輸電線路智能化運(yùn)行維護(hù)技術(shù)研究

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司 段晨陽 任顯銘 陳柯寧

結(jié)合國家能源局公布的相關(guān)數(shù)據(jù)：2022年我國全社會用電量多達(dá)8.6372萬億kWh，同比增長3.6%，且累計發(fā)電裝機(jī)容量為25.6億kW，6000kW以上電廠發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)3687h，為滿足用電需求，新增220kV及以上輸電線路3.8967萬km，致使輸電線路運(yùn)行維護(hù)工作負(fù)擔(dān)日漸繁重，為妥善處理輸電線路運(yùn)行問題，理應(yīng)從智能化運(yùn)維方向加強(qiáng)新技術(shù)的應(yīng)用推廣，優(yōu)化用電服務(wù)體驗。本文以某公司為例，對輸電線路智能化運(yùn)行維護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 某公司輸電線路運(yùn)行維護(hù)內(nèi)容

1.1 巡視與檢測

輸電線路作為電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)保障，理應(yīng)積極開展運(yùn)行維護(hù)工作，其重點內(nèi)容包括巡視和檢測，前者可細(xì)分為定期巡視、故障巡視、特殊巡視、監(jiān)察性巡視，且巡視人員宜在新建線路投運(yùn)1年時間里按照1次/月的標(biāo)準(zhǔn)按時巡視，而后調(diào)整為1次/2個月，以絕緣子（串順線路方向傾角應(yīng)＞7.5°或＞300mm）、線路金具（調(diào)整板、銷釘、線夾完整無破損）、桿塔（未變形、無裂紋等）等為巡視主體；故障巡視則重點檢查輸電線路是否在運(yùn)行中存在倒塔、污閃、冰害等不良故障。

特殊巡視是指針對雷擊區(qū)、山火區(qū)、風(fēng)害區(qū)等特殊地區(qū)予以巡檢；監(jiān)察性巡視則要求運(yùn)維人員以2次/年逐條線路或逐區(qū)進(jìn)行檢測。后者是對輸電線路運(yùn)行狀態(tài)展開巡檢，包括評估桿塔銹蝕情況、基礎(chǔ)沉降量、防雷設(shè)施連接安全性等，多以設(shè)備隱患和設(shè)備狀態(tài)評估和線路安全評價作為工作重心。

1.2 維修與防范

維修和防范也是輸電線路運(yùn)行維護(hù)常見內(nèi)容，即針對上述檢測到的故障問題進(jìn)行修復(fù)處理，并滿足既定維修標(biāo)準(zhǔn)。例如，緊固桿塔螺栓時，應(yīng)每年至少緊固一次，且冰區(qū)輸電線路六年緊固兩次左右，絕緣子每1年或每3年清掃一次等。至于輸電線路防范工作具體以火災(zāi)預(yù)防、外力破壞防范為主。只有深度落實上述運(yùn)維內(nèi)容，才能進(jìn)一步優(yōu)化輸電線路運(yùn)行狀態(tài)，為減輕當(dāng)下運(yùn)維人員工作壓力，可以考慮以智能化運(yùn)維技術(shù)明晰運(yùn)維創(chuàng)新思路，善于依靠智能技術(shù)改良輸電線路運(yùn)維條件。

2 某公司輸電線路智能化運(yùn)行維護(hù)技術(shù)作用

促進(jìn)安全運(yùn)行。輸電線路智能化運(yùn)維技術(shù)的有效應(yīng)用，實則為了進(jìn)一步促進(jìn)輸電線路的安全運(yùn)行，所以要求所運(yùn)用的新技術(shù)務(wù)必滿足安全性標(biāo)準(zhǔn)。魯杰等人[1]提出在輸電線路運(yùn)維工作中采用無人機(jī)巡檢技術(shù)，與傳統(tǒng)人工巡檢方式比較，既能預(yù)防運(yùn)維人員遇險，又能使巡檢效率提升600%甚至是1000%，表明智能化運(yùn)維技術(shù)可有效為運(yùn)維人員創(chuàng)造安全環(huán)境，并且有增效價值。對此，智能化運(yùn)維技術(shù)的應(yīng)用選擇務(wù)必為輸電線路的安全運(yùn)行和人員安全作業(yè)給予可靠助力。

