低溫環(huán)境輸電線路在線監(jiān)測裝置可靠性分析及提升

李德海 ，何紅太

(1. 國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱150090；2.山東電工電氣集團有限公司，北京100010)

0 引 言

為了更好地推動國網(wǎng)公司狀態(tài)檢修工作的開展，解決現(xiàn)有狀態(tài)檢修工作中遇到的問題并給出解決問題的合理建設(shè)性意見，因此輸電線路在線監(jiān)測裝置愈發(fā)廣泛應(yīng)用[1-4]。中國北部地區(qū)特別是東北、內(nèi)蒙古等地氣溫較低，在線監(jiān)測裝置易受到低溫環(huán)境的影響。目前存在著非常嚴(yán)重的問題，如傳感器精度低、前端采集數(shù)據(jù)不可靠、電池內(nèi)耗大、儲能效率低，傳感器通信中斷，電路無法工作，絕緣材料、焊接劑性能下降導(dǎo)致的機械故障等[5-6]。針對在線監(jiān)測裝置的可靠性提升技術(shù)研究，通過大量的分析，能夠基本明確寒冷環(huán)境因素對在線監(jiān)測裝置的影響[7]，并能夠獲得在線監(jiān)測裝置的可靠性規(guī)律[8]。但是當(dāng)前還缺乏定量化的研究基礎(chǔ)和有針對性的可靠性提升及驗證環(huán)節(jié)，缺乏可靠性提升的定量指標(biāo)的驗證及現(xiàn)場實驗。因此，對可靠性的提升缺乏定量指導(dǎo)和驗證。

為了解決上述問題，針對弧垂在線監(jiān)測裝置，提出定量化平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure，MTBF)方法并將其用于在線監(jiān)測裝置的可靠性分析，在定量分析的基礎(chǔ)上采用針對性的可靠性提升措施進行裝置的優(yōu)化，并利用現(xiàn)場工作環(huán)境對可靠性進行驗證。

1 可靠性分析

1.1 主要環(huán)境因素及影響部件

目前影響導(dǎo)線弧垂監(jiān)測裝置的穩(wěn)定性和精確度的最主要因素包括：

1)供電可靠性因素。導(dǎo)線弧垂監(jiān)測裝置供電可靠性差，電池采用常規(guī)型的鉛酸電池；低溫工況下，電池的循環(huán)壽命、體積能效比和環(huán)境適應(yīng)性都亟待提升(圖1)。

圖1 由鉛酸單路供電的普通工況供電方式

2)電子器件及電路因素。部分弧垂監(jiān)測裝置的晶振、電容物理屬性變化導(dǎo)致電路無法工作，防雷設(shè)計等級不高，連接線比較多，焊接點多(圖2)。

圖2 需要簡化的主控板內(nèi)部電子器件連線

3)傳感器因素?；〈贡O(jiān)測裝置的MEMS角度芯片受到低溫溫漂的影響，數(shù)據(jù)測量精度不夠，數(shù)據(jù)不穩(wěn)。

4)結(jié)構(gòu)及材料因素。

a.機箱外殼生銹嚴(yán)重。

b.調(diào)研發(fā)現(xiàn)有部分裝置機箱及傳感器安裝的固定金具的螺栓生銹，工人對裝置進行維護和移塔工作時，拆卸不方便。

c.電纜接頭有雨水倒灌的現(xiàn)象，航空插頭容易發(fā)生冰雪融水浸現(xiàn)象，內(nèi)部觸點發(fā)生氧化(圖3)。

圖3 外接電纜連接情況

d.傳感器封裝機械結(jié)構(gòu)中采用上下蓋靠自身的止水結(jié)構(gòu)防護，雖然雨水不能直接進入，但是在交變濕熱的情況下，高濕氣體還是會進入。

e.低溫設(shè)備難啟動，沒有采用保溫輔熱設(shè)計(圖4)。

圖4 機箱無保溫輔熱設(shè)計情況

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對相關(guān)可靠性問題進行分析。總體樣本故障結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：電源故障81起，占43%，監(jiān)測設(shè)備故障108起，占57%，兩者基本接近。但是具體可靠性的影響因素需要精確度量。因此引入可靠性計算方法，對裝置的可靠性進行定量分析。

1.2 可靠性計算依據(jù)

作為輸電線路系統(tǒng)運行可靠性的關(guān)鍵保障設(shè)備，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的可靠性和使用壽命關(guān)系著整個系統(tǒng)的應(yīng)用效果。因此，對輸電線路狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備的可靠性進行評估與預(yù)計，一方面可以從理論上評估系統(tǒng)現(xiàn)有的可靠性指標(biāo)，另一方面可以為更深一步的優(yōu)化工作提供指導(dǎo)。

MTBF=1/λ

式中：λ為產(chǎn)品的累計失效率。產(chǎn)品的累計失效率是各個器件的失效率總和累加：

λ=λ1n1+λ2n2+…+λini

式中：λi為產(chǎn)品中元器件i的失效率；ni為元器件i在產(chǎn)品中的使用數(shù)量。

通過對該器件的重新選型和降額設(shè)計來減少失效率，或通過減少該器件的使用數(shù)量(簡化設(shè)計)來減少累計失效率，使產(chǎn)品的MTBF更高。另外，最終這些預(yù)計結(jié)果還是需要經(jīng)過對產(chǎn)品實際工作的檢驗來驗證，MTBF的第2種計算方法是實驗室試驗驗證。

