輸電系統(tǒng)故障檢測(cè)與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究

張錦銳，申娟平，啟東林，馬汝超，黃翼峰

（文山供電局，云南 文山 663000）

輸電系統(tǒng)通常由輸電導(dǎo)線、地線、鐵塔、電桿、絕緣子等組成，輸電系統(tǒng)組成部件相對(duì)簡(jiǎn)單，零部件數(shù)量卻比較繁多，如果輸電系統(tǒng)出現(xiàn)意外或者其他危害事故，那么供電質(zhì)量和供電效果都會(huì)深受影響，隨著危害時(shí)長(zhǎng)和作用深度的持續(xù)擴(kuò)大，周圍電力系統(tǒng)也會(huì)遭到不同程度的損傷，長(zhǎng)此以往，電力輸送的穩(wěn)定性和健康程度都會(huì)大幅下降。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的提高，輸電系統(tǒng)覆蓋面逐漸增大，受環(huán)境氣候的影響，輸電線路表面污垢和塵土越來(lái)越厚重，由鳥(niǎo)類棲息引起的污閃現(xiàn)象也日漸上升，此外，某些區(qū)域的環(huán)境氣候不但會(huì)對(duì)輸電線造成嚴(yán)重?fù)p害，還會(huì)加大其維護(hù)管理的難度。在風(fēng)力較大的區(qū)域，遠(yuǎn)距離輸電線路仍會(huì)發(fā)生抖動(dòng)和斷裂等情況，最終對(duì)輸電安全產(chǎn)生不利影響。

為了徹底解決這一問(wèn)題，有關(guān)部門需要對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)操作，提高輸電系統(tǒng)故障診斷水平和維護(hù)質(zhì)量，保證輸電系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展。合理使用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)不會(huì)影響機(jī)器設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)可以利用某些傳感裝置對(duì)輸電情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，避免輸電線路發(fā)生損壞或者其他危險(xiǎn)性事故，及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路存在的問(wèn)題，并把潛在風(fēng)險(xiǎn)和隱患清除干凈，減小輸電線路故障所產(chǎn)生的影響或者危害，保證輸電系統(tǒng)的平穩(wěn)健康運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

1.1 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要作用在輸電系統(tǒng)和有關(guān)設(shè)備中，它能對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)際參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，然后把數(shù)據(jù)信息傳達(dá)給接收平臺(tái)，由接受裝置對(duì)數(shù)據(jù)信息展開(kāi)有效分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸電設(shè)備和輸電線路的檢測(cè)管理目標(biāo)，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行目標(biāo)起到了明顯的支撐效用。

1.2 在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的聯(lián)系

目前，很多電力行業(yè)工作者把“在線監(jiān)測(cè)”和“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”混為一談，錯(cuò)誤地把這兩種監(jiān)測(cè)方式當(dāng)成一回事，其實(shí)二者是存在很大差別的。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠獲取輸電設(shè)備和輸電線路的運(yùn)行情況，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)工作期間不會(huì)影響正常輸電操作，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取的設(shè)備信息和相關(guān)參數(shù)為狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了有力保障。狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括在線監(jiān)測(cè)、離線檢測(cè)等多種方式，它的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象是輸電設(shè)備整體運(yùn)行情況，通過(guò)了解和分析設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)，判斷輸電系統(tǒng)是否存在弊端或者缺陷，然后對(duì)故障發(fā)生的位置展開(kāi)預(yù)防或者修復(fù)操作，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有明確目標(biāo)和可靠范圍。所以，輸電設(shè)備監(jiān)測(cè)管控能歸結(jié)為有針對(duì)性的檢測(cè)維修。目前，輸電線路的故障診斷還不能完全依靠在線監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)完成，這是因?yàn)樵诰€診斷技術(shù)不夠完善或者具體，并且需要大量數(shù)據(jù)信息做保障，在實(shí)際作用期間，需要對(duì)數(shù)據(jù)信息展開(kāi)有效分析，并且還要了解設(shè)備故障處理關(guān)系和檢測(cè)邏輯，盡可能增強(qiáng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的靈活性和準(zhǔn)確程度；技術(shù)升級(jí)過(guò)程比較漫長(zhǎng)，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的靈敏度、穩(wěn)定性等都比較重要。

