架空輸電線路隱患在線監(jiān)測方案研究

陳梓楓

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局）

0 引言

近年來，隨著我國人口的不斷高度化集中，人類生活、學(xué)習(xí)對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求越來越高，因此，我國對(duì)于電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)有著嚴(yán)格要求。伴隨著人口、重要基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展與集中，我國的輸電線路結(jié)構(gòu)正逐步發(fā)生變化，由傳統(tǒng)的單一架空線路結(jié)構(gòu)演變?yōu)殡娎|混架、線路多T型連接的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)下，無論對(duì)于線路的故障點(diǎn)精確定位還是故障處理都存在著極大的困難，而輸電線路的故障一部分是由線路隱患發(fā)展而來，其隱患的主要類型為樹木超高、絕緣子污穢，這些隱患故障往往存在于線路中，盡早發(fā)現(xiàn)有助于減少線路故障跳閘的發(fā)生概率。針對(duì)于架空輸電線路的隱患檢測方法，相關(guān)學(xué)者做了大量研究，用于實(shí)現(xiàn)輸電線路隱患的早日排查［1-3］。

一方面，一些學(xué)者從圖像處理的角度出發(fā)，監(jiān)測輸電線路導(dǎo)線走廊中是否存在異物的情況，該方法由視頻圖像監(jiān)測裝置進(jìn)行主動(dòng)抓拍，然后利用后臺(tái)智能算法進(jìn)行隱患預(yù)警，該方法可實(shí)現(xiàn)樹木超高以及異物超高的預(yù)警，但圖像監(jiān)測裝置可監(jiān)測的范圍有限，基本無法實(shí)現(xiàn)輸電線路的全線監(jiān)測，僅能針對(duì)隱患易發(fā)區(qū)域進(jìn)行選擇性安裝［4］。另一方面，一部分學(xué)者通過研究絕緣子污穢與泄漏電流之間的關(guān)系來進(jìn)行輸電線路的隱患預(yù)警，通過建立仿真模型，利用改進(jìn)的電場儀檢測絕緣子附近的電場變化，從而進(jìn)行絕緣子隱患放電的預(yù)警，但該方法為離線式故障檢測方法，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測線路運(yùn)行狀況［5］。

鑒于上述隱患監(jiān)測系統(tǒng)方案中存在的問題，本文介紹了一種在線式架空輸電線路隱患故障監(jiān)測方法，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測裝置以及后臺(tái)隱患系統(tǒng)算法，基于行波特性，該系統(tǒng)基本可實(shí)現(xiàn)在線式隱患預(yù)警監(jiān)測，從而減小輸電線路因隱患放電造成的線路故障跳閘。

1 架空輸電線路主要隱患類型

架空輸電線路在長期的運(yùn)行過程中受到惡劣的自然天氣、環(huán)境因素的影響，線路極易出現(xiàn)故障跳閘的情況，通過現(xiàn)有的行波法故障測距，基本能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的故障點(diǎn)定位以及故障排查。輸電線路在長期的運(yùn)行過程中，可能存在線路本體或者其它因素導(dǎo)致的線路絕緣缺陷的情況，一般架空輸電線路的主要隱患分為如下幾個(gè)類型： （1）由于架空輸電線路運(yùn)行過程中周圍樹木長期生長導(dǎo)致樹木超高，而樹木生長的過程中，由于風(fēng)力的影響導(dǎo)致輸電線路發(fā)生隱患放電的情況；（2）輸電線路在運(yùn)行過程中難免受到雷擊等自然現(xiàn)象的影響，尤其是電流幅值較小的雷或者輸電線路附近的雷，導(dǎo)致線路的絕緣子出現(xiàn)絕緣缺陷而不會(huì)導(dǎo)致線路發(fā)生故障跳閘，在長期滿負(fù)荷、高強(qiáng)度運(yùn)行的情況下可能出現(xiàn)絕緣缺陷的情況，從而影響輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行； （3）輸電線路在長期運(yùn)行的過程中，其絕緣子表面受到污穢的積累以及鳥糞的影響容易出現(xiàn)沿面放電的情況，常年累月導(dǎo)致輸電線路發(fā)生故障跳閘，而絕緣子表面的污穢以及鳥糞的堆積通過人工巡線一般難以被排查和識(shí)別，因此須通過科學(xué)有效手段進(jìn)行架空輸電線路的隱患識(shí)別以及預(yù)警［6］。

本文在進(jìn)行架空輸電線路隱患預(yù)警時(shí)，首先建立了仿真模型，仿真了上述三類常見的隱患放電行波特征，對(duì)于其放電特征做出歸納，架空輸電線路主要隱患放電類型以及放電特征如圖1所示。

