微地形區輸電線路覆冰在線監測裝置研究

孔 韜，何相奎，張 迪，余 帆，于洪來，程俊翔

（1.國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050；2.國網浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江 衢州 324000）

0 引 言

隨著經濟和技術的發展，我國已建成堅強的超、特高壓主干電力網絡。隨著不斷的創新改造，輸電線路遭受覆冰、雷擊、大風等自然災害的頻率逐年下降。對于大多數常見氣象區，設計滿足設計規范的輸電線路已能抵御天氣變化，但對于局部氣象區的輸電線路還需要進一步細化研究、監控。電力線路中的某一小段甚至一兩基鐵塔之間，在系統性天氣的影響下（局部氣候），受特殊地形影響，該地區范圍內某部分氣候因子擾動增強，超過該地區設計的冰、風條件值，從而有可能危及輸電線路運行的地區，稱為“微地形微氣象區”[1]。微地形微氣象區多位于交通不發達的偏遠地區，如山區、谷地等。此類區域在遭遇極端天氣時，線路運維人員難以在短時間內趕赴現場開展特巡工作。若要趕赴現場，受極端天氣影響，人身安全得不到保障。近年來，智能采集技術得到了突破，有必要在該區域安裝智能采集設備，實時監控電力設備安全。

目前，輸電線路巡視主要以人工巡視為主，人力成本、經濟成本較高。輸電線路在線監測主要是對人工巡視的補充。輸電線路覆冰的在線監測方法主要有氣象法、視頻圖像法、稱重法以及模擬導線法等[2]。在線監測應用方面，國內外均有一些在線監測裝置面世，主要分為兩種[3]：第一種是針對覆冰的相關參數（絕緣子串受到的拉力和絕緣子串傾角、氣象參數等）進行遠程實時測量，然后通過相關公式計算覆冰厚度；另一種是通過遠程圖像監控系統實時采集現場圖片，通過圖片直接分析導線的實時覆冰狀況。

現有的在線監測裝置采集信息種類單一，不符合“泛在電力物聯網”建設要求。本文設計一種新型在線監測裝置安裝、傳輸、管理方法，對輸電線路覆冰做全面監測，以實現方位在線監測。

1 輸電線路覆冰計算模型

輸電線路覆冰的計算模型是設計在線監測裝置的關鍵，針對導線覆冰載荷進行力學分析，計算輸電線路導線覆冰厚度。

為使問題簡化，首先假設架空線是沒有剛性的柔性索鏈，懸掛在兩基桿塔間的架空線呈懸鏈線形狀。懸鏈線公式為[3]：

式中：l為兩懸掛點的水平距離；h為兩懸掛點的垂直距離；Lh=0為等高懸點架空線懸鏈線長度，m；σ0為弧垂最低點的軸向應力，MPa；γ為架空線自重比載，MPa/m。根據式（1）可以得到懸鏈線上各離散節點的坐標。

由圖1可得，導線上任一點應力為：

圖1 架空導線呈懸鏈線狀的受力圖

當只討論導線的靜態拉應力時，可得出兩端導線懸掛點的應力為[1]：

2 覆冰在線監測裝置設計

如圖2所示，輸電線路覆冰的在線監測系統采用模塊化設計，在核心主控制器的基礎上可連接各類傳感器采集單元，共享主控、電源和通信部分的設備模塊。核心主控制器負責處理接收、采集、存儲傳感器、通信、控制等信息，主控制器具備CMA接入功能，監測數據可根據各個省公司的專網環境順利接入各個省公司或者國網公司的統一平臺[2-3]。

圖2 輸電線路覆冰在線監測系統部署結構圖

2.1 覆冰監測裝置組成

覆冰在線監測裝置可以安裝在桿塔與金具的各個位置，可對覆冰進行全方位監測，包括實時狀態監測裝置、拉力傳感器、圖像監測裝置、模擬導線稱重裝置和供電裝置等[4]。裝置的全方位體現在其通過拉力傳感器、模擬導線、圖像采集3種方式[5]進行輸電覆冰數據采集，由狀態監測裝置收集采集的數據，并將處理后的數據傳送至后臺進行處理，而后臺通過智能識別與解析計算判別覆冰的厚度。

2.2 拉力傳感器采集單元

拉力傳感器采用17-4PH不銹鋼材料[6]，外形絕緣子串上的球頭掛環類似。傳感器內部實時采集拉力數據，最后通過RS485總線方式發給主控器，如圖3所示。每個拉力傳感器內部都做防雷保護處理，保證了在惡劣環境下的產品可靠性。

圖3 拉力傳感器采集單元原理框圖

該拉力傳感器采用RS485總線方式數據接入方便，能適應復雜的現場環境，根據情況配置拉力傳感器數量，通過總線可以控制各個傳感器。如圖4所示，該裝置可直接與球頭掛環相連進行安裝。它采用不銹鋼材質，抗拉能力強于原有的金具，且使用壽命可達30年。

圖4 拉力傳感器安裝圖

2.3 傾角傳感器采集單元

絕緣子傾角主要用于采集微地形微氣象區的風向和風力大小，因為風向和風力決定了線路覆冰的種類和形狀。絕緣子傾角通過傳感器采集后通過RS485匯總到桿塔上安裝的狀態監測裝置處，狀態監測裝置按照第1章節講解的計算方法進行計算，結合拉力采集的輸電線路掛點處的應力大小，便可基本求得該微地形微氣象區的覆冰厚度及情況，最后將處理后的數據發送到后臺主站。