1.3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)零部件組成，其中包括數(shù)據(jù)信息收集傳遞和分析系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)裝置一般安裝在輸電設(shè)備內(nèi)部，它能收集輸電設(shè)備運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)了解周圍環(huán)境與氣候溫度，然后把數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳遞給輸電系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸裝置需要在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中發(fā)揮作用，借助網(wǎng)絡(luò)通道把各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息傳達(dá)給控制中心，然后通過(guò)計(jì)算和分析獲取電力輸送運(yùn)行情況，如果控制中心計(jì)算方式足夠先進(jìn)科學(xué)，那么數(shù)據(jù)信息能夠用來(lái)預(yù)測(cè)和分析可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)隱患，為輸電系統(tǒng)平穩(wěn)健康運(yùn)轉(zhuǎn)奠定深厚的基礎(chǔ)。

1.4 在線監(jiān)測(cè)與故障診斷的必要價(jià)值

傳統(tǒng)輸電線路檢修有著固定方法和有效策略，國(guó)家提出了一種定期維修檢測(cè)的管理方法，這種方法需要對(duì)整個(gè)輸電系統(tǒng)的各條線路提出了嚴(yán)格檢驗(yàn)。

人工檢驗(yàn)輸電系統(tǒng)運(yùn)行情況和轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量，對(duì)城市線路而言不是什么難事，但在比較偏僻的高速公路和山區(qū)地帶，輸電系統(tǒng)需要跨越漫長(zhǎng)的平原或者盆地，高速公路電力輸送一般都要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段距離，而且還會(huì)穿越森林、荒漠等復(fù)雜地帶，這就加大了維修檢測(cè)人員的工作量和任務(wù)難度，一旦發(fā)生故障，會(huì)對(duì)電力傳輸造成深遠(yuǎn)影響，長(zhǎng)時(shí)間的線路檢查也會(huì)耗費(fèi)很多精力，很容易造成局部電力供應(yīng)停滯問(wèn)題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求呈現(xiàn)出與日俱增的態(tài)勢(shì)，輸電系統(tǒng)分布的區(qū)域也越來(lái)越寬廣，與此同時(shí)，需要用到的機(jī)器設(shè)備也明顯增多，這對(duì)輸電系統(tǒng)管理維修產(chǎn)生了很大影響，傳統(tǒng)檢測(cè)維修手段不能起到設(shè)備管理和修復(fù)作用，這也使得在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)獲得快速發(fā)展。

通常情況下，輸電系統(tǒng)和輸電線路都存在故障堆積情況，輸電系統(tǒng)故障不是一朝一夕所產(chǎn)生的。由于受到周圍環(huán)境的影響，輸電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一些物理、化學(xué)等微小變化，與此同時(shí)，輸電設(shè)備很多元件也會(huì)慢慢損壞。在這個(gè)過(guò)程中，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與故障診斷技術(shù)能夠發(fā)揮協(xié)調(diào)配合作用，通過(guò)收集的數(shù)據(jù)信息判斷輸電系統(tǒng)健康與否，在大量數(shù)據(jù)信息的支持保障下，輸電系統(tǒng)故障檢測(cè)更加準(zhǔn)確可靠，電力搶修的過(guò)程和難度明顯縮減。

2 在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

2.1 導(dǎo)線舞動(dòng)及風(fēng)向監(jiān)測(cè)

高速公路一般修建在比較偏僻的位置和區(qū)域中，隧道等公共設(shè)施也是如此，為了滿足遠(yuǎn)距離、高難度送電需求，塔桿之間的距離會(huì)被控制到最大區(qū)間，而且通過(guò)的地區(qū)也會(huì)有很強(qiáng)的風(fēng)力，比如，山頂塔桿很容易受到風(fēng)力影響產(chǎn)生搖擺晃動(dòng)情況，與此同時(shí)，導(dǎo)線也會(huì)受到風(fēng)力的影響和作用，最終出現(xiàn)導(dǎo)線抖動(dòng)或者斷裂情況，隨著導(dǎo)線抖動(dòng)程度的增加，電力輸送也會(huì)陷入癱瘓，這不僅會(huì)導(dǎo)致金具磨損嚴(yán)重，還會(huì)造成塔桿坍塌、導(dǎo)線斷裂、跳閘等問(wèn)題發(fā)生，給輸電線路帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更有甚者，會(huì)引發(fā)周圍區(qū)域連鎖反應(yīng)，嚴(yán)重影響人民群眾的生產(chǎn)生活和用電需求。

