎo)線的綜合荷載和覆冰厚度。

圖6 功能結(jié)構(gòu)管腳框圖

本文提出了一種簡單而又實(shí)用的輸電線路覆冰監(jiān)測方法，對(duì)線路覆冰實(shí)時(shí)預(yù)警和監(jiān)測具有重要作用。本系統(tǒng)成本低，安裝不涉及線路帶電部分，易推廣，可在某幾條線路某些區(qū)段有選擇地安裝，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場安裝圖

2.5 防冰紅外槍機(jī)采集單元

前端圖像采集采用SONY CCD傳感器，具有分辨率高、圖像清晰、細(xì)膩等特點(diǎn)，支持自動(dòng)彩轉(zhuǎn)黑功能，可實(shí)現(xiàn)晝夜監(jiān)控，符合IP66級(jí)防水設(shè)計(jì)，可靠性較高。采用固定式、多通道最大限度地降低功耗，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，有效解決了電源問題。系統(tǒng)采用特殊的電源設(shè)計(jì)，平時(shí)只有10 mA的電流消耗。包括在陰天的情況下，20 W的太陽能板電池足以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有部分電量可用于后備電池充電。因此，只要按每小時(shí)取一幀圖像的工作方式，系統(tǒng)可以在無陽光的天氣下穩(wěn)定連續(xù)工作30 d左右，且可根據(jù)實(shí)際需要增配太陽能板的功率。

采用固定式一體化紅外槍機(jī)也可以避免監(jiān)控盲點(diǎn)[10]。由于實(shí)際監(jiān)控對(duì)象是明確的，一般只需要監(jiān)控1～2個(gè)點(diǎn)，完全可以用2個(gè)攝像頭滿足監(jiān)控范圍。另外，提供了多通道監(jiān)控技術(shù)，可以在特殊點(diǎn)根據(jù)客戶需要增加監(jiān)控通道。

該裝置結(jié)構(gòu)小巧，方便拆卸，采用20 W的太陽能板足以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，蓄電池也只需采用12 V/16 Ah容量，保證了整套設(shè)備的安全性和輕巧型，在監(jiān)控地點(diǎn)更改時(shí)方便移動(dòng)更換位置。

攝像頭紅外及補(bǔ)光機(jī)制[11]。采用紅外線發(fā)光二極管，在黑暗的環(huán)境下可自動(dòng)開啟使攝像頭獲得光源，如同開啟一盞紅外線燈照亮整個(gè)監(jiān)控區(qū)域，然后接收到紅外線的反光成像。紅外的光發(fā)射距離可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)置，適合室外帶有防水功能的中遠(yuǎn)距離使用，識(shí)別距離50 m左右，可視距離100 m以上。獨(dú)立的散熱體設(shè)計(jì)，壽命可達(dá)傳統(tǒng)LED壽命的5～10倍。

攝像頭防冰機(jī)制[12]。一方面，采用巧妙的防冰結(jié)構(gòu)。設(shè)備帶電動(dòng)防冰護(hù)罩，當(dāng)攝像頭不工作的時(shí)候，防冰護(hù)罩處于關(guān)閉狀態(tài)，攝像頭的玻璃鏡頭不暴露在空氣中，大大減少了凍雨、霧凇等因素引起的結(jié)冰現(xiàn)象。當(dāng)需要拍照時(shí)，防冰護(hù)罩會(huì)電動(dòng)開啟。由于設(shè)備總是在定時(shí)拍照工作，防冰護(hù)罩會(huì)過一段時(shí)間運(yùn)動(dòng)一次，可以有效避免護(hù)罩和玻璃鏡頭之間結(jié)冰。另一方面，采用新型防霧玻璃。產(chǎn)品的鏡頭采用鍍膜透明玻璃鏡面，具有內(nèi)部加熱功能和鏡片一體化處理，大大提高了工作可靠性，同時(shí)融冰去霧能力更強(qiáng)，所需的加熱能量也最小。

攝像頭上方還有一個(gè)大型防護(hù)罩，可有效避免斜雨、雪等對(duì)鏡頭的影響[13]。此外，設(shè)備中的圖像采用JPEG壓縮格式，壓縮率高，圖像清晰度好。

3 裝置應(yīng)用

目前，輸電線路覆冰遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雨、雪、霧、淞等氣象條件的全天候監(jiān)測。2月8日，浙江省電力公司啟動(dòng)預(yù)警，在整個(gè)預(yù)警啟動(dòng)期間（2月8日—2月20日），17條易覆冰線路的導(dǎo)線上未發(fā)現(xiàn)覆冰情況。受北方強(qiáng)冷空氣南下影響，2月9日衢州出現(xiàn)雨雪天氣，全市普降中到大雪，局部大暴雪。從圖像監(jiān)測過程可以看出，2月9—10日，17條易覆冰線路的絕緣子上出現(xiàn)冰凌；2月11日，絕緣子上冰凌出現(xiàn)呈現(xiàn)減弱趨勢；2月12日，絕緣子上已無冰凌。2月18—19日，衢州再次出現(xiàn)明顯雨雪天氣，局部大到暴雪，部分易覆冰線路的絕緣子上出現(xiàn)輕微冰棱。

當(dāng)覆冰在線監(jiān)測單元監(jiān)測到的氣溫為0 ℃以下時(shí)，圖像監(jiān)測單元監(jiān)測到的線路覆冰情況傳回的圖像如圖8所示，覆冰圖像監(jiān)控單元成功拍攝了2月9日、11日桿塔導(dǎo)線絕緣子覆冰覆雪的過載情況。

圖8 覆冰圖像

4 結(jié) 論

本文介紹論文的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容以及論文完成的主要工作，分析架空輸電線路覆冰在線監(jiān)測理論，建立了覆冰厚度測量模型，闡述了輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部署結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)手段，結(jié)合裝置重點(diǎn)描述了覆冰監(jiān)測系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。以浙江衢州輸電線路的覆冰情況為例，闡述了對(duì)輸電線路覆冰進(jìn)行在線監(jiān)測的必要性，并將設(shè)計(jì)的輸電線路覆冰在線監(jiān)測裝置成功應(yīng)用到該地區(qū)的輸電系統(tǒng)中，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雨、雪、霧等氣象條件的全天候監(jiān)測，保障了輸電線路在覆冰工況下的安全運(yùn)行。