圖5是傾角測量單元的硬件組成框圖。整個系統由SCA100T傾角傳感器、低通濾波器以及帶高精度AD轉換單片機等組成[7]。

圖5 傾角測量單元的硬件組成框圖

傾角傳感器采用的是高精度雙軸傾角傳感器，具有體積小、安裝方便、輕便等優勢，重量僅為1.2 g。

傾角傳感器中設置了一個硅敏感微電容傳感器，另外設置了ASIC電路專用的集成電路。ASIC集成電路綜合了EEPROM存儲器、信號放大器、AD轉換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口等零部件，構成了一整套智能傳感系統[8]。圖6為該傳感器的結構框架圖。

2.4 模擬導線采集單元

輸電線路覆冰后，導線的綜合荷載發生變化[9]。目前，已應用的幾種測量裝置都是直接安裝在線路導線上，需要作業人員登塔在線路金具上安裝。本文提出采用模擬輸電線路導線的測量方法，即采用安裝在線路桿塔上由本測量裝置和裝置懸掛的該線路的一段模擬導線來確定和計算線路覆冰導線的綜合荷載和覆冰厚度。

圖6 功能結構管腳框圖

本文提出了一種簡單而又實用的輸電線路覆冰監測方法，對線路覆冰實時預警和監測具有重要作用。本系統成本低，安裝不涉及線路帶電部分，易推廣，可在某幾條線路某些區段有選擇地安裝，如圖7所示。

圖7 現場安裝圖

2.5 防冰紅外槍機采集單元

前端圖像采集采用SONY CCD傳感器，具有分辨率高、圖像清晰、細膩等特點，支持自動彩轉黑功能，可實現晝夜監控，符合IP66級防水設計，可靠性較高。采用固定式、多通道最大限度地降低功耗，提高了系統穩定性，有效解決了電源問題。系統采用特殊的電源設計，平時只有10 mA的電流消耗。包括在陰天的情況下，20 W的太陽能板電池足以維持系統的正常運行，有部分電量可用于后備電池充電。因此，只要按每小時取一幀圖像的工作方式，系統可以在無陽光的天氣下穩定連續工作30 d左右，且可根據實際需要增配太陽能板的功率。

采用固定式一體化紅外槍機也可以避免監控盲點[10]。由于實際監控對象是明確的，一般只需要監控1～2個點，完全可以用2個攝像頭滿足監控范圍。另外，提供了多通道監控技術，可以在特殊點根據客戶需要增加監控通道。

該裝置結構小巧，方便拆卸，采用20 W的太陽能板足以維持系統的正常運行，蓄電池也只需采用12 V/16 Ah容量，保證了整套設備的安全性和輕巧型，在監控地點更改時方便移動更換位置。

攝像頭紅外及補光機制[11]。采用紅外線發光二極管，在黑暗的環境下可自動開啟使攝像頭獲得光源，如同開啟一盞紅外線燈照亮整個監控區域，然后接收到紅外線的反光成像。紅外的光發射距離可根據現場環境設置，適合室外帶有防水功能的中遠距離使用，識別距離50 m左右，可視距離100 m以上。獨立的散熱體設計，壽命可達傳統LED壽命的5～10倍。

攝像頭防冰機制[12]。一方面，采用巧妙的防冰結構。設備帶電動防冰護罩，當攝像頭不工作的時候，防冰護罩處于關閉狀態，攝像頭的玻璃鏡頭不暴露在空氣中，大大減少了凍雨、霧凇等因素引起的結冰現象。當需要拍照時，防冰護罩會電動開啟。由于設備總是在定時拍照工作，防冰護罩會過一段時間運動一次，可以有效避免護罩和玻璃鏡頭之間結冰。另一方面，采用新型防霧玻璃。產品的鏡頭采用鍍膜透明玻璃鏡面，具有內部加熱功能和鏡片一體化處理，大大提高了工作可靠性，同時融冰去霧能力更強，所需的加熱能量也最小。

攝像頭上方還有一個大型防護罩，可有效避免斜雨、雪等對鏡頭的影響[13]。此外，設備中的圖像采用JPEG壓縮格式，壓縮率高，圖像清晰度好。

3 裝置應用

目前，輸電線路覆冰遠程圖像監控單元可以實現對雨、雪、霧、淞等氣象條件的全天候監測。2月8日，浙江省電力公司啟動預警，在整個預警啟動期間（2月8日—2月20日），17條易覆冰線路的導線上未發現覆冰情況。受北方強冷空氣南下影響，2月9日衢州出現雨雪天氣，全市普降中到大雪，局部大暴雪。從圖像監測過程可以看出，2月9—10日，17條易覆冰線路的絕緣子上出現冰凌；2月11日，絕緣子上冰凌出現呈現減弱趨勢；2月12日，絕緣子上已無冰凌。2月18—19日，衢州再次出現明顯雨雪天氣，局部大到暴雪，部分易覆冰線路的絕緣子上出現輕微冰棱。

當覆冰在線監測單元監測到的氣溫為0 ℃以下時，圖像監測單元監測到的線路覆冰情況傳回的圖像如圖8所示，覆冰圖像監控單元成功拍攝了2月9日、11日桿塔導線絕緣子覆冰覆雪的過載情況。

圖8 覆冰圖像

4 結 論

本文介紹論文的研究背景、國內外研究現狀、研究內容以及論文完成的主要工作，分析架空輸電線路覆冰在線監測理論，建立了覆冰厚度測量模型，闡述了輸電線路覆冰在線監測系統的設計部署結構及功能實現手段，結合裝置重點描述了覆冰監測系統各個模塊的設計。以浙江衢州輸電線路的覆冰情況為例，闡述了對輸電線路覆冰進行在線監測的必要性，并將設計的輸電線路覆冰在線監測裝置成功應用到該地區的輸電系統中，驗證了該系統的可行性與實用性，實現了對雨、雪、霧等氣象條件的全天候監測，保障了輸電線路在覆冰工況下的安全運行。