滿足電力建設(shè)。智能化運(yùn)維技術(shù)還能滿足電力建設(shè)實際需求，包括提出明確的輸電線路建設(shè)路徑、匯總輸電線路運(yùn)行信息等，便于電力工程在該技術(shù)導(dǎo)向下全方位把控工況，既能提高工程資源利用率，又能助力電力工程高質(zhì)量建設(shè)。

貼合結(jié)構(gòu)特征。智能化運(yùn)維技術(shù)的應(yīng)用，能有效提高實際建設(shè)成果與輸電線路結(jié)構(gòu)特征的貼合度。以特高壓輸電線路為例，具備500kV的導(dǎo)線應(yīng)力強(qiáng)度和20m以上的桿塔排列間距，且多設(shè)于新疆等高海拔區(qū)域，面對如此復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，智能化運(yùn)維技術(shù)剛好可以彌補(bǔ)人工運(yùn)維方法的缺陷。

綜上所述，輸電線路智能化運(yùn)維技術(shù)確實具備突出作用，可充分滿足智能化運(yùn)維發(fā)展方向，應(yīng)從高新技術(shù)中優(yōu)選智能技術(shù)助力運(yùn)維人員完成智能化運(yùn)維轉(zhuǎn)型任務(wù)，提升輸電線路運(yùn)維有效性。

3 輸電線路智能化運(yùn)行維護(hù)技術(shù)要點

3.1 無人機(jī)巡檢技術(shù)

輸電線路運(yùn)維工作中應(yīng)用智能化運(yùn)維技術(shù)時，普遍采用無人機(jī)巡檢技術(shù)，依靠無人機(jī)巡檢系統(tǒng)代替運(yùn)維人員開展運(yùn)維作業(yè)。正如承德電網(wǎng)早在2019年就開始應(yīng)用無人機(jī)巡檢系統(tǒng)采集巡檢數(shù)據(jù)，且無人機(jī)巡檢作業(yè)路段長度已達(dá)到2000km，其中80%以上已實現(xiàn)智能化運(yùn)維管理。在應(yīng)用無人機(jī)巡檢技術(shù)時，承德電網(wǎng)往日已先后采集數(shù)萬張運(yùn)維缺陷影像。通過從該實際運(yùn)用成果中汲取應(yīng)用經(jīng)驗，在輸電線路智能化運(yùn)維作業(yè)環(huán)節(jié)，還應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制安全距離，這一點也是為了滿足安全運(yùn)維基礎(chǔ)要求（見表1）。

表1 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成情況

以220kV輸電線路為例，為驗證無人機(jī)巡檢系統(tǒng)運(yùn)行中所用無人機(jī)裝置距離輸電線路距離的安全水平，應(yīng)當(dāng)利用仿真分析法建立輸電線路仿真模型，以89.5kV、800A作為仿真模型導(dǎo)線電力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計輸電線路（33.6mm直徑，碳纖維材質(zhì)）上相、中相以及下相導(dǎo)線相距地面分別為63.7m、52.5m、42m，且電導(dǎo)率設(shè)置為100S/m，真空磁導(dǎo)率1。此時，在線路安裝后保持0電位，并對仿真模型分別按照不同安全距離進(jìn)行飛行，觀察在無人機(jī)巡檢距離（r）變化中，其表面電場強(qiáng)度變化規(guī)律，隨即以下述公式計算磁感應(yīng)強(qiáng)度（B），選擇該數(shù)據(jù)較小的距離作為安全距離，其仿真分析結(jié)果見表2。

表2 無人機(jī)裝置與輸電線路不同間距下表面磁感強(qiáng)度變化情況

由于電場強(qiáng)度低于10kV/m，易減弱桿塔等相關(guān)配件性能，因此在選擇外側(cè)上方進(jìn)行巡檢作業(yè)時，從中得知在無人機(jī)裝置與輸電線路保持4.5m間距時，即可維護(hù)運(yùn)維安全，且不會干擾輸電線路配件性能，并且需要注意的是，B高于200μT方能引發(fā)不良風(fēng)險，因此應(yīng)根據(jù)輸電線路實際電流、電壓具體數(shù)值判定最適宜的安全距離，促使無人機(jī)巡檢系統(tǒng)為運(yùn)維工作給予可靠指引：，式中：μ0、I、d（l）、xr、r分別表示的是真空磁導(dǎo)率、電流、磁力線方向、差積、無人機(jī)與輸電線路間距。

