架空輸電線路隱患在線監測方案研究

陳梓楓

（廣東電網有限責任公司廣州供電局）

0 引言

近年來，隨著我國人口的不斷高度化集中，人類生活、學習對于電力系統的穩定性要求越來越高，因此，我國對于電力系統的安全生產有著嚴格要求。伴隨著人口、重要基礎設施的發展與集中，我國的輸電線路結構正逐步發生變化，由傳統的單一架空線路結構演變為電纜混架、線路多T型連接的結構。在該結構下，無論對于線路的故障點精確定位還是故障處理都存在著極大的困難，而輸電線路的故障一部分是由線路隱患發展而來，其隱患的主要類型為樹木超高、絕緣子污穢，這些隱患故障往往存在于線路中，盡早發現有助于減少線路故障跳閘的發生概率。針對于架空輸電線路的隱患檢測方法，相關學者做了大量研究，用于實現輸電線路隱患的早日排查［1-3］。

一方面，一些學者從圖像處理的角度出發，監測輸電線路導線走廊中是否存在異物的情況，該方法由視頻圖像監測裝置進行主動抓拍，然后利用后臺智能算法進行隱患預警，該方法可實現樹木超高以及異物超高的預警，但圖像監測裝置可監測的范圍有限，基本無法實現輸電線路的全線監測，僅能針對隱患易發區域進行選擇性安裝［4］。另一方面，一部分學者通過研究絕緣子污穢與泄漏電流之間的關系來進行輸電線路的隱患預警，通過建立仿真模型，利用改進的電場儀檢測絕緣子附近的電場變化，從而進行絕緣子隱患放電的預警，但該方法為離線式故障檢測方法，無法實時監測線路運行狀況［5］。

鑒于上述隱患監測系統方案中存在的問題，本文介紹了一種在線式架空輸電線路隱患故障監測方法，結合現場監測裝置以及后臺隱患系統算法，基于行波特性，該系統基本可實現在線式隱患預警監測，從而減小輸電線路因隱患放電造成的線路故障跳閘。

1 架空輸電線路主要隱患類型

架空輸電線路在長期的運行過程中受到惡劣的自然天氣、環境因素的影響，線路極易出現故障跳閘的情況，通過現有的行波法故障測距，基本能夠實現穩定的故障點定位以及故障排查。輸電線路在長期的運行過程中，可能存在線路本體或者其它因素導致的線路絕緣缺陷的情況，一般架空輸電線路的主要隱患分為如下幾個類型： （1）由于架空輸電線路運行過程中周圍樹木長期生長導致樹木超高，而樹木生長的過程中，由于風力的影響導致輸電線路發生隱患放電的情況；（2）輸電線路在運行過程中難免受到雷擊等自然現象的影響，尤其是電流幅值較小的雷或者輸電線路附近的雷，導致線路的絕緣子出現絕緣缺陷而不會導致線路發生故障跳閘，在長期滿負荷、高強度運行的情況下可能出現絕緣缺陷的情況，從而影響輸電線路的穩定運行； （3）輸電線路在長期運行的過程中，其絕緣子表面受到污穢的積累以及鳥糞的影響容易出現沿面放電的情況，常年累月導致輸電線路發生故障跳閘，而絕緣子表面的污穢以及鳥糞的堆積通過人工巡線一般難以被排查和識別，因此須通過科學有效手段進行架空輸電線路的隱患識別以及預警［6］。

本文在進行架空輸電線路隱患預警時，首先建立了仿真模型，仿真了上述三類常見的隱患放電行波特征，對于其放電特征做出歸納，架空輸電線路主要隱患放電類型以及放電特征如圖1所示。

圖1 主要放電類型及放電特征

2 隱患在線監測方案系統

2.1 系統主要架構

架空輸電線路隱患監測系統的主要構成為現場監測終端，現場監測終端安裝于輸電線路架空導線上，負責采集架空輸電線路中的放電數據，監測裝置采集了數據后通過無線通訊的方式將數據傳輸給遠端服務器，遠端服務器對終端采集的數據進行系統分析，并進行理論計算，當系統中出現多次隱患放電點時進行主動預警，同時將故障數據推送至指定的手機端以及用于數據展示的網絡客戶端，其系統主要構成如圖2所示。

圖2 架空輸電線路隱患預警系統主要構成

2.2 監測終端

架空輸電線路隱患監測終端安裝于輸電線路導線上，負責采集輸電線路中的放電信號，由于隱患放電一般呈現寬頻帶，同時需要排除輸電線路強電磁環境的干擾，因此對傳感器的采集、屏蔽和后續的處理電路都需要做特殊處理，監測裝置采用輸電線路高電位耦合供電加耦合供電的行波保證系統來進行穩定供電，由于監測終端常年暴露于惡劣的自然環境中，應采用防護等級較高的材質進行設計，架空輸電線路隱患監測終端實物圖如圖3所示。

圖3 架空輸電線路隱患監測終端實物圖

2.3 通訊主站及通訊方式

架空輸電線路隱患監測系統主站用于接收高壓導線上監測終端上傳的數據，對數據進行處理、解析、分析、計算，對于存在的隱患放電情況進行雙端行波法故障精確定位。無論是判定出系統中存在隱患放電點，還是經過多次計算判定輸電線路架空導線上存在隱患放電點，都會進行主動預警，同時將預警信息傳輸至指定區域。

