低溫環(huán)境輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置可靠性分析及提升

李德海 ，何紅太

(1. 國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱150090；2.山東電工電氣集團(tuán)有限公司，北京100010)

0 引 言

為了更好地推動(dòng)國(guó)網(wǎng)公司狀態(tài)檢修工作的開(kāi)展，解決現(xiàn)有狀態(tài)檢修工作中遇到的問(wèn)題并給出解決問(wèn)題的合理建設(shè)性意見(jiàn)，因此輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置愈發(fā)廣泛應(yīng)用[1-4]。中國(guó)北部地區(qū)特別是東北、內(nèi)蒙古等地氣溫較低，在線監(jiān)測(cè)裝置易受到低溫環(huán)境的影響。目前存在著非常嚴(yán)重的問(wèn)題，如傳感器精度低、前端采集數(shù)據(jù)不可靠、電池內(nèi)耗大、儲(chǔ)能效率低，傳感器通信中斷，電路無(wú)法工作，絕緣材料、焊接劑性能下降導(dǎo)致的機(jī)械故障等[5-6]。針對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的可靠性提升技術(shù)研究，通過(guò)大量的分析，能夠基本明確寒冷環(huán)境因素對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的影響[7]，并能夠獲得在線監(jiān)測(cè)裝置的可靠性規(guī)律[8]。但是當(dāng)前還缺乏定量化的研究基礎(chǔ)和有針對(duì)性的可靠性提升及驗(yàn)證環(huán)節(jié)，缺乏可靠性提升的定量指標(biāo)的驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。因此，對(duì)可靠性的提升缺乏定量指導(dǎo)和驗(yàn)證。

為了解決上述問(wèn)題，針對(duì)弧垂在線監(jiān)測(cè)裝置，提出定量化平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failure，MTBF)方法并將其用于在線監(jiān)測(cè)裝置的可靠性分析，在定量分析的基礎(chǔ)上采用針對(duì)性的可靠性提升措施進(jìn)行裝置的優(yōu)化，并利用現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境對(duì)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 可靠性分析

1.1 主要環(huán)境因素及影響部件

目前影響導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)裝置的穩(wěn)定性和精確度的最主要因素包括：

1)供電可靠性因素。導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)裝置供電可靠性差，電池采用常規(guī)型的鉛酸電池；低溫工況下，電池的循環(huán)壽命、體積能效比和環(huán)境適應(yīng)性都亟待提升(圖1)。

圖1 由鉛酸單路供電的普通工況供電方式

2)電子器件及電路因素。部分弧垂監(jiān)測(cè)裝置的晶振、電容物理屬性變化導(dǎo)致電路無(wú)法工作，防雷設(shè)計(jì)等級(jí)不高，連接線比較多，焊接點(diǎn)多(圖2)。

圖2 需要簡(jiǎn)化的主控板內(nèi)部電子器件連線

3)傳感器因素?；〈贡O(jiān)測(cè)裝置的MEMS角度芯片受到低溫溫漂的影響，數(shù)據(jù)測(cè)量精度不夠，數(shù)據(jù)不穩(wěn)。

4)結(jié)構(gòu)及材料因素。

a.機(jī)箱外殼生銹嚴(yán)重。

b.調(diào)研發(fā)現(xiàn)有部分裝置機(jī)箱及傳感器安裝的固定金具的螺栓生銹，工人對(duì)裝置進(jìn)行維護(hù)和移塔工作時(shí)，拆卸不方便。

c.電纜接頭有雨水倒灌的現(xiàn)象，航空插頭容易發(fā)生冰雪融水浸現(xiàn)象，內(nèi)部觸點(diǎn)發(fā)生氧化(圖3)。

圖3 外接電纜連接情況

d.傳感器封裝機(jī)械結(jié)構(gòu)中采用上下蓋靠自身的止水結(jié)構(gòu)防護(hù)，雖然雨水不能直接進(jìn)入，但是在交變濕熱的情況下，高濕氣體還是會(huì)進(jìn)入。

e.低溫設(shè)備難啟動(dòng)，沒(méi)有采用保溫輔熱設(shè)計(jì)(圖4)。

圖4 機(jī)箱無(wú)保溫輔熱設(shè)計(jì)情況

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)相關(guān)可靠性問(wèn)題進(jìn)行分析。總體樣本故障結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：電源故障81起，占43%，監(jiān)測(cè)設(shè)備故障108起，占57%，兩者基本接近。但是具體可靠性的影響因素需要精確度量。因此引入可靠性計(jì)算方法，對(duì)裝置的可靠性進(jìn)行定量分析。