圖1 主要放電類型及放電特征

2 隱患在線監(jiān)測方案系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)主要架構(gòu)

架空輸電線路隱患監(jiān)測系統(tǒng)的主要構(gòu)成為現(xiàn)場監(jiān)測終端，現(xiàn)場監(jiān)測終端安裝于輸電線路架空導(dǎo)線上，負(fù)責(zé)采集架空輸電線路中的放電數(shù)據(jù)，監(jiān)測裝置采集了數(shù)據(jù)后通過無線通訊的方式將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)端服務(wù)器，遠(yuǎn)端服務(wù)器對(duì)終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并進(jìn)行理論計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)多次隱患放電點(diǎn)時(shí)進(jìn)行主動(dòng)預(yù)警，同時(shí)將故障數(shù)據(jù)推送至指定的手機(jī)端以及用于數(shù)據(jù)展示的網(wǎng)絡(luò)客戶端，其系統(tǒng)主要構(gòu)成如圖2所示。

圖2 架空輸電線路隱患預(yù)警系統(tǒng)主要構(gòu)成

2.2 監(jiān)測終端

架空輸電線路隱患監(jiān)測終端安裝于輸電線路導(dǎo)線上，負(fù)責(zé)采集輸電線路中的放電信號(hào)，由于隱患放電一般呈現(xiàn)寬頻帶，同時(shí)需要排除輸電線路強(qiáng)電磁環(huán)境的干擾，因此對(duì)傳感器的采集、屏蔽和后續(xù)的處理電路都需要做特殊處理，監(jiān)測裝置采用輸電線路高電位耦合供電加耦合供電的行波保證系統(tǒng)來進(jìn)行穩(wěn)定供電，由于監(jiān)測終端常年暴露于惡劣的自然環(huán)境中，應(yīng)采用防護(hù)等級(jí)較高的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，架空輸電線路隱患監(jiān)測終端實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 架空輸電線路隱患監(jiān)測終端實(shí)物圖

2.3 通訊主站及通訊方式

架空輸電線路隱患監(jiān)測系統(tǒng)主站用于接收高壓導(dǎo)線上監(jiān)測終端上傳的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、解析、分析、計(jì)算，對(duì)于存在的隱患放電情況進(jìn)行雙端行波法故障精確定位。無論是判定出系統(tǒng)中存在隱患放電點(diǎn)，還是經(jīng)過多次計(jì)算判定輸電線路架空導(dǎo)線上存在隱患放電點(diǎn)，都會(huì)進(jìn)行主動(dòng)預(yù)警，同時(shí)將預(yù)警信息傳輸至指定區(qū)域。

無論是監(jiān)測終端與服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，還是網(wǎng)絡(luò)展示端與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，該系統(tǒng)均采用無線通訊（GPRS／APN）形式傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了架空輸電線路的全方位監(jiān)測。

3 隱患監(jiān)測主要技術(shù)

由于高壓輸電線路存在的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，這給架空輸電線路隱患監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析帶來了極大的困難，因此該系統(tǒng)的傳感器采集以及屏蔽技術(shù)顯得尤為重要，同時(shí)，該監(jiān)測裝置處于高電位導(dǎo)線上，無法同時(shí)以市電去能的方式進(jìn)行監(jiān)測裝置的供電，因此監(jiān)測裝置的耦合取能以及取能保護(hù)電路成為了重點(diǎn)考慮對(duì)象［7］。

3.1 取能及保護(hù)電路技術(shù)

架空輸電線路監(jiān)測裝置安裝于高電位架空導(dǎo)線上，該監(jiān)測裝置采用耦合供電及太陽能取能雙重供電方式來滿足監(jiān)測裝置的取能需求，耦合取能和太陽能取能雙重取能方式相互配合以保證監(jiān)測終端的穩(wěn)定供能。耦合取能的大致流程為經(jīng)過傳感器取能、保護(hù)回路、整流、保護(hù)回路、DC轉(zhuǎn)DC給監(jiān)測終端供電；太陽能取能為MPPT充電電路、充電選擇切換控制電路、電源切換控制電路、DC轉(zhuǎn)DC從而給監(jiān)測終端供電。監(jiān)測終端取能流程示意圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測終端取能流程

架空輸電線路隱患監(jiān)測裝置采用耦合供電配合太陽能取能的方式進(jìn)行監(jiān)測主板的供電，內(nèi)部電池組均為工業(yè)級(jí)磷酸鐵鋰電池。監(jiān)測終端采用低功耗設(shè)計(jì)，在輸電線路負(fù)載極低的情況下可采用太陽能耦合取能的形式進(jìn)行供能，用于保證監(jiān)測終端的穩(wěn)定供電，減小系統(tǒng)中出現(xiàn)漏報(bào)的情況。

