電力設(shè)備防外破主動(dòng)介入防控的研究與設(shè)計(jì)

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州邳州供電分公司 周 勇 霍福廣 岑子建

1 電力設(shè)備外破分析及防治措施

1.1 電力設(shè)備外破原因探究

當(dāng)前我國(guó)電力設(shè)備應(yīng)用較為廣泛，中大型電力設(shè)備多放置于人跡罕至處，這導(dǎo)致出現(xiàn)故障后較難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，給維護(hù)造成極大困擾。雖然我國(guó)對(duì)于出現(xiàn)外破后的控制措施已相對(duì)完善，具體方法有周期巡視、護(hù)線員、高科技等，但事物的發(fā)展必有其利弊：周期巡視存在有巡視真空期的情況，每次不是能很及時(shí)的發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)外破；費(fèi)用方面所需昂貴，一般線路維護(hù)花費(fèi)較為巨大，無(wú)法使用；激光、雷達(dá)等高科技手段畢竟不是人，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)較為死板，會(huì)時(shí)常發(fā)生誤報(bào)現(xiàn)象、探測(cè)距離有限，不能滿足使用要求等弊端。無(wú)人機(jī)和智能機(jī)器人操作難度較大，對(duì)人才要求苛刻，成本不合理。遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控存有盲點(diǎn)且因費(fèi)用問(wèn)題只能應(yīng)用于部分重要線路[1]。

二者對(duì)比如下：

周期巡視：提心吊膽，不知道設(shè)備外破會(huì)出現(xiàn)在哪；周期巡視有真空期，巡視后出現(xiàn)的電力設(shè)備外破無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)；全面巡視，屬體力巡視電力外破；下警示告知書(shū)程序繁瑣，到處拒絕簽字；人力體力巡視；巡視發(fā)現(xiàn)形成中或形成后影響線路安全的外破才上報(bào)；發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備外破后采取措施，易受損失，處理難度大；電力設(shè)備外破動(dòng)工前并不明顯，巡視時(shí)易掉以輕心，且不清楚外破類(lèi)型；源頭發(fā)現(xiàn)：專(zhuān)門(mén)針對(duì)電力設(shè)備外破，不再提心吊膽；準(zhǔn)確快捷，全天候發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備外破，并可在外破形成前發(fā)現(xiàn)外破；電力外破外破找上門(mén)；在設(shè)備安裝使用時(shí)進(jìn)行警示并簽字；非巡視工作；形成時(shí)警示并上報(bào)，拆表信息收集有防外破超前功能；從源頭發(fā)現(xiàn)電力外破，從而解決了電力設(shè)備外破形成后處理 難的問(wèn)題；電力設(shè)備外破形成時(shí)危害度一目了然，便于針對(duì)性防范。

1.2 感應(yīng)裝置應(yīng)用原理

當(dāng)感應(yīng)器的彈性軸受到扭轉(zhuǎn)時(shí)，由應(yīng)變橋檢測(cè)到應(yīng)變信號(hào)并經(jīng)儀表放大電路進(jìn)行一定程度的放大；經(jīng)過(guò)放大后的應(yīng)變信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)并由信號(hào)環(huán)形變壓器的初級(jí)線圈傳遞至次級(jí)線圈；經(jīng)信號(hào)處理電路過(guò)濾、整形得到與彈性軸扭矩成正比例關(guān)系的頻率信號(hào)，該信號(hào)即為感應(yīng)到的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可用于儀器儀表，同時(shí)也可以傳入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

1.3 感應(yīng)裝置應(yīng)用分析

在電力設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，如果有操作失誤的情況，如不小心打開(kāi)了配電柜、就會(huì)使行程開(kāi)關(guān)閉合，驗(yàn)電器就能感應(yīng)到、從而發(fā)出警報(bào)。在專(zhuān)業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，感應(yīng)器已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)保、氣象等方面，技術(shù)相對(duì)已成熟，應(yīng)用在本領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也具有很大潛力。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，感應(yīng)裝置已廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量工藝變量、測(cè)量電子特性等設(shè)備中，在通信電子產(chǎn)品領(lǐng)域，感應(yīng)裝置已應(yīng)用于各類(lèi)手機(jī)、無(wú)線電話中。在汽車(chē)領(lǐng)域，感應(yīng)器已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)的自動(dòng)化控制中，一輛汽車(chē)所使用的感應(yīng)器少則幾十種、多達(dá)上百種。