1.2 可靠性計(jì)算依據(jù)

作為輸電線路系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵保障設(shè)備，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性和使用壽命關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果。因此，對(duì)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠性進(jìn)行評(píng)估與預(yù)計(jì)，一方面可以從理論上評(píng)估系統(tǒng)現(xiàn)有的可靠性指標(biāo)，另一方面可以為更深一步的優(yōu)化工作提供指導(dǎo)。

MTBF=1/λ

式中：λ為產(chǎn)品的累計(jì)失效率。產(chǎn)品的累計(jì)失效率是各個(gè)器件的失效率總和累加：

λ=λ1n1+λ2n2+…+λini

式中：λi為產(chǎn)品中元器件i的失效率；ni為元器件i在產(chǎn)品中的使用數(shù)量。

通過(guò)對(duì)該器件的重新選型和降額設(shè)計(jì)來(lái)減少失效率，或通過(guò)減少該器件的使用數(shù)量(簡(jiǎn)化設(shè)計(jì))來(lái)減少累計(jì)失效率，使產(chǎn)品的MTBF更高。另外，最終這些預(yù)計(jì)結(jié)果還是需要經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品實(shí)際工作的檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，MTBF的第2種計(jì)算方法是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證。

MTBF=1/λ=(n1t1+…+λini)/n

式中：T為總工作時(shí)間；n為試驗(yàn)樣件數(shù)量；ni為工作ti時(shí)間段內(nèi)，產(chǎn)品失效個(gè)數(shù)。

對(duì)于電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，其故障分布函數(shù)服從指數(shù)分布，這時(shí)它的可靠度函數(shù)R(t)如下所示：

R(t)=e-λt

MTBF是基本可靠性參數(shù)，根據(jù)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性模型，綜合各組成部分的比重，計(jì)算失效率之和。最后根據(jù)

得到輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的失效率，就可以求得其平均故障間隔時(shí)間(MTBF)。

2 可靠性模型分析

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置主要由基站主控板、監(jiān)測(cè)終端、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、外接傳感器等構(gòu)成。

由于MTBF是一個(gè)基本可靠性參數(shù)，任一組成單元的故障都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障，因此，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性模型為一個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，產(chǎn)品功能框圖和可靠性框圖如圖5所示。

圖5 可靠性模型框圖

供電電源和通信裝置都由單一的部件構(gòu)成，在線監(jiān)測(cè)裝置本體可以分為多個(gè)部件，故在線監(jiān)測(cè)裝置本體的電路框圖如圖6所示。

圖6 裝置本體的電路框圖

根據(jù)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠性框圖，可以推得輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性數(shù)學(xué)模型為

RS=R1×R2×R3×R4×R5

式中：RS為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性；R1為基站主控板可靠性；R2為監(jiān)測(cè)終端可靠性；R3為供電系統(tǒng)可靠性；R4為通信系統(tǒng)可靠性；R5為外接傳感器可靠性。

3 低溫條件下導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的改進(jìn)

3.1 低溫環(huán)境機(jī)械裝置改進(jìn)

根據(jù)低溫環(huán)境下的特點(diǎn)，對(duì)太陽(yáng)能電池板安裝結(jié)構(gòu)、天線安裝結(jié)構(gòu)、機(jī)箱布局、電路板封裝等進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)安裝可靠性。按照機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原則對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)機(jī)械與結(jié)構(gòu)的部分進(jìn)行梳理，著重針對(duì)機(jī)械應(yīng)力對(duì)電路板的影響進(jìn)行考慮與優(yōu)化。對(duì)太陽(yáng)能電池板安裝結(jié)構(gòu)、天線安裝結(jié)構(gòu)、機(jī)箱布局、電路板封裝等進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)安裝可靠性，方便工程現(xiàn)場(chǎng)安裝，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)施工和運(yùn)維作業(yè)難度。

