魚龍嶺直流輸電共用接地極在線綜合監測系統設計

張富春 鄭武略 范 敏 黎曉辰 謝守輝 胡大明

(南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局， 廣州 510000)

接地極極址作為直流輸電系統特有的組成部分，其安全運行將在直流輸電系統中起著至關重要的作用[1-2]．若接地極極址在運行過程中出現缺陷甚至故障，而運行單位人員未能及時發現，將嚴重影響整個直流系統的安全運行，甚至導致系統停運[3-5]．王瑋等人為減少人工現場檢測接地極的人工費，設計了一種遠程在線監測接地極電流、觀測井水位等重要運行數據及接地極現場視頻數據的監測系統，但未見該系統應用于實際工程[6]．周巖等人為提高±500 kV伊穆直流接地極址運維智能化水平，設計了能夠實時監測溫濕度和接地極入地電流的監測系統；楊文宇等人提出了基于GSM技術的換流站接地極在線監測系統[7-8]．上述研究均未提出直流輸電共用接地極入地電流監測解決技術．目前，魚龍嶺直流輸電共用接地極極址運行參數的釆集主要依靠人工來完成，這樣難以及時準確地了解整個接地極的運行情況，無法為接地極運維工作提供有效指導．本文針對魚龍嶺共用接地極設計一套在線綜合監測系統，解決了接地極極性隨系統運行變化的監測問題，并進行了成功安裝應用．該系統能夠實時監測接地極極址的饋電電纜電流、檢測井內溫度、濕度及水位等相關參數，并能對各參數進行診斷分析．另外，該系統依據接地極運行狀態與接地極相關參數之間的數學模型，能夠評估直流接地極的健康狀態，根據閾值發出安全預警．最終達到提高魚龍嶺接地極運行安全可靠性，克服人工定期維護盲目性的目的．

1 魚龍嶺接地極系統結構

魚龍嶺接地極是±800 kV楚穗直流及±500 kV興安直流輸電工程共用接地極，位于清遠市飛來峽區江口鎮魚龍嶺，目前已經運行接近10年．

魚龍嶺接地極極址極環采用直徑為φ940M+φ700M二同心圓環電極，接地極共有32根入地電纜，內外環分別為16根，每2根入地電纜共用相同接地點，內外環共有16處接地點．魚龍嶺接地極在導流電纜和電極焊接點處以及每個電極區段的中間位置設置有檢測井，可以檢測每段電極的溫度、濕度、水位等參數，共24個；在電極正上方低洼地段均勻設置有滲水孔，共42個．魚龍嶺接地極系統結構如圖1所示．

圖1 魚龍嶺接地極系統結構圖

2 在線綜合監測系統設計

2.1 監測系統整體結構設計

魚龍嶺直流接地極在線綜合監測系統包括數據監測模塊、控制采集模塊、無線傳輸模塊和后臺管理系統4個主要部分．數據監測模塊包括檢測井在線監測和饋電電流在線監測兩部分，其中檢測井監測裝置有2路，電流傳感器裝置有32路．

檢測井在線監測可以定時采集現場檢測井內的土壤溫度、土壤濕度、井內PVC管內水溫和水位等運行參數．2路檢測井監測裝置采用物聯網技術在接地極范圍內構成一個短距離的無線自組網進行數據傳輸，將采集數據傳輸至控制采集模塊．饋電電流在線監測系統通過采集入地電纜的饋電電流，并將采集到的數據上傳至監控中心．監測基站安裝于接地極構架上，通過32路電流傳感器采集入地電流數據，通過485通信方式與控制采集模塊通信．控制采集模塊通過無線傳輸方式將現場采集的各項數據信息傳送至后臺管理系統．在線綜合監測系統整體結構如圖2所示．

圖2 接地極在線綜合監測系統整體結構圖

2.2 監測系統模塊設計

2.2.1 接地極檢測井監測單元

為了保證測量精度，溫度、濕度兩類參數的監測均采用數字電阻傳感器；水位測量采用投入式液位傳感器．通過溫度、濕度、水位傳感器對檢測井溫度、濕度進行實時監測，及時掌握檢測井運行狀態，水位傳感器能夠定期檢測井內水位下降情況或土壤干燥情況．通過移動網絡接收數據，能夠第一時間掌握接地極的運行工況．