3.2 帶電作業(yè)檢測技術(shù)

3.2.1 帶電作業(yè)優(yōu)化技術(shù)

除了可以安裝無人機(jī)巡檢系統(tǒng)使用無人機(jī)裝置完成運(yùn)維任務(wù)外，還可實現(xiàn)帶電作業(yè)。輸電線路運(yùn)維工作中應(yīng)用帶電作業(yè)技術(shù)實現(xiàn)智能化運(yùn)維操作，其中在帶電作業(yè)環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)先行從電容參數(shù)層面提出改進(jìn)建議，以期提高帶電作業(yè)智能化水平。

具體可以根據(jù)導(dǎo)體靜電系統(tǒng)儲存總靜電能量（W）變化結(jié)果掌握帶電作業(yè)中導(dǎo)體電荷分布規(guī)律：，其中：E、D、dV、ui、qi表示的是電場強(qiáng)度矢量、電通密度、積分最小單元、第i個導(dǎo)體對地電壓及所帶電荷。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)隨著電位轉(zhuǎn)移距離的逐漸增加，此時轉(zhuǎn)移電流也隨之升高，與原有三導(dǎo)體系統(tǒng)比較，進(jìn)行電容改進(jìn)后的四導(dǎo)體系統(tǒng)顯然轉(zhuǎn)移電流量更高，因而應(yīng)用帶電作業(yè)檢測技術(shù)時，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)移電流綜合分析，特別是特高壓輸電線路，務(wù)必注重電容參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，做好帶電作業(yè)防護(hù)工作[2]。

3.2.2 帶電作業(yè)巡檢機(jī)器人

關(guān)于巡檢機(jī)器人的使用，主要是在傳統(tǒng)人工吊裝上下線之上依靠行走臂架、上升卷線等傳動機(jī)構(gòu)體現(xiàn)自動化運(yùn)行特征。在機(jī)器人帶電作業(yè)條件下，能夠朝著輸電線路運(yùn)維工作路徑，按照既定方向?qū)嵤┳詣踊\(yùn)行維護(hù)，繼而在等電位原理下完成指定工作計劃，此時要求巡檢機(jī)器人與導(dǎo)體保持緊密連接。

為驗證巡檢機(jī)器人在帶電作業(yè)場景中的應(yīng)用可行性，同樣需要依靠仿真分析法構(gòu)建輸電線路仿真模型，在模擬電場強(qiáng)度時，可在等效電荷法指引下以下列公式布置電荷矩陣：U=ηρ，式中：U、η、ρ各自代表輸電線路上導(dǎo)線電壓、電荷密度列矩陣、等效電位系數(shù)、自電位系數(shù)與互電位系數(shù)方陣。同時，也要在高斯定理下推算出輸電線路電場強(qiáng)度分布規(guī)律，假設(shè)位于i導(dǎo)線位置上的某一坐標(biāo)點P（xi，yi），其合成電場強(qiáng)度（Ep）即可以公式求值：Ep=（Epx2+Epy2）1/2。

此時，可從中判定巡檢機(jī)器人在爬升環(huán)節(jié)所處電場環(huán)境，并且按照500ms采集巡檢機(jī)器人攜帶傳感器偏航角等相關(guān)數(shù)據(jù)時，還要加強(qiáng)巡檢機(jī)器人抗電磁保護(hù)，即使用坡莫合金材質(zhì)的電控箱以及24V，10Ah的鋰電池，此時可在該結(jié)構(gòu)下降低巡檢機(jī)器人的電磁干擾性。選用巡檢機(jī)器人進(jìn)行帶電作業(yè)時，還要保證各配件機(jī)構(gòu)參數(shù)的合理配置。比如，可以選用150W功率，6A額定電流，24V額定電壓的MaxonRE40行走輪；100W，6.03A，24V的MaxonEC22行走臂收放機(jī)構(gòu)，同時要求在60℃以下溫度環(huán)境下運(yùn)行該機(jī)器人。配備的編碼器等元件，也要盡量選擇增量式編碼器，此時即可優(yōu)化巡檢機(jī)器人運(yùn)維工作成效。