針對(duì)比較常見(jiàn)的輸送故障，輸電線路在線監(jiān)測(cè)主要通過(guò)以下途徑發(fā)揮效用：一是對(duì)導(dǎo)線絕緣子風(fēng)偏角度等重要信息進(jìn)行精確測(cè)量，并對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，防止由于風(fēng)偏引起導(dǎo)線跳動(dòng)，同時(shí)能夠根據(jù)風(fēng)偏參數(shù)設(shè)置合適的絕緣子規(guī)格，降低導(dǎo)線跳動(dòng)的可能性；二是了解輸電系統(tǒng)所處位置和干擾情況，重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)線外部附著物分布情況，如果導(dǎo)線抖動(dòng)頻率和幅度超出既定標(biāo)準(zhǔn)，那么工作人員需要及時(shí)進(jìn)行檢查或者維修操作。

2.2 絕緣子污垢監(jiān)測(cè)

輸電系統(tǒng)發(fā)生故障的原因有很多，其中絕緣子污垢厚重就是主要根源之一。如果輸電線路通過(guò)森林、沙漠等地區(qū)，那么在風(fēng)力影響下，輸電線路污垢沉積就會(huì)表現(xiàn)的十分嚴(yán)重，當(dāng)表層附著物增加到一定程度后，絕緣子的功能效用就會(huì)明顯縮水，在低壓情況下，絕緣子閃絡(luò)情況就會(huì)時(shí)有發(fā)生。在輸電系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和安全事故中，絕緣子污閃占據(jù)很大一部分比例，絕緣子污垢沉積產(chǎn)生的影響要比雷擊高出很多。

輸電系統(tǒng)運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)絕緣子進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理主要通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別是接觸式監(jiān)測(cè)和非接觸式監(jiān)測(cè)，如激光、紅外線、超聲波等都是非接觸式監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)方法成本較高，容易受到綜合因素的干擾與影響，數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確度也會(huì)大打折扣。在絕緣子污垢監(jiān)測(cè)當(dāng)中，常用的測(cè)試方法有等值鹽密法和最大漏電流法。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息的收集與探查同時(shí)結(jié)合環(huán)境溫度、濕度等各項(xiàng)參數(shù)，可以對(duì)絕緣子污垢進(jìn)行深入了解和有效分析，提高對(duì)輸電系統(tǒng)故障診斷的可信程度。

2.3 導(dǎo)線弧垂的監(jiān)控

導(dǎo)線弧垂值偏大或偏小，都會(huì)引起輸電線路的短接情況發(fā)生。在比較惡劣的自然環(huán)境中，導(dǎo)線下垂極易引起輸電線路短路問(wèn)題發(fā)生。輸電線弧垂較小時(shí)，會(huì)受到較大的應(yīng)力作用，當(dāng)溫度較低時(shí)，其柔韌性也會(huì)大幅下降，進(jìn)而引發(fā)斷路器失效問(wèn)題產(chǎn)生。如果導(dǎo)線弧垂比較大，導(dǎo)線與地面距離也比較接近，在穿越居民區(qū)時(shí)，很容易發(fā)生放電情況，給周邊居民和輸電系統(tǒng)帶來(lái)不利影響；同時(shí)，強(qiáng)風(fēng)也會(huì)使線路交叉盤繞。在實(shí)際應(yīng)用中，受到溫度、風(fēng)力等多種因素的干擾，很容易發(fā)生導(dǎo)線弧垂變化情況。

當(dāng)導(dǎo)線弧垂增加時(shí)，其傾角也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，因此，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)線變化情況，利用角度傳感器來(lái)獲取設(shè)備系統(tǒng)變化信息，進(jìn)而得出導(dǎo)線偏移和弧垂強(qiáng)度。為了深入了解輸電系統(tǒng)運(yùn)行情況，有關(guān)部門需要獲取輸電系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，例如，輸電系統(tǒng)周圍氣候環(huán)境和分布狀況等，然后把收集的數(shù)據(jù)信息與導(dǎo)線弧垂值結(jié)合起來(lái)，通過(guò)計(jì)算和分析獲得輸電系統(tǒng)運(yùn)行情況，了解輸電系統(tǒng)是否存在斷裂和破損情況，準(zhǔn)確判斷輸電系統(tǒng)故障發(fā)生的位置或者區(qū)間，為輸電系統(tǒng)健康運(yùn)行鋪平道路。

2.4 輸電線路溫度監(jiān)測(cè)

