輸電線路耐張線夾壓接質(zhì)量帶電檢測技術(shù)

歐陽克儉，曹先慧，屈國民，楊淼，謝億，劉赟，謝阿萌

(1. 湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南長沙410004；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

0 引言

輸電線路承力連接金具如耐張線夾存在質(zhì)量和壓接缺陷, 極易導(dǎo)致線路發(fā)生斷線故障, 并可能由此引發(fā)二次故障[1-4]。對耐張線夾開展X 射線無損檢測, 可有效排查隱患, 消缺處理可避免斷線故障的發(fā)生[5-6], 但電網(wǎng)系統(tǒng)較常采用的是停電條件下耐張線夾X 光檢測方式, 存在高空作業(yè)、輻射污染等安全隱患, 勞動強度大, 作業(yè)效率低。與此同時, 停電也在一定程度上降低了用戶的用電質(zhì)量,停電條件下的X 射線檢測如圖1 所示。針對處于高電壓大電流狀態(tài)的耐張線夾, 文章研發(fā)一種不停電即可開展的檢查方法, 既可滿足電網(wǎng)系統(tǒng)對耐張線夾的檢測要求, 亦可解除一線運維單位的停電壓力。

圖1 停電條件下的X 射線檢測

1 帶電檢測裝置開發(fā)

帶電檢測裝置開發(fā)是將無人機運載技術(shù)引入到輸電線路承力部件的X 光檢測中來, 利用無人機運載帶高壓屏蔽的DR 射線檢測設(shè)備, 并將檢測設(shè)備懸掛于檢測部位, 通過地面工作站控制無人機及DR 射線裝置, 完成射線檢測和圖像數(shù)據(jù)采集, 采集完成后檢測設(shè)備經(jīng)無人機運至地面, 完成整個檢測。

帶電檢測裝置主設(shè)備采用DR 射線, DR 射線檢測是指采用數(shù)字化X 射線成像檢測裝置對耐張線夾壓接質(zhì)量進(jìn)行檢測, 可清楚顯示壓接后耐張線夾內(nèi)部的結(jié)構(gòu), 尤其是內(nèi)部導(dǎo)線鋁股、鋼芯、線夾鋁套管和線夾鋼棒的相對位置, 對比壓接工藝標(biāo)準(zhǔn)要求即可發(fā)現(xiàn)由壓接工藝不良造成的內(nèi)部缺陷。該檢測方法降低了常規(guī)射線試驗的條件和要求, 無需鉛房, 無需沖洗底片, 并且可以便攜移動到現(xiàn)場進(jìn)行檢測, DR 射線檢測成像如圖2 所示。

圖2 耐張線夾射線檢測成像

檢測裝置帶有兩個掛鉤, 采用無人機連接絕緣繩索, 將檢測裝置垂直提升到目標(biāo)導(dǎo)線的耐張線夾壓接待檢位置, 使檢測裝置的開口方向能對準(zhǔn)目標(biāo)導(dǎo)地線的待檢測耐張線夾位置。由于兩掛鉤的中點位于X 射線成像模塊的中線上, 從而可使導(dǎo)線上的金具位于X 射線成像模塊的中心, 確保X 射線成像的圖像質(zhì)量。待檢測裝置掛在帶電導(dǎo)線上后,無人機懸停, 通過地面站無線傳輸控制DR 設(shè)備,發(fā)射射線采集檢測圖像。圖像采集完成后, 無人機提升設(shè)備脫離導(dǎo)地線檢測位置, 緩慢落至地面完成作業(yè)。檢測裝置如圖3 所示。

圖3 帶電檢測裝置效果圖

2 檢測裝置抗電磁干擾仿真計算

輸電線路正常運行時線路周圍存在極大的場強, 且隨著電壓等級、離線的距離不同, 場強的空間分布將有所變化[7-8]。為了保障檢測裝置在安全的前提下能高質(zhì)量完成檢測, 對檢測裝置開展了等電位設(shè)計、不同屏蔽材料以對電場進(jìn)行屏蔽[9-10]。由于部分檢測元件需要向地面?zhèn)鬏敓o線電信號, 無法將屏蔽設(shè)計成完全封裝, 因此須對屏蔽性能進(jìn)行驗證, 在保證信號傳輸?shù)耐瑫r, 又達(dá)到設(shè)備不受電場影響的效果。