MTBF=1/λ=(n1t1+…+λini)/n

式中：T為總工作時間；n為試驗樣件數(shù)量；ni為工作ti時間段內(nèi)，產(chǎn)品失效個數(shù)。

對于電子設(shè)備來說，其故障分布函數(shù)服從指數(shù)分布，這時它的可靠度函數(shù)R(t)如下所示：

R(t)=e-λt

MTBF是基本可靠性參數(shù)，根據(jù)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的可靠性模型，綜合各組成部分的比重，計算失效率之和。最后根據(jù)

得到輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的失效率，就可以求得其平均故障間隔時間(MTBF)。

2 可靠性模型分析

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置主要由基站主控板、監(jiān)測終端、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、外接傳感器等構(gòu)成。

由于MTBF是一個基本可靠性參數(shù)，任一組成單元的故障都會導(dǎo)致系統(tǒng)故障，因此，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的可靠性模型為一個串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，產(chǎn)品功能框圖和可靠性框圖如圖5所示。

圖5 可靠性模型框圖

供電電源和通信裝置都由單一的部件構(gòu)成，在線監(jiān)測裝置本體可以分為多個部件，故在線監(jiān)測裝置本體的電路框圖如圖6所示。

圖6 裝置本體的電路框圖

根據(jù)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備的可靠性框圖，可以推得輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的可靠性數(shù)學(xué)模型為

RS=R1×R2×R3×R4×R5

式中：RS為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性；R1為基站主控板可靠性；R2為監(jiān)測終端可靠性；R3為供電系統(tǒng)可靠性；R4為通信系統(tǒng)可靠性；R5為外接傳感器可靠性。

3 低溫條件下導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置的改進

3.1 低溫環(huán)境機械裝置改進

根據(jù)低溫環(huán)境下的特點，對太陽能電池板安裝結(jié)構(gòu)、天線安裝結(jié)構(gòu)、機箱布局、電路板封裝等進行優(yōu)化，增強安裝可靠性。按照機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計原則對產(chǎn)品的設(shè)計機械與結(jié)構(gòu)的部分進行梳理，著重針對機械應(yīng)力對電路板的影響進行考慮與優(yōu)化。對太陽能電池板安裝結(jié)構(gòu)、天線安裝結(jié)構(gòu)、機箱布局、電路板封裝等進行優(yōu)化，增強安裝可靠性，方便工程現(xiàn)場安裝，簡化現(xiàn)場施工和運維作業(yè)難度。

3.2 低溫條件下監(jiān)測裝置內(nèi)部熱環(huán)境改進

通過新型耐低溫高能電池為監(jiān)測裝置提供供電電源，采用輕量化高效保溫材料和小型低溫加熱組件實現(xiàn)高效保溫。在-35 ℃的持續(xù)低溫條件下，通過輕量化高效保溫層延緩殼體內(nèi)溫度的下降速度，在-20 ℃以上保持若干時間；當(dāng)殼體內(nèi)溫度降到-20 ℃時，小型低溫加熱組件開始工作，維持裝置殼體內(nèi)的0 ℃保守溫度。

導(dǎo)線類監(jiān)測裝置考慮分區(qū)設(shè)計，將傳感器板+電源板+通信板+耐低溫高能電池4個核心部件設(shè)置為保溫區(qū)，貼片天線設(shè)置為非保溫區(qū)，采用3D打印技術(shù)對保溫區(qū)殼體進行一體化設(shè)計。

優(yōu)先采用軍品級的元器件，正常工作溫度下限可達-55 ℃，針對部分溫度要求高的電子元器件采取集中布置，并采用PTC 恒溫加熱材料進行小范圍局部輔熱，以提高裝置穩(wěn)定性，電路關(guān)鍵元器件采用1+1 冷備份技術(shù)，在不增加功耗和通信成本的基礎(chǔ)上，進一步提升監(jiān)測裝置的可靠性。

對于蓄電池部分，蓄電池充放電特性對溫度極為敏感，尤其在極低溫條件下，蓄電池充放電性能明顯下降。為提高蓄電池在極寒天氣下的性能，設(shè)計一體化保溫箱，主要包括可裝卸保溫護套和加熱裝置兩部分，使蓄電池在恒溫下運行，保證其工作性能。

采用分體式電源箱設(shè)計，具有保溫隔熱功能，簡化電池現(xiàn)場施工和運維作業(yè)難度，分體式低溫型主機設(shè)計圖如圖7所示。

圖7 分體式低溫型主機設(shè)計圖

3.3 低溫條件下裝置的功耗優(yōu)化

芯片選型環(huán)節(jié)，在保證產(chǎn)品性能的情況下，選取低功耗、可休眠的芯片；傳感器選型環(huán)節(jié)，選擇低功耗的氣象傳感器、攝像頭等外接設(shè)備；設(shè)計環(huán)節(jié)，在保證產(chǎn)品性能的情況下，通過降低MCU的主頻、RAM的掃描模式等方式降低功耗。

