特高壓輸電線路在線監(jiān)測技術應用

李 程

（國網(wǎng)湖北咸寧市咸安區(qū)供電公司，湖北 咸寧 437000）

0 引言

隨著社會工業(yè)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提升，社會對電能的依賴程度越來越高，且用電量越來越大。近年來我國在電力領域有了突飛猛進的發(fā)展，特別是特高壓輸電領域走在了世界前列。由于特高壓輸電線路須要在野外運行，容易受環(huán)境因素的影響，易出現(xiàn)各類故障，影響輸電線路的運行穩(wěn)定性和可靠性，降低人們的用電體驗。利用先進的在線監(jiān)測技術對特高壓輸電線路運行過程中的狀態(tài)信息參數(shù)進行采集，基于采集結果開展深入分析研究，進而發(fā)現(xiàn)線路中潛在的安全問題和故障隱患，是提升輸電線路運行穩(wěn)定性、可靠性的重要措施和手段。本文以特高壓輸電線路為研究對象，對在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了簡要介紹，重點研究了相關監(jiān)測技術應用情況。

1 特高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

當前智能領域得到了快速發(fā)展，在特高壓輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)中引入智能物聯(lián)網(wǎng)技術，能夠提升系統(tǒng)的運行效率。如圖1 所示為基于智能物聯(lián)網(wǎng)技術的監(jiān)測系統(tǒng)的應用框架結構圖。由圖1 可知系統(tǒng)分為3 個層級，分別為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)應用層。在采集層設置了多功能監(jiān)測基站，利用太陽能板進行供電，在應用層設置了監(jiān)控中心。采集層主要是利用各類傳感器對特高壓輸電線路周圍環(huán)境及自身運行狀態(tài)信息進行采集，多功能監(jiān)測基站將所有傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進行收集。采集的數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)傳輸層上傳至數(shù)據(jù)服務器中心，利用系統(tǒng)的算法程序對數(shù)據(jù)進行綜合分析處理，從而感知特高壓輸電線路的運行狀態(tài)，研判是否存在故障或者安全隱患[1]。若存在問題系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，工作人員根據(jù)報警信號及時處理問題，將隱患扼殺在萌芽階段，或者盡可能縮小故障的影響范圍。

圖1 特高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)通信方面，考慮到特高壓輸電線路全部分布在野外，不方便利用有線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，因此數(shù)據(jù)傳輸大部分基于無線形式進行。數(shù)據(jù)采集層與多功能監(jiān)測基站之間基于ZigBee 無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，基站與監(jiān)控中心之間4G/5G 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 關鍵在線監(jiān)測技術的應用

隨著在線監(jiān)測技術的不斷發(fā)展，未來在特高壓輸電線路中使用的監(jiān)測技術必然越來越多，會越來越成熟，本文主要對當前使用較多的在線監(jiān)測技術進行介紹。

2.1 線路附近氣象監(jiān)測技術

我國社會對用電的需求量呈快速增加的趨勢，對供電質量要求也是日益提升。很多特高壓輸電線路須要穿過地形非常復雜的地區(qū)，且長時間在野外運行，其工作環(huán)境非常惡劣，使得輸電線路面臨比較大的安全和故障風險。特高壓輸電線路運行時，附近的氣候條件是影響運行穩(wěn)定性和可靠性的重要因素，所以有必要對輸電線路附近的氣候條件指標進行實時采集，以便對由于氣候引起的災害問題進行有效預防。可以采集的氣候環(huán)境指標主要包括溫度、濕度、風速、風向、雨量、日照等[2]。如表1所示為氣候環(huán)境在線監(jiān)測使用的傳感器及相關技術指標。