3.2 低溫條件下監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部熱環(huán)境改進(jìn)

通過(guò)新型耐低溫高能電池為監(jiān)測(cè)裝置提供供電電源，采用輕量化高效保溫材料和小型低溫加熱組件實(shí)現(xiàn)高效保溫。在-35 ℃的持續(xù)低溫條件下，通過(guò)輕量化高效保溫層延緩殼體內(nèi)溫度的下降速度，在-20 ℃以上保持若干時(shí)間；當(dāng)殼體內(nèi)溫度降到-20 ℃時(shí)，小型低溫加熱組件開(kāi)始工作，維持裝置殼體內(nèi)的0 ℃保守溫度。

導(dǎo)線類監(jiān)測(cè)裝置考慮分區(qū)設(shè)計(jì)，將傳感器板+電源板+通信板+耐低溫高能電池4個(gè)核心部件設(shè)置為保溫區(qū)，貼片天線設(shè)置為非保溫區(qū)，采用3D打印技術(shù)對(duì)保溫區(qū)殼體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

優(yōu)先采用軍品級(jí)的元器件，正常工作溫度下限可達(dá)-55 ℃，針對(duì)部分溫度要求高的電子元器件采取集中布置，并采用PTC 恒溫加熱材料進(jìn)行小范圍局部輔熱，以提高裝置穩(wěn)定性，電路關(guān)鍵元器件采用1+1 冷備份技術(shù)，在不增加功耗和通信成本的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升監(jiān)測(cè)裝置的可靠性。

對(duì)于蓄電池部分，蓄電池充放電特性對(duì)溫度極為敏感，尤其在極低溫條件下，蓄電池充放電性能明顯下降。為提高蓄電池在極寒天氣下的性能，設(shè)計(jì)一體化保溫箱，主要包括可裝卸保溫護(hù)套和加熱裝置兩部分，使蓄電池在恒溫下運(yùn)行，保證其工作性能。

采用分體式電源箱設(shè)計(jì)，具有保溫隔熱功能，簡(jiǎn)化電池現(xiàn)場(chǎng)施工和運(yùn)維作業(yè)難度，分體式低溫型主機(jī)設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7 分體式低溫型主機(jī)設(shè)計(jì)圖

3.3 低溫條件下裝置的功耗優(yōu)化

芯片選型環(huán)節(jié)，在保證產(chǎn)品性能的情況下，選取低功耗、可休眠的芯片；傳感器選型環(huán)節(jié)，選擇低功耗的氣象傳感器、攝像頭等外接設(shè)備；設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在保證產(chǎn)品性能的情況下，通過(guò)降低MCU的主頻、RAM的掃描模式等方式降低功耗。

加強(qiáng)對(duì)外設(shè)設(shè)備的電源管理，每個(gè)外設(shè)設(shè)備的電源可單獨(dú)進(jìn)行打開(kāi)和關(guān)閉的控制；優(yōu)化控制流程，對(duì)不工作的外設(shè)傳感器、以太網(wǎng)口等功能模塊進(jìn)行休眠和斷電控制；對(duì)設(shè)備電源進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握電池的狀態(tài)，根據(jù)電量對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，在電量不足時(shí)分級(jí)關(guān)閉相應(yīng)耗電設(shè)備。

3.4 低溫條件下導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置電源改進(jìn)

當(dāng)在線監(jiān)測(cè)裝置處于惡劣天氣環(huán)境下時(shí)，受光源和太陽(yáng)能采集板覆冰以及風(fēng)能供電設(shè)備易被低溫失能的影響，常用的太陽(yáng)能、風(fēng)能及蓄電池供電系統(tǒng)在極寒條件下不能滿足對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的供電。

