孫 峰，傅葵軍，高紹龍，郁 佩，胡 俊

(常德電業(yè)局，湖南 常德 415000)

輸電線斷股、損傷故障分析及對策

孫 峰，傅葵軍，高紹龍，郁 佩，胡 俊

(常德電業(yè)局，湖南 常德 415000)

現(xiàn)階段國內(nèi)對輸電線斷股、損傷故障檢測常用的方法有人工檢測法、航測法、巡線機(jī)器人檢測法、非線性頻率特性分析法，分析了各類檢測方法的優(yōu)點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，并在當(dāng)前此類輸電線故障檢測方法的基礎(chǔ)上，總結(jié)了輸電線導(dǎo)線損傷、斷股故障研究的發(fā)展方向。

高壓輸電線;斷股、損傷故障;人工檢測法;航測法;巡線機(jī)器人;非線性頻率響應(yīng)特性

0 引言

隨著以特高壓為骨干網(wǎng)架的智能電網(wǎng)的發(fā)展，大容量、遠(yuǎn)距離的輸電線路將投入運(yùn)行，送電電壓也隨之提高，線路安全性的要求也越來越高。但架空輸電線路運(yùn)行的環(huán)境條件很差，受各種自然條件的影響，導(dǎo)線在多種應(yīng)力的長期作用下會導(dǎo)致材質(zhì)脆變，雷擊閃絡(luò)、外力破壞等會引起導(dǎo)線表面損傷，尤其是在海濱及工業(yè)區(qū)的輸電線更容易受到腐蝕，致使輸電線路產(chǎn)生裂紋、斷股等缺陷，嚴(yán)重影響甚至危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

目前對于輸電線路故障監(jiān)測方法大多采用的是離線檢測，通過定期對線路設(shè)備巡檢，發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷并加以評估，根據(jù)缺陷的輕重緩急，安排必要的維護(hù)和修復(fù)，以保證供電可靠性。工程實(shí)際中，發(fā)現(xiàn)輸電線路發(fā)生斷股、損傷故障時，缺陷等級基本上都定義為“危急缺陷”，需立刻將線路停運(yùn)換線處理。尋求一種切實(shí)可行的輸電線損傷、斷股故障檢測方法成了急需解決的問題。

1 高壓輸電線斷股、損傷故障的檢測方法

1.1 人工檢測法

人工檢測法是用肉眼或望遠(yuǎn)鏡沿線對輸電線導(dǎo)線進(jìn)行觀測，檢測導(dǎo)體的表面特征是否有明顯的變化，以診斷輸電導(dǎo)線的斷股、損傷故障。該法適用于導(dǎo)線大面積、長距離斷股、損傷故障檢測。但是此方法有著不足之處:一是正常巡線一般為一月一次，巡線時間長，效率有限;二是我國的輸電線路距離長，沿線地況復(fù)雜，受到江、河、山等地理?xiàng)l件的限制［2－3］;三是當(dāng)輸電導(dǎo)線出現(xiàn)小面積和短距離發(fā)生斷股、損傷時，輸電導(dǎo)線的表面特征就不明顯，人工巡線的檢測質(zhì)量就不能保證。

1.2 航測法

航測法是在直升飛機(jī)上應(yīng)用紅外熱像和可見光錄像技術(shù)對高壓輸電線線路進(jìn)行巡視檢測［4－10］。高壓輸電導(dǎo)線主要采用的是鋼芯鋁絞線，輸電導(dǎo)線出現(xiàn)斷股和損傷時，其局部電阻會變大，其阻值的倍數(shù)是輸電線直流電阻的幾倍甚至是數(shù)十倍，此時輸電線在運(yùn)行期間的局部溫度會明顯高于大氣溫度，在陽光較弱的天氣里，溫度對紅外熱成像影響較小，易于發(fā)現(xiàn)線路因斷股、損傷引起得輸電線導(dǎo)線過熱缺陷［3，6］。航測法對于輸電線線路斷股、損傷故障的檢測有著檢測精度高、停電時間短、效率高等優(yōu)勢，但是從根本上說，航測法是將人工檢測和直升機(jī)巡線的結(jié)合，另外但是此種方法造價太高，我國輸電基層單位負(fù)擔(dān)不了檢測的費(fèi)用，從經(jīng)濟(jì)的角度來考慮不是一種理想的方法［10－12］。