為獲取全方位運(yùn)維影像，巡檢機(jī)器人上也要配備攝像機(jī)，多以45±5mA工作電流，≥50dB的信噪比和-40℃至105℃溫度標(biāo)準(zhǔn)的SONY800攝像機(jī)為首選，確保在巡檢機(jī)器人輔助下運(yùn)維人員能高效完成帶電作業(yè)檢修任務(wù)。

3.3 故障智能檢測技術(shù)

輸電線路智能化運(yùn)維工作還可應(yīng)用故障智能檢測技術(shù)，實則是指借助故障檢測設(shè)備對輸電線路周圍環(huán)境參數(shù)予以實時監(jiān)測，包括環(huán)境、風(fēng)速等，均可從智能檢測設(shè)備反饋結(jié)果中知曉當(dāng)下輸電線路運(yùn)行狀態(tài)，一旦存在缺陷或安全隱患，可及時安排人員予以修復(fù)，便于提升輸電線路運(yùn)行質(zhì)量，提高運(yùn)維資源利用效率。

一般情況下，故障智能檢測技術(shù)可應(yīng)用于區(qū)外故障和區(qū)內(nèi)故障兩個范圍，做好故障分區(qū)劃分后，即可結(jié)合輸電線路電壓指標(biāo)波動狀況判斷是否存在故障問題，多需要先行啟動元件，因輸電線路遇到故障后將快速呈現(xiàn)“高速降壓”現(xiàn)象，因此若采樣前后時間點對應(yīng)的電壓值超出閾值標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)定當(dāng)前輸電線路有故障，此時可對智能檢測設(shè)備中元件故障進(jìn)行分類[3]。

如若行波電流彎曲度偏小，且具備等效彈性行波反應(yīng)，則為區(qū)內(nèi)故障，泛指為區(qū)外故障。此技術(shù)實際應(yīng)用環(huán)節(jié)往往能夠構(gòu)建智能化閉環(huán)檢測體系，即按照采集數(shù)據(jù)→判斷啟動元件是否合乎條件→滿足條件后計算行波電流及彈性系數(shù)→區(qū)分故障類型（|E|），在|E|≥1時視為區(qū)內(nèi)故障，反之為區(qū)外故障，若為區(qū)外故障則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)重新評估相關(guān)參數(shù)：，式中：|E|、I’f1、I’f2、I’f分別代表彈性系數(shù)、兩個部分行波電流平均值和行波電流。以此為標(biāo)準(zhǔn)即可判斷故障類型。

待應(yīng)用故障智能檢測技術(shù)區(qū)分好故障類型后，隨即實現(xiàn)邏輯信號的準(zhǔn)確傳遞，致使故障智能檢測環(huán)節(jié)所用斷路器等配件，能順利根據(jù)實際檢測結(jié)果做出反應(yīng)，執(zhí)行斷開動作后可以促使輸電線路在智能檢測過程中得到有效保護(hù)，之后組織相關(guān)人員前往現(xiàn)場，針對標(biāo)記好故障點位信息的輸電線路故障部分予以處理，確保輸電線路在上述多項智能化運(yùn)維技術(shù)輔助下得到可靠且持久性安全保障。

綜上所述，輸電線路運(yùn)行維護(hù)多涵蓋巡視、檢測、維修、防范工作內(nèi)容，而運(yùn)用智能化運(yùn)行維護(hù)技術(shù)，實則為了促進(jìn)輸電線路安全運(yùn)行，滿足電力工程建設(shè)需求，充分貼合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征，因而應(yīng)有效利用無人機(jī)巡檢技術(shù)、帶電作業(yè)檢測技術(shù)、故障智能檢測技術(shù)改善輸電線路運(yùn)維條件，致使在智能化運(yùn)維環(huán)境下增強(qiáng)運(yùn)維實效性，為電力運(yùn)維人員提供新方向，致使輸電線路始終保有優(yōu)良狀態(tài)。