目前可采用的其他取能方式有在線取能和激光供電。在線取能高壓輸電線路的在線取能裝置利用電磁感應(yīng)的原理，通過(guò)一個(gè)繞有線圈的感應(yīng)鐵心，將高壓傳輸導(dǎo)線沿軸線從鐵心穿過(guò)，從而組成一個(gè)穿心式的電流互感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，該鐵心從母線電流上取得能量，再通過(guò)整流、濾波及電平轉(zhuǎn)換電路后，得到穩(wěn)定可靠的直流電源。此方法供電的能量主要來(lái)自母線或地線的電流，在交流電流周圍存在交變磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)傳遞、獲得能量。

通過(guò)綜合采用太陽(yáng)能、風(fēng)能、CT取電、蓄電池等多種方式為在線監(jiān)測(cè)裝置供電，保證其供電的持續(xù)性和可靠性。

4 導(dǎo)線監(jiān)測(cè)裝置低溫可靠性評(píng)估

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的低溫可靠性提升效果，根據(jù)前文所述的串聯(lián)型低溫可靠性模型，分別計(jì)算了導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置在進(jìn)行低溫可靠性提升之前與之后的MTBF。通用型導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置和低溫型導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置在低溫地區(qū)的失效率匯總結(jié)果如表1所示。

根據(jù)串聯(lián)型低溫可靠性模型驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，通用型導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置在低溫地區(qū)的MTBF是26178 h，而低溫型導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置在低溫地區(qū)的MTBF是63205 h，表明：導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的低溫可靠性提升技術(shù)和方法是有效的，導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置經(jīng)過(guò)低溫可靠性提升后，MTBF有較大的提高。

表1 可靠性數(shù)據(jù)對(duì)比

5 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

通過(guò)低溫箱進(jìn)行驗(yàn)證，在21：30將機(jī)箱放入試驗(yàn)低溫箱中，低溫箱設(shè)置溫度為-30℃，機(jī)箱內(nèi)初始溫度為16.5℃；至10月19日8：30分，機(jī)箱內(nèi)溫度下降至1℃，溫降過(guò)程歷時(shí)11 h。實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 低溫保溫性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)試驗(yàn)可知，環(huán)境溫度在-30 ℃以下時(shí)，保溫機(jī)箱內(nèi)部溫度仍然高于0 ℃，設(shè)計(jì)符合要求。

6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

在東北某66 kV輸電線路X2號(hào)塔至X1號(hào)塔、X1號(hào)塔至X0號(hào)塔兩個(gè)相鄰檔距。其中，終端塔為X2號(hào)塔，塔型號(hào)為66SJJ3，呼稱高18 m；X1號(hào)塔塔型號(hào)為66SJJ1，呼稱高24 m；X0號(hào)塔塔型號(hào)為66SZ2_30，呼高30 m；導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-150/25，外徑17.1 mm。50號(hào)和51號(hào)檔距為351 m，51號(hào)和52號(hào)檔距為155 m。由于該線路為同塔雙回，停電方案為一回停電一回帶電運(yùn)行，為了保證施工安全，計(jì)劃加裝的2套輸電線路微風(fēng)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置和2套輸電線路弧垂在線監(jiān)測(cè)裝置擬進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)帶電安裝(圖9、圖10)。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)安裝情況

圖10 分體式電源實(shí)物及安裝圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可知，經(jīng)過(guò)2年的運(yùn)行，在線監(jiān)測(cè)裝置表現(xiàn)良好，數(shù)據(jù)采集正常，發(fā)送鏈路暢通，得到了較好的應(yīng)用效果。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)進(jìn)行可靠性分析、可靠性計(jì)算和有針對(duì)性的低溫環(huán)境下可靠性提升技術(shù)應(yīng)用，在經(jīng)過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)、整體內(nèi)部溫度環(huán)境優(yōu)化、電源系統(tǒng)效能提升后，設(shè)計(jì)了耐低溫的在線監(jiān)測(cè)裝置，并利用實(shí)驗(yàn)室和真實(shí)低溫環(huán)境進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用的技術(shù)手段有效，能夠適應(yīng)低溫地區(qū)的使用要求。