表1 氣候環(huán)境在線監(jiān)測使用的傳感器及技術指標

2.2 輸電線路視頻圖像監(jiān)控技術

特高壓輸電線路很多分布在地形復雜、環(huán)境惡劣的地區(qū)，如果利用傳統(tǒng)方法進行巡檢，會花費很多人力、物力、財力，且風險較高。利用當前使用比較多的視頻圖像監(jiān)控技術，能夠大幅度降低勞動強度，工地巡檢時的風險，并且可以對周圍環(huán)境實現(xiàn)24 h 監(jiān)控。監(jiān)控得到的視頻圖像經(jīng)過壓縮后，通過無線網(wǎng)絡上傳，在服務器中心對視頻進行解析，工作人員可以實時掌控輸電線路的運行狀態(tài)。視頻監(jiān)控主要功能有：觀察地線、導線的覆冰狀態(tài)，觀察容易塌方或者滑坡區(qū)域的狀態(tài)，觀測容易受到人為破壞區(qū)域的狀態(tài)，觀察輸電線路周圍樹木、竹子等的生長情況，觀察絕緣子、塔體、導線等關鍵結構部件的異常狀態(tài)，觀察大跨越區(qū)的環(huán)境情況，觀察偏遠區(qū)域變電站的運行狀態(tài)?？梢杂糜谝曨l監(jiān)控的相機工作原理分2 類，分別為CCD 和CMOS，其俯仰角度可以在0°～90°范圍變化，水平旋轉角度可以在0°～355°范圍變化，像素數(shù)超過704 × 576，且可以通過遠程方式對光圈、焦距、色度、對比度等技術參數(shù)進行調整。

2.3 輸電線路桿塔傾斜監(jiān)測技術

桿塔是輸電線路中的重要構成部分，工作時輸電線路會對桿塔產(chǎn)生一定的作用力。但是受到附近地質環(huán)境以及氣候條件的影響，桿塔基礎可能會出現(xiàn)沉降，甚至山體滑坡等難以預料的問題，進而威脅輸電線路的安全運行。工程實踐經(jīng)驗表明，輸電線路在風的作用下如果長時間沿一個方向舞動，會導致桿塔受力不均勻引發(fā)桿塔傾斜；桿塔本體出現(xiàn)裂紋或其他變形問題導致桿塔傾斜；自然地質災害可能導致桿塔發(fā)生傾斜。但是桿塔從傾斜到最終倒塌是一個緩慢的過程，如果能及時發(fā)現(xiàn)并處理完全可以規(guī)避風險。所以通過對桿塔傾斜狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，可以大幅度降低由于桿塔倒塌造成的危害及經(jīng)濟損失[3]。在對桿塔傾斜度進行監(jiān)測的過程中，須要綜合考慮風速、桿塔高度等因素對潛在的傾斜趨勢進行準確預測計算，評估倒塌的風險程度，在此基礎上系統(tǒng)向外發(fā)出報警信號。該環(huán)節(jié)使用的傳感器主要是傾角傳感器，工作原理分為壓阻技術原理、電容效應原理、熱氣泡原理以及光效應原理等，監(jiān)測范圍為雙軸±20°，精度須控制在±0.05°范圍內(nèi)，分辨率可達到0.01°。

2.4 輸電線路覆冰預警監(jiān)測技術

冬季野外的氣溫比較低，特別是在山區(qū)溫度會在0 ℃以下。如果遇到雨雪天氣，輸電線路上不可避免地會出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，覆冰會增加輸電線路的整體質量，嚴重時導致絕緣子出現(xiàn)閃絡，引起故障跳閘問題。另外會加速相關結構件的疲勞損傷，縮短其使用壽命。在輸電線路覆冰的工況條件下，一旦出現(xiàn)故障問題，會延長故障處理時間，或者擴大故障影響范圍。世界范圍內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了多起由于線路覆冰引起的輸電故障，造成了不好的社會影響。對覆冰問題進行預警監(jiān)測主要通過間接方式進行，因為在輸電線路出現(xiàn)覆冰的情況下會導致絕緣子拉力、傾角等出現(xiàn)變化，通過對傾角和拉力的監(jiān)測能間接反映覆冰的嚴重程度?；谏鲜霰O(jiān)測得到的數(shù)據(jù)信息，結合氣候環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，可以對導線覆冰厚度進行研判，然后結合實際情況給出針對性的覆冰防治措施[4]。使用的拉力傳感器主要是用彈性元件進行檢測，檢測范圍為2%～100% FS，在該階段為線性工作區(qū)間，精度可以達到0.2 及以上。使用的傾角傳感器工作原理包括壓阻技術、電容效應、熱氣泡效應以及光效應等，監(jiān)測范圍要求達到雙軸≥±70?，精度須控制在±0.1°范圍，分辨率為0.01°。

