架空地線取能及微波探測在輸電線路外破監測的研究應用

黃雙得 許保瑜

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架空地線取能及微波探測在輸電線路外破監測的研究應用

黃雙得 許保瑜

（云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650011）

輸電線路周邊的施工行為日益增多，現有的外力破壞監測方式主要有視頻、激光對射等，設備功耗大，實時工作對電源容量要求較高，而現有的外力破壞監測裝置普遍采用太陽能方式供電，可靠性受天氣條件影響，難以保障監測系統的可靠工作。針對以上問題，本文研究了一種采用架空地線感應取電方式供電、基于低功耗微波探測技術的外破監測方法，現場有異常情況時啟動圖像設備拍攝現場狀況取證，從而提高防外力破壞監測系統工作的可靠性。

外力破壞；地線取電；微波探測；測距測速

隨著我國城市化和工業化進程的不斷加速，高速鐵路、公路、樓房等基礎設施建設的快速推進，輸電線路外力破壞的發生愈加頻繁。運行數據表明，吊車碰線、違章施工、盜竊等外力破壞故障已成為輸電線路事故跳閘和強迫停運的主要原因，對電網的安全穩定運行造成了嚴重的威脅[1]。為了解決輸電線路外力破壞安全隱患，市面上出現了各種具備信號采集和報警功能的防外力破壞監測裝置，其中主流的方法包括視頻監控、激光對射布防等，以上方法能夠對外破預防起到一定作用，但是在應用過程中均存在局限性。主要表現在以下方面： ①視頻監控流量費用高，且需要耗費大量人力進行監控；②激光對射布防需實時工作，功耗較高，且采用太陽能方式供電，可靠性難以保障。針對以上問題，本文對地線感應取電技術及微波雷達探測技術展開研究，實現一種圖像監拍裝置正常情況下休眠，僅低功耗微波雷達實時探測，一旦監控區域出現異常，就啟動監拍裝置拍攝現場圖片，并上報報警信息或啟動現場報警器的外破監控方式，從而極大程度提高了外破監測可靠性。

1 架空地線感應取能研究

架空地線接地方式主要有兩種，分別是逐基接地及分段絕緣單點接地[2]。后者能夠有效降低地線感應能量損耗，但是地線絕緣改造比較復雜，多在有融冰需求或線損較大的線路應用，逐基接地仍為主要的接地方式。

兩根地線與三相導線的分布不完全對稱，導線中的交變電流在地線形成的金屬回路產生的磁通感應出電勢，并在地線形成環流，電勢大小與三相導線電流大小、導線與地線的幾何位置關系相關，而環流大小則與地線回路中的電阻相關。逐基接地的地線取能原理可以等效為如圖1所示。

輸出功率與折算到原邊的負載大小相關，當負載折算到原邊的阻抗與環路內阻0相等時，能夠輸出最大功率，可通過匝數優化設計提高其輸出功率。根據相關文獻，在匹配條件下，當導線電流100A時，地線取能輸出功率可達18.9W[3]。

圖1 地線感應電流模型

以某220kV輸電線路參數為例，導線計算半徑為14mm，直流單位長度電阻D為0.08W，地線和D分別為6.8mm和0.8W；基于ATP-EMTP軟件搭建了輸電線路模型，仿真模型如圖2所示，考慮負載為阻性負載，其輸出功率與負載電阻的關系如圖3所示，在阻抗匹配的情況下，存在最大輸出功率點。等效內阻大小和線路長度及單位長度電阻密切相關，實際匹配電阻需根據線路情況選取。

圖2 地線感應電流仿真模型

圖3 輸出功率與負載大小關系

2 微波雷達測速測距方法研究

微波雷達探測運動物體的原理是由發射波與回波之間的頻差，即基于多普勒效應的一種檢測方法。調頻型雷達基于時間差頻及多普勒頻移，不僅可以探測動態目標的速度和距離，還可探測靜態目標的距離信息。對于輸電線路外力破壞監測，當警戒區域內出現施工機械時，利用調頻型微波雷達探測器可以準確獲取施工機械的運動狀態、運動速度以及距離信息。根據不同的狀態，本系統制定了不同的預警應對方式，下文將詳細展開說明。首先對微波雷達測距測速的原理進行介紹。

2.1 靜態目標距離檢測

調頻型雷達工作時，調制信號發生器產生一定波形的調制信號，對壓控振蕩器進行調制，產生一定范圍頻率的信號，形成調頻連續波。經過功率放大，天線將調頻信號輻射到空間。當發射信號遇到目標和物體時，一部分能量被反射回來，并被接收天線接收。在電磁波往返于天線與目標的這段時間內，發射信號的頻率與回波信號的頻率相比已有了一些變化。將回波信號放大后與來自發射機振蕩器的本振信號進行混頻，在混頻器輸出端得到差頻信號。此差頻信號的頻率包含著靜止目標的距離信息。

