電力鐵塔運行狀態智能在線監測的研究及應用

張元軍　李清華

【摘 要】目前，在高壓輸電線路中對鐵塔運行姿態（沉降/傾斜）、接地網阻值、接地引下線狀態進行檢測的常規方法是人工周期巡檢，此方法，對于鐵塔在運行過程中的狀態無法實時監測。針對目前檢測方法的不足，研制出鐵塔運行狀態智能在線監測系統，實時在線監測鐵塔運行姿態（沉降/傾斜）、接地網阻值、接地引下線狀態，最后通過無線通信將結果發到狀態監測工作站，從而將常規的周期巡檢變成實時在線的狀態監測。通過現場實際運行示例，驗證了鐵塔運行狀態智能在線監測具有很強的實用性、可靠性、穩定性，值得在電力鐵塔輸電線路中推廣使用。

【關鍵詞】鐵塔；沉降/傾斜；接地網；接地引下線；智能在線監測

【Abstract】At present， in the HV transmission line tower running posture（settlement/tilt）， grounding resistance， grounding lead line state detection of the conventional method is artificial periodic inspection. This method， for the tower in the running process of the state can not be real-time monitoring. aiming at shortcomings of the detection method of the developed tower operation state intelligent online monitoring system， real-time online monitoring tower running posture（settlement/tilt）， grounding resistance， grounding lead offline state， finally through wireless communication sends the result to the state monitoring workstation， which will regular inspection cycle into real-time online condition monitoring. based on the actual operation of the site， it is proved that the intelligent on-line monitoring of the towers running state is practical， reliable and stable， and it is worth popularizing in the power tower transmission line.

【Key words】Power tower； Settlement/tilt； Grounding grid； Grounding guide line； Intelligent online monitoring

0 引言

近年來，隨著我國工業的快速發展，供電需求量逐年增長，相應的，對于供電可靠性要求越來越高。鐵塔作為輸電線路的重要組成部分，擔負著安全可靠輸送電能的重要任務，因此，鐵塔的可靠穩定運行顯得尤為重要。目前，對鐵塔運行狀態檢測采用計劃周期巡檢方法，存在一定的安全隱患與不足，從而需要一種新的方法來解決當前運行現狀中存在的隱患以及目前采取措施存在的不足。

1 當前運行現狀及產生隱患的原因

現階段由于諸多原因導致鐵塔的運行現狀還存在很大的安全隱患，主要表現在以下幾個方面：

（1）高壓輸電線路受自身重力、外界風沙、暴雨、冰雪等環境作用，鐵塔地基容易發生傾斜、開裂、滑移等現象，從而引起鐵塔變形、傾斜、甚至倒塔斷線。鐵塔傾斜容易導致電氣安全距離不夠，影響輸電線路正常運行，倒塔斷線將使供電線路陷于癱瘓，嚴重時將影響到供電安全和供電可靠[1]。

（2）隨著環境條件的不斷變化，極端天氣時有發生，雷雨天氣不斷增多，雷擊引起輸電線路跳閘故障日漸增多，從而導致設備損壞、大面積停電、電網瓦解等惡性后果。

（3）鐵塔接地網土壤電阻率發生變化，接地網腐蝕，氣象環境變化等，導致鐵塔在運行過程中接地網接地電阻增大，達不到防雷效果。

（4）鐵塔接地引下線與接地體之間接觸不良，接地點脫落或接觸不可靠，起不到防雷泄流的作用。

2 目前采取措施及不足

針對目前電力鐵塔運行現狀，檢測主要采取如下措施：

（1）采用周期巡檢方式來人為觀測鐵塔運行姿態，這是當前常規的檢測手段。

（2）由于防雷要求，需要快速的將雷擊電流通過鐵塔泄放到大地，行業內基本做法是在鐵塔下面鋪設接地網，從而達到快速引流的作用，而接地網接地電阻值是常用的一種判斷接地網狀態的方式。

（3）按《架空送電線路運行規程》的要求，需要定期對鐵塔接地電阻以及接地狀態進行測試，及時檢測出接地電阻超標以及接地狀態不可靠的鐵塔，更新和改造接地電阻值不滿足要求的接地線，必要時可增加線路接地線數量，對接地電阻值較大的，應使用降阻劑、碳粉等將接地電阻值控制在合格范圍內。

通過上面的這些措施雖然能發現一部分鐵塔狀態不正常的現狀，但還是存在一些不足：

（1）由于鐵塔運行姿態（沉降/傾斜）的變化一般都是緩慢變化過程，在初期，巡線人員很難用肉眼觀察到微小的變化，另外，靠人力進行的周期巡檢存在一定的主觀性，某些參數人工實測困難，無法滿足鐵塔實時監測的需求，嚴重影響供電安全和工業生產，容易造成巨大損失[2-3]。

（2）受限于目前人力以及檢測設備功能性、便攜性方面原因，鐵塔接地網阻值以及接地狀態目前只能通過每年春檢進行檢測分析，不能進行實時監測，將會存在接地網阻值增大或接地狀態已不能滿足要求，但因沒有發現而得不到及時的維修或更換，可能帶來很大的安全隱患和財產損失[4-5]。

3 鐵塔運行狀態智能在線監測方案

針對目前在電力鐵塔運行狀態檢測方法中存在的隱患與不足之處，研制設計出了一套電力鐵塔運行狀態智能在線監測系統。此系統通過接地極接入地網來監測接地電阻、通過接地引下線來監測鐵塔接地狀態、通過姿態（沉降/傾斜）傳感器來收集鐵塔姿態變化情況，最后通過運營商網絡將狀態結果發到狀態監測工作站或遠程智能監控終端。通過此在線系統，將常規的鐵塔定期巡檢變成實時在線的狀態監測。