2.5 輸電線路微風振動監(jiān)測技術

當特高壓輸電線路周圍存在風時，在風力影響下線路會出現(xiàn)一定的振動現(xiàn)象，當風力作用引起的振動頻率與線路固有頻率接近時會出現(xiàn)共振問題，進而導致輸電線路出現(xiàn)斷股，輕者影響特高壓輸電過程的穩(wěn)定性，嚴重時引發(fā)安全事故，造成巨大經(jīng)濟損失。針對微風引起的振動問題，很多學者開展了一定的理論和實踐研究，并將研究成果應用到工程實踐中，取得了很好的效果，使得微風引起的振動危害性大幅度降低，但到目前為止無法從根本上抑制微風振動問題。所以須要對輸電線路的微風振動過程進行持續(xù)監(jiān)測，基于監(jiān)測結果進行研究以便采取針對性的措施抑制振動現(xiàn)象。實踐中須要利用加速度傳感器對輸電線路振動現(xiàn)象進行監(jiān)測，可以對振動加速度、振幅以及頻率等關鍵參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)測[5]?；诒O(jiān)測結果并結合氣候環(huán)境數(shù)據(jù)信息，可以對輸電導線的疲勞損傷程度實施預測，獲得導線的使用壽命數(shù)據(jù)信息，為導線運行維護提供有效理論指導，降低輸電導線發(fā)生安全事故的概率。加速度可以使用壓電式加速度傳感器，其中振動加速度的監(jiān)測范圍為±5g，振動幅度監(jiān)測范圍為0～15 mm，振動頻率范圍為0～20 Hz，檢測的精度可以達到±5%。

2.6 絕緣子污穢監(jiān)測技術

絕緣子是特高壓輸電線路重要的構成部分，但是絕緣子長時間在室外工作，如果環(huán)境質量較差，很容易對絕緣子產(chǎn)生污染，影響絕緣子的性能，尤其是絕緣性能，威脅特高壓輸電線路的運行安全性。基于此，須要對絕緣子的污穢狀態(tài)進行在線監(jiān)測，基本原理是對絕緣子的表面狀態(tài)進行測量，根據(jù)相關數(shù)據(jù)代入理論模型進行計算分析，判斷絕緣子表面實際情況。比如漏電電流是反映絕緣子污穢程度的重要指標，可以檢測漏電電流大小及其分布情況，進而判斷絕緣子的表面狀態(tài)。相關計算過程可以利用系統(tǒng)中內(nèi)置的算法程序進行處理即可。

3 結束語

受到周圍環(huán)境因素的影響，特高壓輸電線路運行過程中的故障率通常比較高。基于此，通過先進的在線監(jiān)測技術，對輸電線路的運行狀態(tài)信息參數(shù)進行實時采集并分析，及時掌握輸電線路的情況，能極大降低線路的故障率，提升特高壓輸電線路的運行穩(wěn)定性和可靠性。目前使用較多的監(jiān)測技術包括環(huán)境參數(shù)監(jiān)測技術、桿塔傾斜監(jiān)測技術、線路覆冰監(jiān)測技術、圖像視頻監(jiān)測技術等。本文主要對當前常見的狀態(tài)監(jiān)測技術進行了介紹，分析了在特高壓輸電線路中的應用。