無論是監測終端與服務器之間進行數據交互，還是網絡展示端與服務器進行數據交互，該系統均采用無線通訊（GPRS／APN）形式傳輸，從而實現了架空輸電線路的全方位監測。

3 隱患監測主要技術

由于高壓輸電線路存在的強電磁干擾環境，這給架空輸電線路隱患監測系統的數據采集、分析帶來了極大的困難，因此該系統的傳感器采集以及屏蔽技術顯得尤為重要，同時，該監測裝置處于高電位導線上，無法同時以市電去能的方式進行監測裝置的供電，因此監測裝置的耦合取能以及取能保護電路成為了重點考慮對象［7］。

3.1 取能及保護電路技術

架空輸電線路監測裝置安裝于高電位架空導線上，該監測裝置采用耦合供電及太陽能取能雙重供電方式來滿足監測裝置的取能需求，耦合取能和太陽能取能雙重取能方式相互配合以保證監測終端的穩定供能。耦合取能的大致流程為經過傳感器取能、保護回路、整流、保護回路、DC轉DC給監測終端供電；太陽能取能為MPPT充電電路、充電選擇切換控制電路、電源切換控制電路、DC轉DC從而給監測終端供電。監測終端取能流程示意圖如圖4所示。

圖4 監測終端取能流程

架空輸電線路隱患監測裝置采用耦合供電配合太陽能取能的方式進行監測主板的供電，內部電池組均為工業級磷酸鐵鋰電池。監測終端采用低功耗設計，在輸電線路負載極低的情況下可采用太陽能耦合取能的形式進行供能，用于保證監測終端的穩定供電，減小系統中出現漏報的情況。

3.2 寬頻帶電流測量技術

由于監測終端采集的信號為架空輸電線路中隱患放電信號，而隱患放電信號無論是工頻信號還是行波信號都不同于常規的輸電線路信號。就工頻信號而言，常規的工頻信號一般采樣率較低，僅需判定輸電線路中是否發生故障跳閘即可，而隱患放電信號難以捕捉，一方面隱患放電信號頻率較高，另一方面隱患放電信號幅值較小，需要對采集傳感器做屏蔽處理。為保證監測信號的采集以及還原，采用帶屏蔽線圈的羅氏線圈傳感器進行架空輸電線路的信號采集，傳感器放大示意圖如圖5所示。

圖5 羅氏線圈示意圖

根據圖5可知，監測傳感器位于架空導線上，羅氏線圈采用自積分回路形式輸出，影響其輸出的因素相對較少，其輸入輸出特性近似滿足于：

式中，e（t）為輸出電壓；M為羅氏線圈與架空輸電線路截流導體間的互感系數；i（t）為輸電線路負荷電流。

由上式可知，羅氏線圈輸出電壓與負荷電流為微分關系。在羅氏線圈傳感器選定并安裝完畢后，其M基本為常數，輸出特性基本只與輸電線路相關，與其它參數基本無關，傳感器外邊緣采用銅箔外殼設計，用于保證采集的隱患放電信號的精確性。羅氏線圈具有良好的寬頻帶響應特性，其頻帶為幾十千赫到100MHz，而常規的輸電線路隱患放電信號頻帶一般在幾百千赫，其傳感特性可以滿足所有的輸電線路隱患放電信號的采集以及還原。

4 隱患監測及預警原理

架空輸電線路受到樹木超高、鳥害、絕緣子污穢等各類情況的影響，線路極易發生隱患放電，當系統中存在隱患放電點時，科學有效地判定以及處理隱患放電點，有助于減小架空輸電線路故障跳閘率，架空輸電線路隱患監測系統預警算法及流程如圖6所示。

圖6 架空輸電線路隱患預警流程

首先選取了監測終端采集的工頻波形的時長，ti為工頻起始時刻，tj為工頻結束時刻，Q0為隱患放電基準值，Ii為隱患放電最小電流值，Ij為隱患放電最大電流值，n1為區間內放電個數，n2為大于最大放電電流幅值Ij的個數，若放電電流與放電次數滿足如下關系時，即可判定線路中存在隱患放電情況。

①在1～n個Q值中任取兩個數，記為Qi和Qj，若Q值與Ij值相差較大且滿足公式（2）的關系，即可判斷線路存在隱患放電情況。

其中，0≤c≤0.1max（Qi，Qj）。

②在1～l和m～n個Q值中，各取兩個數，記為Qi和Qj，1≤l＜m≤n，若存在多個連續的Qi和Qj滿足公式（3）的關系，即可判斷線路存在隱患。

其中，d≥0.5Qi。

架空線路滿足上述兩種不同的放電情況都判定為線路存在隱患放電，再通過上述雙端行波定位的原理即可實現故障點精確定位。

5 結束語

寬頻帶傳感裝置以及電源取能保護系統成為監測終端穩定運行的關鍵，架空輸電線路隱患監測系統通過上述監測終端以及隱患監測算法，基本能夠實現線路的隱患預警，該系統有助于輔助運維人員早日進行輸電線路隱患排查，從而減少輸電線路發生故障跳閘的概率。