電力鐵塔運行狀態智能在線監測系統網絡拓撲圖見圖1。

通過在各鐵塔上安裝一套鐵塔運行狀態智能在線裝置，此裝置能實時在線監測鐵塔的各項數據（鐵塔沉降/傾斜、接地網阻值、接地狀態）。各裝置之間通過無線網絡將數據統一發送到后臺的狀態監測工作站，工作站也可以通過無線網絡下發操作指令。在工作站中，能實時監測到各鐵塔監測點運行狀況，如有閾值超標，將及時報警，提醒運行人員及時進行維護、檢修。

電力鐵塔狀態智能在線監測系統作為整個系統，需要系統內各節點共同發揮作用，作為系統內重要的在線監測裝置的模塊設計框圖如圖2。

圖2 在線監測裝置模塊設計框圖

Fig.2 Online Monitoring System Module Design Diagram

裝置通過對姿態傳感器（沉降/傾斜）、接地電阻監測、接地引下線監測數據進行處理，并將處理后的結果通過無線方式傳給遠程終端或者狀態監測工作站，另外，裝置采用光伏/蓄電池雙電源供電方案。

4 系統功能

4.1 鐵塔姿態變化監測

系統對鐵塔姿態變化的監測主要是利用InvenSence公司生產的傳感器 MPU6050，它是全球首例整合性六軸傳感器，集成了3 軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP（Digital Motion Processor）。MPU6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec（dps），可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。

MPU6050是一款姿態傳感器，通過它可以得到待測物體（如鐵塔、平衡車）x、y、z軸的傾角（俯仰角 Pitch、滾轉角Roll、偏航角Yaw）。工作時，通過I2C可以讀取到MPU6050的六個數據（三軸加速度 AD 值、三軸角速度AD值）經過姿態融合后就可以得到傾角[6-10]。

系統通過對傳感器 MPU6050采集的數據進行處理，可以計算出該位置鐵塔的姿態變化情況，比如，鐵塔是否沉降/傾斜，沉降的深度，傾斜的角度，方便維護人員定位處理。

4.2 接地電阻監測

通過將電極插入鐵塔的接地網中，對電極注入異頻信號，然后采集返回的電信號，在 MCU 內部經過處理，可以得出該鐵塔所處位置地網的接地電阻的趨勢變化情況，通過對趨勢曲線的判斷，裝置可以判斷出該位置鐵塔接地網運行情況。另外，后臺的狀態監測工作站同時可以對多個鐵塔進行監測，在整條線路都安裝監測裝置后，能得出整條輸電線路鐵塔的接地網運行情況。

采用異頻信號注入電極的檢測技術，可以在系統不斷電的情況下進行實時檢測。另外，由于采用異頻信號，可以解決地網中零序電流的干擾，同時高頻干擾問題也將迎刃而解。

裝置對接地電阻測量參數：

測試電壓：AC220V；

測試電流：≤5A；

測試頻率：異頻可設置；

測量范圍：0～600Ω，精度0.5%。

4.3 接地引下線監測

接地引下線是鐵塔與地網的連接部分。在電力設備的長時間運行過程中，連接處有可能因受潮等因素影響，出現節點銹蝕、甚至斷裂等現象，導致接地引下線與主接地網連接點電阻增大，從而不能滿足電力規程的防雷引流要求，使設備在運行中存在不安全隱患[11]。

裝置通過線纜與接地引下線連接，內部注入信號并計算導通電阻值結果，并對結果進行判斷，一般情況下，測試結果是否正常可參考表1：

裝置對接地引下線導通電阻值測量參數如下：

測量范圍：1～1999mΩ；

分辨率：1mΩ。

5 系統應用

5.1 實例一

某地110KV 輸電線路53號鐵塔一直正常運行，最近后臺工作站突然收到該鐵塔有傾斜告警，經過線路維護人員到達現場，發現鐵塔確實有傾斜情況，確認裝置上報告警準確。

經過綜合分析該53號鐵塔，它位置處于山區，近日連續暴雨后，該處位置有山體滑坡，導致該鐵塔發生傾斜。

經過現場對鐵塔傾斜處理完成，然后對裝置進行數據偏移的設置校準后，裝置繼續運行監測。

5.2 實例二

某地維護人員收到后臺推送的信息，35KV XX輸電線路27號鐵塔出現接地電阻增大趨勢。維護人員將此位置記錄，待巡檢時到現場，通過現場測試接地網電阻，阻值7Ω，確認監測裝置采集準確。

現場根據鐵塔位置的具體情況，使用物理降阻劑方式進行了處理。

處理后再次使用儀器對該位置接地電阻進行測量，阻值3.8Ω，滿足地網接地要求，后臺告警也消失。

5.3 實例三

某供電所110KV輸電線路正常運行8年后，某日突然上報3號鐵塔接地引下狀態異常告警。

維護人員到達現場檢測，發現接地引下線與主接地網處有節點腐蝕、斷裂現象，通過攜帶的接地引下線導通測試儀進行現場測試，發現該接地引下線電阻值為520mΩ，由于接地引下線是電力設備與地網的連接部分，連接處出現了問題，這也導致接地引下線與主接地網連接點電阻增大，超過裝置設定的告警閾值，從而向后臺上報告警。

經過現場人員進行處理，處理后使用儀器再次測試，電阻值為88mΩ，后臺告警消失，狀態為良好。

6 總結

文中通過對目前電力鐵塔運行狀態的現狀及產生隱患原因的敘述，分析了當前采取的措施以及不足之處，通過應用鐵塔運行狀態智能在線監測解決方案，描述了裝置系統功能，最后根據現場實例做了系統應用的說明。通過對系統解決方案、功能的介紹以及實例的應用，驗證了此系統具有很好的實用價值，值得在電力鐵塔線路中推廣應用。

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