2.1 電磁場基本理論

電磁場有限元仿真計算主要由前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊組成。分析求解處理過程主要分為: 選擇求解器的類型；建立仿真分析模型；設(shè)置材料屬性 (電導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等)；設(shè)置模型激勵源和分析邊界條件；設(shè)置自適應(yīng)網(wǎng)格剖分；有限元仿真計算。一般來說, 利用Ansoft Maxwell 軟件進(jìn)行電磁分析的計算流程包含基本規(guī)劃、建模、加載、劃分網(wǎng)格、求解、后處理等步驟[11]。Maxwell 方程組是電磁問題分析的基礎(chǔ), 由4 個微分方程組成:

2.2 電磁場仿真計算

仿真模型中導(dǎo)線型號設(shè)為LGJ-300/40, 計算域截斷邊界采用長方體, 與導(dǎo)線平行的兩側(cè)面、頂面及地面加載電位, 垂直于導(dǎo)線的2 個求解域截斷平面加載自然邊界條件, 有限元模型如圖4 所示。

圖4 帶電檢測裝置有限元模型

對導(dǎo)線施加電壓, 設(shè)備支架掛入導(dǎo)線耦合導(dǎo)線電位, 得到DR 設(shè)備帶電作業(yè)時的空間場強分布,如圖5 所示, 支架的存在使導(dǎo)線附近電場發(fā)生畸變, 成像板外邊緣場強最大達(dá)378 kV/m。由于射線機所發(fā)射X 射線不帶電荷, 在電場中并不會受到電場的影響。而X 射線成像設(shè)備中成像板距導(dǎo)線較近, 電場通過影響成像板中電子元件從而將X光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。成像板在支架邊框及中央場強較大, 最大值發(fā)生在近掛鉤側(cè), 達(dá)360 kV/m。針對110 kV、220 kV 線路電壓等級, 電磁場仿真結(jié)果見表1。

圖5 模型鉛垂對稱面場強分布

表1 線路X 光數(shù)字成像設(shè)備屏蔽效能要求

3 耐張線夾壓接質(zhì)量帶電現(xiàn)場檢測

根據(jù)電磁仿真計算結(jié)論對檢測裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。本文采用大載重?zé)o人機搭載檢測裝置, 升空過程中, 整體擺動微小, 飛手可穩(wěn)定操作, 完全滿足DR 射線檢測要求。選取110 kV 觀九線、35 kV李湖線開展了帶電現(xiàn)場檢測, 無人機懸停檢測可在1 min 內(nèi)完成, 整個檢測起落總耗時約5 min。現(xiàn)場帶電檢測如圖6 所示, 耐張線夾檢測成像如圖7 所示, DR 檢測成像優(yōu)良, 完成滿足工程實際要求。

圖6 現(xiàn)場帶電檢測

圖7 帶電檢測DR 成像

4 結(jié)論

針對輸電線路耐張線夾壓接質(zhì)量這一隱蔽工程需要在停電條件下大面積開展X 光檢測的問題,創(chuàng)新性地將無人機運載技術(shù)引入到輸電線路承力部件的X 光檢測中來, 研發(fā)了帶電條件下的輸電線路耐張線夾壓接質(zhì)量無損檢測技術(shù)。利用無人機運載帶高壓屏蔽的DR 射線檢測設(shè)備, 并將檢測設(shè)備懸掛于檢測部位, 通過地面工作站控制無人機及DR 射線裝置, 完成射線檢測和圖像數(shù)據(jù)采集, 采集完成后檢測設(shè)備經(jīng)無人機運至地面。基于抗電磁干擾有限元仿真計算優(yōu)化設(shè)計后, 現(xiàn)場帶電檢測能快速有效完成。

采用無人機運載技術(shù)的輸電線路耐張線夾壓接質(zhì)量帶電檢測技術(shù)攻克了電磁屏蔽干擾、仿真計算、帶電模擬、無人機飛行技術(shù)等技術(shù)壁壘, 成功實現(xiàn)了首次無人機掛載的輸電線路耐張線夾X 光帶電檢測, 將有效解決基層單位停電難的問題, 大大提高客戶用電質(zhì)量, 為電網(wǎng)系統(tǒng)帶電無損檢測提供了新的技術(shù)手段。