3.2 寬頻帶電流測量技術(shù)

由于監(jiān)測終端采集的信號(hào)為架空輸電線路中隱患放電信號(hào)，而隱患放電信號(hào)無論是工頻信號(hào)還是行波信號(hào)都不同于常規(guī)的輸電線路信號(hào)。就工頻信號(hào)而言，常規(guī)的工頻信號(hào)一般采樣率較低，僅需判定輸電線路中是否發(fā)生故障跳閘即可，而隱患放電信號(hào)難以捕捉，一方面隱患放電信號(hào)頻率較高，另一方面隱患放電信號(hào)幅值較小，需要對(duì)采集傳感器做屏蔽處理。為保證監(jiān)測信號(hào)的采集以及還原，采用帶屏蔽線圈的羅氏線圈傳感器進(jìn)行架空輸電線路的信號(hào)采集，傳感器放大示意圖如圖5所示。

圖5 羅氏線圈示意圖

根據(jù)圖5可知，監(jiān)測傳感器位于架空導(dǎo)線上，羅氏線圈采用自積分回路形式輸出，影響其輸出的因素相對(duì)較少，其輸入輸出特性近似滿足于：

式中，e（t）為輸出電壓；M為羅氏線圈與架空輸電線路截流導(dǎo)體間的互感系數(shù)；i（t）為輸電線路負(fù)荷電流。

由上式可知，羅氏線圈輸出電壓與負(fù)荷電流為微分關(guān)系。在羅氏線圈傳感器選定并安裝完畢后，其M基本為常數(shù)，輸出特性基本只與輸電線路相關(guān)，與其它參數(shù)基本無關(guān)，傳感器外邊緣采用銅箔外殼設(shè)計(jì)，用于保證采集的隱患放電信號(hào)的精確性。羅氏線圈具有良好的寬頻帶響應(yīng)特性，其頻帶為幾十千赫到100MHz，而常規(guī)的輸電線路隱患放電信號(hào)頻帶一般在幾百千赫，其傳感特性可以滿足所有的輸電線路隱患放電信號(hào)的采集以及還原。

4 隱患監(jiān)測及預(yù)警原理

架空輸電線路受到樹木超高、鳥害、絕緣子污穢等各類情況的影響，線路極易發(fā)生隱患放電，當(dāng)系統(tǒng)中存在隱患放電點(diǎn)時(shí)，科學(xué)有效地判定以及處理隱患放電點(diǎn)，有助于減小架空輸電線路故障跳閘率，架空輸電線路隱患監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警算法及流程如圖6所示。

圖6 架空輸電線路隱患預(yù)警流程

首先選取了監(jiān)測終端采集的工頻波形的時(shí)長，ti為工頻起始時(shí)刻，tj為工頻結(jié)束時(shí)刻，Q0為隱患放電基準(zhǔn)值，Ii為隱患放電最小電流值，Ij為隱患放電最大電流值，n1為區(qū)間內(nèi)放電個(gè)數(shù)，n2為大于最大放電電流幅值Ij的個(gè)數(shù)，若放電電流與放電次數(shù)滿足如下關(guān)系時(shí)，即可判定線路中存在隱患放電情況。

①在1～n個(gè)Q值中任取兩個(gè)數(shù)，記為Qi和Qj，若Q值與Ij值相差較大且滿足公式（2）的關(guān)系，即可判斷線路存在隱患放電情況。

其中，0≤c≤0.1max（Qi，Qj）。

②在1～l和m～n個(gè)Q值中，各取兩個(gè)數(shù)，記為Qi和Qj，1≤l＜m≤n，若存在多個(gè)連續(xù)的Qi和Qj滿足公式（3）的關(guān)系，即可判斷線路存在隱患。

其中，d≥0.5Qi。

架空線路滿足上述兩種不同的放電情況都判定為線路存在隱患放電，再通過上述雙端行波定位的原理即可實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)精確定位。

5 結(jié)束語

寬頻帶傳感裝置以及電源取能保護(hù)系統(tǒng)成為監(jiān)測終端穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，架空輸電線路隱患監(jiān)測系統(tǒng)通過上述監(jiān)測終端以及隱患監(jiān)測算法，基本能夠?qū)崿F(xiàn)線路的隱患預(yù)警，該系統(tǒng)有助于輔助運(yùn)維人員早日進(jìn)行輸電線路隱患排查，從而減少輸電線路發(fā)生故障跳閘的概率。