2.2.2 接地極饋電電流監測單元

通過采用開環霍爾電流傳感器實時監測匯流處饋電電纜的電流，根據其電流值可以檢查出電流分布情況．在正常情況下，流過饋電電纜的電流值同它所連接的電極長度成正比，并且基本不變．如果所測得的電流值同它第一次測得的電流值相差較大，則說明電極環可能被腐蝕斷或土壤太過于干燥，需要進行檢修或需進行人工注水．考慮到運行方式不同，電流方向會不一樣，電流傳感器選用雙向霍爾傳感器．

開環霍爾電流傳感器原理如圖3所示．當原邊電流Ip流過一根長導線時，電流Ip會在導線周圍產生一個磁場，方向為順時針方向，變換磁場B的大小與電流的大小成正比關系．由測量電流激發的磁場聚集在磁環內，通過氣隙把磁場施加到霍爾元件上，在霍爾元件上產生霍爾電壓UH，電壓信號通過放大電路后輸出一個電壓Vout，由式(1)關系可以間接測得待測電流大小．

Ip∝B∝Vout

(1)

式中，Ip為原邊電流；B為變換磁場；Vout為輸出電壓．

圖3 開環霍爾電流傳感器原理圖

正常情況下，高壓直流輸電線路采用雙極兩端中性點接地的運行方式，但是當直流線路或換流站的一極發生故障退出運行時，這種運行方式可以轉換成單極大地回路方式運行，以減少對電力系統的沖擊．±800 kV楚穗直流及±500 kV興安直流就存在雙極兩端中性點接地和單極大地回路兩種運行方式，魚龍嶺共用接地極的極性隨系統運行需要會發生變化，依據霍爾電流傳感器原理，需要使用雙向霍爾電流傳感器，系統選用的傳感器參數見表1．

表1 霍爾傳感器技術參數

2.2.3 控制采集模塊

數據控制采集模塊包括數據采集模塊，通信接口模塊和狀態指示模塊．數據采集模塊由差分模擬通道、數字輸入通道和PT100采集通道構成，可以通過多種方式實現數據的自動采集．通信接口模塊除了設置常用的RS232接口、RS485接口和LAN接口之外，還增設了GPRS模塊和WIFI模塊，用以傳送數據采集模塊數據以及接收來自用戶的指令．狀態指示模塊，狀態指示燈和液晶顯示屏構成，用以顯示所述數據采集器的工作溫度、工作電壓以及所述通信接口模塊的連接狀態，方便用戶了解數據采集器模塊的工作狀態和對設備進行實時監控．另外，選用工業級閃存，支持掉電保護功能，提高控制采集模塊的穩定性．

2.2.4 無線傳輸模塊

數據無線傳輸方式采用GPRS技術，傳輸模塊由發射器，接收器和控制器組成，為克服無線傳輸的不穩定性，使用雙路無線通信進行通信保障．通過GPRS模塊遠程傳輸數據，無需布置通訊線纜，減少維護工作量，中間的傳輸過程由運營商負責，使用方便靈活，同時支持遠程參數設置及數據升級．

2.2.5 后臺管理系統

后臺管理系統能夠對各類數據進行處理計算，與對應的閾值進行比較，進而判定接地極運行健康狀態．由于魚龍嶺接地極監測系統觀測站點數量多，要素種類多，數據量大，數據處理復雜，對數據產品的實時性要求高．后臺管理系統選擇高性能的專用服務器，以Windows 2008 server為操作系統，以MySql數據庫作為數據存儲和管理平臺．在此基礎上，采用Java語言開發監測系統軟件．

監測系統軟件體系結構采用3層Web模式，將應用功能分成表示層、業務邏輯層和數據層三部分，如圖4所示．數據層主要負責數據的存儲和組織，數據庫的分布式管理，數據庫的備份等，接受Web服務器對數據進行操作的請求，對數據庫進行查詢、修改及更新等，并將結果提交給Web服務器．業務邏輯層是在接受客戶端的請求后，首先執行相應的擴展應用程序與數據庫進行連接，向數據庫服務器提出數據處理請求，其后將數據庫服務器的數據處理結果提交給Web服務器，并將結果傳送到客戶端．表示層是用戶接口部分，實現人機對話．用戶均通過客戶端的瀏覽器向網絡上的Web服務器提出服務請求，由Web服務器對用戶身份進行驗證后，通過TCP/IP協議把所需的主頁傳送給客戶端，并顯示在瀏覽器上，實現用戶與系統間的信息交互．