圖4 靜止目標差頻信號示意圖

發射信號和回波信號在時間上間隔為，根據圖4，有關系如下：

發射信號和回波信號的時間差與距離的關系為

由式（1）、式（2）可得目標距離為

式中，為目標物體的距離；為電磁波速度；差頻信號頻率0；為調制三角波的周期，D為調頻帶寬。

2.2 運動目標距離檢測

當目標物體運動時，除了上述時間差頻外，還存在多普勒頻移，如圖5所示為運動目標的差頻信號原理圖。

圖5 差頻信號示意圖

如圖5所示，以物體靠近運動為正方向，在三角波的上升沿和下降沿分別可得到一個差頻：

式中，0為目標相對靜止時的差頻頻率，b+和b-分別代表前半周正向調頻和后半周負向調頻所得的差頻，d則為針對有相對運動的目標的多普勒頻移。0和d如下式：

結合式（4）和式（5），可以求出目標物距離和速度：

式中，為電磁波速度；為調制三角波的周期；D為調頻帶寬；為雷達發射頻率。可以看到調制信號周期越長，測距范圍越大。輸電線路檔距范圍一般在幾百米的范圍，這里取500m，按照差頻和調頻寬度在推薦比例范圍，本文的三角波調制信號頻率選取40Hz。

對采集的差頻信號，經過放大、匹配濾波等硬件處理后，由主控芯片采用傅里葉方法分析上升沿及下降沿的差頻頻率，進而計算得到距離及速度信息。

3 現場應用方案

輸電線路外破監測區域為輸電線路及其兩側走廊，不同電壓等級的絕緣安全距離不同，但是由于從發現機械入侵到警報生效存在一定延時，因此告警區域應在安全距離的基礎上放寬一些。本文選用的是IVS179系列K波段雷達，有效作用距離可達500m，天線角度范圍28°，微波探測雷達的現場布置方式如圖6所示，可有效覆蓋輸電線路及其走廊監測范圍。

結合雷達探測技術、圖像觸發監拍、地線感應取電技術，本文研究制定了一套外破監測方案。日常僅微波雷達實時工作，其功耗很低，經測試，使用本文研制的地線取能裝置，在地線側電流（感應電流）3A時，該模塊即可正常工作。當檢測到靜態目標時，啟動圖像監拍裝置現場取證并將圖片傳至后臺，管理人員可通知現場注意施工安全距離；當檢測到動態目標時，啟動圖像監拍裝置，并啟動現場聲光報警器，警示施工車輛，即時預警，從而達到輸電線路外破有效監測的目的。

圖6 微波雷達探測范圍示意圖

4 結論

本文研究的外破監測方法，日常功耗低，可采用地線感應能量持續供電，設備安裝在地電位，不存在導線取電需停電安裝的問題。基于微波檢測信號判斷的目標狀態，終端智能啟動圖像監拍裝置或現場報警器，使監控人員能夠及時掌握線路的運行狀態，實現智能外破監控，降低線路外破跳閘率，提高輸電線路的安全穩定運行水平。

[1] 何健, 羅昳昀, 張振. 探析架空輸電線路通道防外破管理模式[J]. 科技創新導報, 2017(1): 143-145.

[2] 盧亞軍. 減小避雷線損耗的方法研究[M]. 華北電力大學, 2010.

[3] 蔣興良, 謝彥斌, 胡建林, 等. 典型架空輸電線路地線電磁取能等效電路的分析[J]. 電網技術, 2015(7): 2052-2057.

[4] 楊國棟, 李小明, 張文娜, 等. 輸電線路外力破壞的主要危險點及應對措施[J]. 電氣技術, 2013, 14(2): 91-93.

[5] 楊帆, 鄒冰洋, 王德忠, 等. 輸電線路防外力破壞實時報警監控系統研究[J]. 電工技術, 2016(12): 131- 132.

[6] 何冰, 沈超, 朱春暉, 等. 輸電線路中反大型機械外力破壞的智能預警功能的實現[J]. 華東電力, 2011, 39(10): 1705-1709.

Research and application of overhead ground wire acquisition and microwave detection in fault diagnosis of transmission line

Huang Shuangde Xu Baoyu

(Yunnan Power Grid Co., Ltd, Kunming Power Supply Bureau, Kunming 650011)

The construction behavior of the transmission lines around the transmission line is increasing day by day. The existing methods of monitoring the external force damage are video, laser and so on. The power consumption of the equipment is large, and the real-time work has higher requirements on the power supply capacity. The existing external damage monitoring device is the use of solar power, reliability affected by weather conditions, it is difficult to protect the reliable operation of the monitoring system. In view of the above problems, this paper studies a kind of external fault monitoring method based on low power microwave detection technology, which uses the overhead ground wire to take power supply, and starts the image equipment shooting scene situation forensics, greatly improves the anti-external force Destroy the reliability of the monitoring system.

external damage; ground to take electricity; microwave detection; ranging spee

2018-01-23

黃雙得（1981-），男，云南省曲靖市人，本科，工程師，主要從事架空輸電線路運行與維護技術管理及新技術研究工作。