無線傳感器網絡在電力鐵塔山火監測中的應用*

張豐偉， 李英娜， 彭慶軍， 鄒立峰， 王達達， 李 川

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化院,云南 昆明 650504; 2.云南電網公司 博士后工作站,云南 昆明 650217; 3.云南電網公司 昆明供電局,云南 昆明 650011;4.云南電網公司,云南 昆明 650011)

0 引 言

山火導致的輸電線路跳閘與停運事故時有發生，嚴重威脅到電網的可靠運行。國內外把輸電線路山火跳閘的機理歸結為火焰溫度、火焰電導率和灰燼等因素，而研究和試驗表明,輸電線路在山火條件下發生跳閘是火焰溫度、火焰電導率以及灰燼和煙霧導致間隙絕緣水平劇烈下降的結果[1～5]。1998年,易浩若等人采用GIS軟件平臺分析和處理山火監測數據，得出未來兩天之內的森林火險天氣預報[6]；2013年,梁允等人利用極軌氣象衛星對輸電線路進行了山火數據監測[7]；2013年,廣西電網公司電力科學研究院的朱時陽等人采用衛星遙感林火監測技術，開發了廣西電網輸電線路走廊山火監測系統[8]。現有的輸電線路火災監測的技術手段主要還有：視頻/圖像監測、紅外傳感，CO2傳感、衛星遙感[9～14]。

本文采用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、CO和H2S傳感器構成無線傳感器網絡，實現了對變電站周圍山區的煙霧、溫濕度、CO和H2S的濃度的監測，并通過對數據的分析實現了對山火的有效預警。

1 工作原理

山火發生時影響輸電線路電氣外絕緣的主要因素是：空氣溫度高、山火的煙塵濃度變大和空氣濕度小。在輸電線路下方發生山火時，輸電線路附近的空氣溫度能在短時間內得到大幅升高，隨著空氣溫度的升高氣隙的擊穿電壓減小；隨著相對濕度的下降氣隙放電電壓減小。火焰溫度、火焰電導率和顆粒等能夠促進放電的發展，并導致間隙的絕緣水平下降；導線對火焰頂部的預放電能促進燃燒，電弧則能夠增強山火燃燒的強度并抬升火焰的高度，導致擊穿電壓降低。由試驗與分析可知，輸電線路因山火擊穿是由火焰溫度、電導率以及灰燼與煙霧等3個因素促進放電發展的結果。

根據上述測量要求，系統采用溫濕度傳感器、CO傳感器、H2S傳感器和離子煙霧傳感器對輸電線路的周圍環境進行監測,監測模型如圖1。智能溫濕度傳感器采用高精度的水合物探頭，1 s內完成90 %讀數，能投自動的完成溫濕度數據采集、校準及自動溫度補償等功能，溫度的測量范圍為-40～120 ℃，測量精度為0.5 ℃，濕度的測量范圍為0 %～100 %RH，測量精度為4.5 %。智能CO傳感器采用高精度CO電化學探頭，測量范圍是(0～2 000)×10-6，分辨率小于1×10-6。智能硫化氫傳感器采用高精度H2S電化學探頭，測量范圍為(0～100)×10-6，分辨率為0.1×10-6。智能離子煙霧傳感器采用離子式感煙探測器，能檢測20 m2內的煙霧情況。

圖1 監測信息模型圖

2 測量應用

220 kV腰站變電站位于楚雄祿豐縣勤豐鎮羊街村北面約2 km的山丘上，海拔高度1 923 m，占地面積22 876 m2，是楚雄祿豐地區的重要變電站之一。主供電源由500 kV和平變220 kV和腰I回線、220 kV和腰II回線供電。

根據楚雄腰站變電站的工程情況和周圍輸電線路的火災監測需求，在變電站外圍選取腰洪線001#、祿腰德線157#和腰I回線43#鐵塔，將防水箱裝在鐵塔的橫桿上，防水箱中安裝一套火災監測的傳感器，包括智能溫濕度傳感器、離子煙霧傳感器、H2S傳感器和CO傳感器各一支，功能設備通過太陽能板供電。由于3個塔架分布在變電站的周圍，距離變電站的主控樓400～600 m，而且塔架與主控頂的無線接收網關中間有樹木的遮擋，為了保證信號準確無誤的傳送，采用增益天線通過2.4 GHz無線信道傳輸到主控室的網關上，后由網線傳至主控室中的服務器中，對3個塔架周圍的環境進行實時監測，無線傳感器網絡火災監測的拓撲圖如圖2所示。

圖2 無線傳感網火災監測拓撲圖

為避免雨水等天氣原因對傳感器的影響，將H2S傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器和煙霧傳感器放置在防水百葉箱中，并通過航插插頭與防水箱中的基站相連。基站由太陽能供電板和蓄電池進行供電，保證陰雨天和夜晚傳感器的正常工作。基站每隔2 min將傳感器采集到的數據通過增益天線傳至主控樓服務器。圖3為現場施工圖。

圖3 現場施工圖

3 監測結果

系統檢測至今，已累計采集2個月的監測數據，選取4月23日～6月16日的監測數據進行分析處理，圖4為腰洪線001#鐵塔附近山火監測溫度的曲線圖，從圖中可以看出溫度在每日7時開始呈上升趨勢，14時～16時都達到最大值，每日2時～5時跌至最小值。

圖4 溫度曲線圖

圖5為4月23日～6月16日腰洪線001#鐵塔附近山火監測的濕度曲線，從圖中可以看出:每日15時開始呈上升趨勢，4～6時達到濕度最大值，每日11～13時跌至最小值。

圖5 濕度曲線圖

圖6為4月23日～6月16日腰洪線001號鐵塔附近山火監測CO曲線，從圖中可以看出:CO總體變化范圍在(0～7)×10-6。

圖6 CO曲線圖

設備運行期間，離子煙霧傳感器成功監測楚雄腰站變電站周圍兩次森林火災。第一次為4月23日祿豐縣勤豐鎮可里村委會旱沖箐發生的森林火災；第二次為5月21日安寧市祿脿街道北沖村附近發生的森林火災，火勢隨后蔓延至楚雄彝族自治州祿豐縣境內，距離腰站變電站約為12 km。

圖7為4月23日～6月16日腰I回線43#鐵塔附近離子煙霧傳感器的監測曲線。

4 結 論

基于無線傳感網的變電站火災監測系統運行至今，對變電站周圍的溫濕度、煙霧、CO和H2S進行了持續在線監測，經過數據處理和分析可以看出：溫度的變化范圍為10～35 ℃，濕度的變化范圍為20 %～80 %RH，CO的變化范圍為(0～7)×10-6，并成功監測兩次森林火災。系統的運行為變電站火災監測積累了長期的歷史數據，極大地提高了山火火點監測能力，對于及時發現線路附近的火災、提高輸電線路的防火災能力具有重要意義。

圖7 離子煙霧曲線圖

參考文獻:

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