輸電線路溫度是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，輸電線路溫度關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全程度。目前，各種溫度測(cè)量技術(shù)都比較發(fā)達(dá)，由于輸電線路都是架設(shè)在戶外，所以會(huì)受到氣候環(huán)境的干擾或者影響，比如，北方氣候寒冷，南方則相對(duì)炎熱，所以要對(duì)不同地區(qū)的溫度條件進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，然后選擇合適的測(cè)溫手段，提高數(shù)據(jù)信息采集準(zhǔn)確性。溫度測(cè)量手段主要分為兩種：（1）接觸式測(cè)溫，它是根據(jù)熱量傳遞原則獲取物體溫度信息的，在檢測(cè)過(guò)程中，只要把傳感器和物體相接觸，傳感器會(huì)對(duì)被測(cè)導(dǎo)線的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄，并將其傳送到數(shù)據(jù)處置中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線溫度的有效監(jiān)測(cè)，這種方案準(zhǔn)確度較高，技術(shù)手段也比較成熟，常見(jiàn)的方法有熱敏電阻測(cè)溫等；（2）不接觸測(cè)溫手段，它能根據(jù)熱量輻射獲取物體溫度信息，不需要與被測(cè)對(duì)象直接接觸，其原理與紅外溫槍十分相似，這種監(jiān)測(cè)方法適用范圍比較局限，容易受到氣候環(huán)境的干擾或者影響，不利于大面積推廣和普及。

3 提升故障檢測(cè)能力

3.1 提高輸電線路的穩(wěn)定性

高速公路與隧道行駛車輛比較多，對(duì)輸電系統(tǒng)的要求也高出很多，一旦發(fā)生斷電事故，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的事故危害。為此，輸電系統(tǒng)故障檢測(cè)需要注重以下幾方面的問(wèn)題。（1）在保護(hù)過(guò)程中，可以將進(jìn)線分為兩個(gè)階段，第一階段要考慮最小延遲，而穿入線路要設(shè)計(jì)為光纖差動(dòng)保護(hù)，增強(qiáng)迅速斷開(kāi)的可能性，并在此基礎(chǔ)上增加一個(gè)閉合開(kāi)關(guān)，保證其他區(qū)域正常供電。（2）在電源轉(zhuǎn)換方面，可以采用兩個(gè)電源工作方式，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，立即轉(zhuǎn)換到其他備用電源。（3）在通訊層面，為了實(shí)現(xiàn)大面積控制目標(biāo)，必須將通道內(nèi)的 DTU 連接起來(lái)，也就是人工控制跳閘時(shí)，要通過(guò)光纖以太網(wǎng)環(huán)交換器完成遠(yuǎn)距離通訊目標(biāo)。

要實(shí)現(xiàn)上述要求，最主要的是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的引進(jìn)和融入，減少輸電線路遇到的延遲現(xiàn)象。值得注意的是，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)多傳感器消耗量也會(huì)增大，成本費(fèi)用也會(huì)明顯上升。比如，在一些風(fēng)力比較小的地區(qū)，就沒(méi)有必要監(jiān)測(cè)風(fēng)速。

在線監(jiān)測(cè)的目的是收集與輸電系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)異常時(shí)，就會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，找出故障發(fā)生的具體位置，并對(duì)該區(qū)域輸電系統(tǒng)進(jìn)行檢查或修復(fù)，防止輸電危害進(jìn)一步擴(kuò)大。比如，在隧道和高速收費(fèi)站等偏僻位置提前獲取故障信息，做好備用電源切換工作，維護(hù)隧道照明系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 智能算法

目前，輸電系統(tǒng)故障診斷和檢測(cè)工作是有關(guān)部門不得不考慮的問(wèn)題，輸電系統(tǒng)在運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中很容易受到周圍環(huán)境的影響。在這種條件下，加強(qiáng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的使用和融入具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法功能效用比較明顯，可以準(zhǔn)確獲取物體狀態(tài)信息和變化規(guī)律，大幅提高輸電系統(tǒng)故障診斷能力。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，輸電系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)是保證社會(huì)穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)和前提所在。由于各地氣候環(huán)境存在很大差異，所以在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的引進(jìn)與融入要仔細(xì)考量，確保數(shù)據(jù)信息收集、處置和輸電系統(tǒng)故障診斷都能準(zhǔn)確無(wú)誤。與此同時(shí)，借助在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠獲取更多有價(jià)值的信息，方便輸電系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防工作有序開(kāi)展，徹底提高輸電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和檢測(cè)水平。