加強對外設(shè)設(shè)備的電源管理，每個外設(shè)設(shè)備的電源可單獨進行打開和關(guān)閉的控制；優(yōu)化控制流程，對不工作的外設(shè)傳感器、以太網(wǎng)口等功能模塊進行休眠和斷電控制；對設(shè)備電源進行監(jiān)控，實時掌握電池的狀態(tài)，根據(jù)電量對設(shè)備運行狀態(tài)進行管理，在電量不足時分級關(guān)閉相應(yīng)耗電設(shè)備。

3.4 低溫條件下導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置電源改進

當(dāng)在線監(jiān)測裝置處于惡劣天氣環(huán)境下時，受光源和太陽能采集板覆冰以及風(fēng)能供電設(shè)備易被低溫失能的影響，常用的太陽能、風(fēng)能及蓄電池供電系統(tǒng)在極寒條件下不能滿足對在線監(jiān)測裝置的供電。

目前可采用的其他取能方式有在線取能和激光供電。在線取能高壓輸電線路的在線取能裝置利用電磁感應(yīng)的原理，通過一個繞有線圈的感應(yīng)鐵心，將高壓傳輸導(dǎo)線沿軸線從鐵心穿過，從而組成一個穿心式的電流互感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，該鐵心從母線電流上取得能量，再通過整流、濾波及電平轉(zhuǎn)換電路后，得到穩(wěn)定可靠的直流電源。此方法供電的能量主要來自母線或地線的電流，在交流電流周圍存在交變磁場，通過磁場來傳遞、獲得能量。

通過綜合采用太陽能、風(fēng)能、CT取電、蓄電池等多種方式為在線監(jiān)測裝置供電，保證其供電的持續(xù)性和可靠性。

4 導(dǎo)線監(jiān)測裝置低溫可靠性評估

為了進一步檢驗導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置的低溫可靠性提升效果，根據(jù)前文所述的串聯(lián)型低溫可靠性模型，分別計算了導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置在進行低溫可靠性提升之前與之后的MTBF。通用型導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置和低溫型導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置在低溫地區(qū)的失效率匯總結(jié)果如表1所示。

根據(jù)串聯(lián)型低溫可靠性模型驗證發(fā)現(xiàn)，通用型導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置在低溫地區(qū)的MTBF是26178 h，而低溫型導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置在低溫地區(qū)的MTBF是63205 h，表明：導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置的低溫可靠性提升技術(shù)和方法是有效的，導(dǎo)線微風(fēng)振動監(jiān)測裝置經(jīng)過低溫可靠性提升后，MTBF有較大的提高。

表1 可靠性數(shù)據(jù)對比

5 實驗室驗證

通過低溫箱進行驗證，在21：30將機箱放入試驗低溫箱中，低溫箱設(shè)置溫度為-30℃，機箱內(nèi)初始溫度為16.5℃；至10月19日8：30分，機箱內(nèi)溫度下降至1℃，溫降過程歷時11 h。實際試驗數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 低溫保溫性能試驗數(shù)據(jù)

通過試驗可知，環(huán)境溫度在-30 ℃以下時，保溫機箱內(nèi)部溫度仍然高于0 ℃，設(shè)計符合要求。

6 現(xiàn)場實驗

在東北某66 kV輸電線路X2號塔至X1號塔、X1號塔至X0號塔兩個相鄰檔距。其中，終端塔為X2號塔，塔型號為66SJJ3，呼稱高18 m；X1號塔塔型號為66SJJ1，呼稱高24 m；X0號塔塔型號為66SZ2_30，呼高30 m；導(dǎo)線型號為LGJ-150/25，外徑17.1 mm。50號和51號檔距為351 m，51號和52號檔距為155 m。由于該線路為同塔雙回，停電方案為一回停電一回帶電運行，為了保證施工安全，計劃加裝的2套輸電線路微風(fēng)振動在線監(jiān)測裝置和2套輸電線路弧垂在線監(jiān)測裝置擬進行現(xiàn)場帶電安裝(圖9、圖10)。

圖9 現(xiàn)場安裝情況

圖10 分體式電源實物及安裝圖

通過現(xiàn)場實驗可知，經(jīng)過2年的運行，在線監(jiān)測裝置表現(xiàn)良好，數(shù)據(jù)采集正常，發(fā)送鏈路暢通，得到了較好的應(yīng)用效果。

7 結(jié) 語

通過進行可靠性分析、可靠性計算和有針對性的低溫環(huán)境下可靠性提升技術(shù)應(yīng)用，在經(jīng)過機械設(shè)計、整體內(nèi)部溫度環(huán)境優(yōu)化、電源系統(tǒng)效能提升后，設(shè)計了耐低溫的在線監(jiān)測裝置，并利用實驗室和真實低溫環(huán)境進行了相關(guān)驗證。結(jié)果表明，采用的技術(shù)手段有效，能夠適應(yīng)低溫地區(qū)的使用要求。