圖4 監測系統軟件體系結構圖

3 監測系統應用及分析

3.1 裝置應用

2016年4月，為驗證直流輸電接地極在線綜合監測系統實用功能，將該系統應用到魚龍嶺接地極極址，32路電流傳感器分別對應接地極址內外環32根入地電纜，土壤溫度、土壤濕度、水位、水溫傳感器安裝于隨機選定的2個檢測井．

3.2 數據分析

3.2.1 分析方法

直流接地極在線綜合監測系統是通過檢測井在線監測數據、饋電電流在線監測數據和微氣象監測數據綜合構成，通過對饋電電流、水位、水溫、土壤溫度及濕度等單一狀態量逐一采集，并加以分析，評估出接地極運行狀況．后臺系統通過直觀的圖形、曲線展示反應接地極運行情況的變化趨勢，并且實現預警、報警等功能．

3.2.2 饋電電纜監測數據分析

饋電電纜電流數據監測時間為2016年9月15日22:00～23:00持續1 h，電流值為1 200 A，極性為陰極放電．從監測到電流數據開始統計，接地極極址32路電流傳感器監測電流小時最大值數據見表2．

表2 32路電流傳感器監測電流小時最大值數據 (單位：A)

根據表1數據計算可知，內外環共32路饋電電纜入地電流值總和為1 200.53 A，與放電電流值基本一致，采用雙向霍爾電流傳感器監測電流技術設計合理．其中，內環分流占比31%，外環分流占比69%，符合接地極址分流設計，監測數據有效．

3.2.3 檢測井監測數據分析

土壤濕度、水位、水溫3類參數以監測數據與季節變化趨勢對比；土壤溫度參數則通過應用地表空氣散熱模型估算，對比季節氣溫變化分析[9]．

檢測井檢測數據時間為2016年4月到9月，系統監測到的土壤溫度、濕度、水位、水溫數據取各個月平均值，見表3，變化曲線如圖5所示．

表3 檢測井監測數據

圖5 檢測井監測數據變化趨勢

1)土壤濕度、水溫、水位監測數據分析

由表2中數據和圖4曲線可以看出，4月到9月份，檢測井水溫逐步升高，入秋后轉而降低，符合季節變化趨勢；魚龍嶺接地極極址地處河流沖積平原地帶，土壤含水量較高，濕度始終保持小幅波動狀態，變化不大，符合低洼地帶底層土壤濕度變化較小這一實際情況；春夏季雨量充沛，入秋過后，雨量減少，檢測井水位逐漸降低，符合季節變化趨勢．土壤濕度、水溫、水位監測系統設計合理．

2)土壤溫度監測

入地電流產生的熱量可通過地表空氣散熱，向地心或水平方向的土壤熱傳導，地下水流動等途徑散失．采用地表空氣散熱模型公式(2)，估算土壤溫升幅度．

hAΔT=P=I2R

(2)

式中，P為發熱(散熱)總功率；I為接地極額定電流；R為接地極的接地電阻；A為地表散熱面積(m2)；ΔT為地表與氣溫差(℃)；h為空氣對流換熱系數[W/(m2·K)]．

由式(2)計算得發熱總功率P為2.27×106W．魚龍嶺接地極雙環總長為5.15 km，直埋深度為3.5 m，設地表等溫散熱面積A為36 000 m2，接地極產生的熱量僅通過地表空氣對流散失，不考慮與地表植被和風速散熱的影響，取地表與空氣接觸界面的空氣對流換熱系數h為8 W/(m2·K)，接地極接地電阻R取0.228 Ω，計算地表溫度與氣溫的差異ΔT．由此得到，當魚龍嶺接地極額定電流設計值I為3.155 kA時ΔT為7.9℃．結合表3中土壤溫度監測數據走勢，并對比季節氣溫變化，確定監測數據符合實際，土壤溫度監測系統設計合理．

4 結 論

本文針對魚龍嶺直流共用接地極，設計開發了在線綜合監測系統，并進行了安裝應用，得到以下結論．

1)對高壓直流輸電線路可能存在雙極兩端中性點接地方式運行和單極大地回路方式運行情況的，監測共用接地極電流需要采用雙向霍爾電流傳感器技術．

2)通過在線綜合監測系統在魚龍嶺直流共用接地極的安裝應用，以及對監測數據的處理分析對比，驗證了整個在線監測系統設計的合理性和可靠性．

3)魚龍嶺直流共用接地極在線監測系統的應用，為運行人員及時掌握直流輸電線路接地極極址的運行狀況，為設備安全運行提供有力的技術支撐，同時也極大地節約了運維單位人力成本，減少了人工檢測的作業風險．

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