1.3 巡線機(jī)器人檢測法

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和尋求一種方便、準(zhǔn)確的高壓輸電線斷股、損傷檢測儀的需要，從20世紀(jì)80年代開始，日本東京電力公司、日本Sato公司、美國TRC公司、加拿大魁北克水電研究院先后開始開展了巡線機(jī)器人的研究［13－17］。我國也開展了這方面的研究。目前正在進(jìn)行智能化程度較高、越障能力強(qiáng)的自治巡線機(jī)器人的研制工作。

1.3.1 巡線機(jī)器人的紅外傳感器檢測法

武漢水利水電大學(xué)研制的高壓輸電線導(dǎo)線斷股、損傷的巡線小車是采用紅外故障檢測的方式［18－21］。高壓架空傳輸線一般采用鋁包鋼傳輸線，傳輸線的電流傳輸主要由鋁線承載，抗拉力則主要由鋼絞線負(fù)擔(dān)。當(dāng)輸電導(dǎo)線發(fā)生斷股、損傷時，其截流面積將發(fā)生變化，導(dǎo)致輸電導(dǎo)線局部的電阻發(fā)生變化。在一定的電流條件下，由于散熱介質(zhì)及導(dǎo)線材料是均勻的，由熱學(xué)理論可知，斷股處的溫度會發(fā)生變化，即輸電導(dǎo)線斷股、損傷點(diǎn)附近會出現(xiàn)局部升溫［20，22］，變化情況如圖 1 所示。在斷股、損傷故障點(diǎn)處，溫度升高，輻射能量增大，據(jù)此對輸電導(dǎo)線斷股、損傷故障的檢測可采用對輻射能量變化敏感的紅外傳感器。

圖1 斷股處的溫度及輻射場的變化情況

相對人工法和航測法有以下優(yōu)點(diǎn)［18－21］:無需輸電線路斷電，抗強(qiáng)磁場能力強(qiáng)，診斷結(jié)果準(zhǔn)確;巡線機(jī)器人能檢測電壓等級范圍廣，適用性強(qiáng);能跨越障礙物，操作人員只需用無線遙控操作機(jī)器人，勞動強(qiáng)度大大降低;連續(xù)工作時間長;檢測費(fèi)用低。但機(jī)器人檢測是要在無風(fēng)、無雨下進(jìn)行［20－21］;但我國電力線架設(shè)較為復(fù)雜，巡線機(jī)器人的智能化程度不夠高，巡線機(jī)器人還暫時不具備自動導(dǎo)航系統(tǒng)，還需工作人員在現(xiàn)場進(jìn)行遙控操作。

1.3.2 巡線機(jī)器人的電渦流檢測法

電渦流檢測方法能準(zhǔn)確探測鋼芯鋁絞線斷股、鋼芯腐蝕程度、OPGW鎧裝層損傷等故障。當(dāng)輸電線出現(xiàn)斷股、破損或嚴(yán)重銹蝕等故障時，根據(jù)電渦流的畸變程度就可提取有關(guān)故障缺陷的程度和位置信息［17，23－25］。啟動巡線機(jī)器人后，隨著巡線機(jī)器人在高壓輸電線的運(yùn)動，電渦流傳感器檢測的輸電線狀態(tài)信號由信號發(fā)生裝置發(fā)射，然后由地面信號處理分析系統(tǒng)接收，經(jīng)調(diào)理后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。隨著巡線機(jī)器人的行走，檢測信號曲線可實(shí)時地顯示于計(jì)算機(jī)顯示器上，檢測完成后就可以對被檢測高壓輸電先進(jìn)性詳細(xì)的定量分析，診斷出高壓輸電線的斷股、損傷故障，發(fā)出警報(bào)。

高壓輸電線一般采用鋁包鋼線，但是渦流法檢測時存在檢測深度的問題，所以對輸電線的鋼芯斷股檢測的靈敏度較差［23，26］。

1.3.3 巡線機(jī)器人的渦流和漏磁結(jié)合檢測法

針對電渦流法檢測輸電線斷股、損傷的缺陷，蔡成良等人［26］提出了結(jié)合漏磁檢測的綜合檢測方法。漏磁檢測傳感器主要對準(zhǔn)輸電線鋼芯斷股、損失的檢測。巡線機(jī)器人的渦流結(jié)合漏磁檢測法既能檢測出高壓鋁包鋼輸電線的鋁線斷股的斷股、損傷故障，又能用漏磁檢測出鋼芯的斷股和損傷故障，使檢測輸電線斷股、損傷故障能力加強(qiáng)了很多［26］。但此種檢測方法最終還是采用定期檢測的方式，不能實(shí)時監(jiān)測輸電線路的運(yùn)行狀況。

1.4 基于非線性頻率響應(yīng)的監(jiān)測方法

2008年始，重慶大學(xué)開展了基于非線性頻率特性分析的輸電線路斷股、損傷故障監(jiān)測與診斷方法的探索性研究［27］。工程實(shí)際中，絕大多數(shù)系統(tǒng)都具有某種程度的固有非線性特性。經(jīng)過長時間的運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)組成部件的物理或機(jī)械、電氣性能的變化積累達(dá)到一定程度時，系統(tǒng)將處于臨界故障或故障狀態(tài)，此時系統(tǒng)非線性部分的傳遞特性會發(fā)生比較明顯的變化。因此，只要辨識出表示系統(tǒng)固有屬性的非線性輸出頻率響應(yīng)函數(shù)(NOFRF)模型并據(jù)此做出其頻譜，然后將當(dāng)前頻譜與預(yù)存的基于NOFRF的系統(tǒng)不同工作狀態(tài)時的頻譜相比較，即可得知系統(tǒng)當(dāng)前處于何種狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)在線監(jiān)測和故障診斷與預(yù)報(bào)。傳輸線很多種故障都會導(dǎo)致其等效電路模型參數(shù)的變化，這些變化都可以用非線性頻率輸出響應(yīng)函數(shù)反映出來，如圖2所示。

圖2 基于NOFRF的架空輸電線監(jiān)測框

基于NOFRF對架空輸電線路發(fā)生斷股、損傷進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，對于架空輸電線路斷股和局部損傷故障、斷路故障情況，NOFRF方法都能準(zhǔn)確地識別出故障類型及故障發(fā)生位置，驗(yàn)證了基于NOFRF的架空輸電線路故障監(jiān)測與診斷的有效性。

2 結(jié)語

從長遠(yuǎn)來看，由于人工巡線、航測法存在效率低、費(fèi)用高、檢測精度不夠等缺點(diǎn)，不是理想的高壓輸電線斷股、損傷的檢測方法。巡線機(jī)器人以其效率高、檢測費(fèi)用相對低、檢測精度高等優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展前景，但因不能實(shí)時監(jiān)測輸電線路運(yùn)行狀況，不能適應(yīng)未來智能電網(wǎng)發(fā)展的需要?；诜蔷€性頻率響應(yīng)的輸電線路斷股、損傷故障監(jiān)測方法通過監(jiān)測多種故障特征信號，建立能融合多種數(shù)據(jù)信息和專家知識的多層次智能故障監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)架空輸電線路各種故障監(jiān)測與診斷。

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Study on detecting method of high－voltage transmission line damage and its countermeasure

The detecting methods of high－vdtage tramsmission line damage at preseat in our country are summarized.The commonly used methods include follows:artificial assay，aerial method，XunXian robot，on － line monitoring method of power transmission line fault and diagnosis based on non－linear frequency response analysis.It analyzed the advantages and some practical problems of each method Based on the analysis the development direction of transmission line damage detecting methods are discussed.

high－voltage transmission;broken stocks and damage fault;artificial assay;aerial method;XunX-ian robot;nonlinear frequency output response function

TM726

B

1674－8069(2012)03－055－03

2012-01-25;

2012-05-16

孫 峰(1982-)，男，河南駐馬店人，碩士，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測。E－mail:sunchen617@sohu.com