此次設(shè)計(jì)選用感應(yīng)裝置來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先考慮實(shí)用性問(wèn)題。輸電線路的覆蓋面非常大，中大型電力設(shè)備主要放置于在戶外，只靠人力難以防止外力破壞，且人工檢測(cè)相對(duì)較為復(fù)雜，工時(shí)費(fèi)太高，科技產(chǎn)品又不能完全符合實(shí)地需要，特別偏僻的地方需采用遠(yuǎn)程監(jiān)控來(lái)配合監(jiān)測(cè)。所以本次設(shè)計(jì)使用感應(yīng)裝置來(lái)完成檢測(cè)工作，一方面成本較低，另一方面經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)感應(yīng)裝置報(bào)錯(cuò)率較低，符合本次使用要求；其次考慮成本問(wèn)題，一個(gè)感應(yīng)裝置成本較低，少則幾十多則上百元，經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠，安裝、更換和維修也比較容易，價(jià)格也較低廉，而且能適應(yīng)較為惡劣的野外環(huán)境，同時(shí)還能降低事故率；綜上所述，此次對(duì)電力設(shè)備的外破探測(cè)裝置選用感應(yīng)器。

2 高壓近電報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

近電報(bào)警裝置是根據(jù)電場(chǎng)會(huì)在金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理，將這種感應(yīng)電荷轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)濾波、放大，用AVR mega48單片機(jī)采樣，將測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為距離，經(jīng)過(guò)無(wú)線通訊上傳到報(bào)警主機(jī)，主機(jī)接收到信號(hào)之后發(fā)出聲光報(bào)警，以避免觸電事故。

高壓近電感應(yīng)報(bào)警裝置包括傳感器和報(bào)警器兩大部分，傳感器包含圓形電極和無(wú)線發(fā)射裝置。感應(yīng)報(bào)警裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備附近的電場(chǎng)強(qiáng)度，它的工作流程如圖1。按照高壓電線附近的電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)衰減分布規(guī)律設(shè)計(jì)，傳感器要安裝在最容易接觸到高壓線的地方，在高空作業(yè)車(chē)工作的過(guò)程中傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)附近的電場(chǎng)信號(hào)，并且感應(yīng)出相應(yīng)的電流信號(hào)，通過(guò)濾波、放大，在A/D 轉(zhuǎn)換后發(fā)送到MCU，如果信號(hào)大于設(shè)定的報(bào)警值，MCU 就通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警裝置收到信息就發(fā)出相應(yīng)的提示。

圖1 感應(yīng)報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

高壓近電報(bào)警裝置采用單片機(jī)為中央處理單元[2],裝置的關(guān)鍵和核心對(duì)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行著中樞作用。單片機(jī)集成度高、體積小、可靠性好，把各個(gè)功能部件集成于一塊芯片上，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。而且由于單片機(jī)體積小，易于采取電磁屏蔽或者密封措施，適于在惡劣環(huán)境下工作；控制能力強(qiáng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)指令豐富，能充分滿足工業(yè)控制的各種要求。

低功耗，低電壓，便于生產(chǎn)攜帶式產(chǎn)品；易擴(kuò)展。可根據(jù)需要并行或串行擴(kuò)展，構(gòu)成各種不同應(yīng)用規(guī)模的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。采集電路也是此次硬件設(shè)計(jì)的必須。高壓近電報(bào)警裝置系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集然后處理，具體處理過(guò)程如下：把采集到的信號(hào)進(jìn)行整形濾波、放大、隔離處理，經(jīng)過(guò)這一系列處理之后，利用A/D轉(zhuǎn)換器裝置把這種采集來(lái)的模擬信號(hào)變化為為數(shù)字信號(hào)，利用異步無(wú)線通信的方式輸出和發(fā)射數(shù)字信號(hào)。在該電路模塊中，在1Vp-p 差分工作模式下可最高達(dá)到100Ms/s 的信號(hào)采集頻率。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)殡妶?chǎng)的相同頻率存在疊加或抵消的性質(zhì)，所以分裂導(dǎo)線會(huì)影響感應(yīng)電流的大小，因此把單導(dǎo)線和分裂線分別設(shè)置報(bào)警值，這樣可通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)轉(zhuǎn)換所需的報(bào)警值。高壓近電報(bào)警裝置采用模塊化設(shè)計(jì)模式，包括許多不同功能的模塊：涵蓋初始化模塊、ADC 數(shù)據(jù)采集模塊、代碼辨識(shí)模塊UART 發(fā)送模塊的主程序模塊、語(yǔ)音提示模塊、自檢中斷模塊、高壓信號(hào)檢測(cè)模塊。

初始化模塊可對(duì)各個(gè)端口來(lái)進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)中斷模塊接收到信號(hào)后ADC 數(shù)據(jù)采集模塊就能收到信號(hào)，最終經(jīng)過(guò)計(jì)算后與預(yù)設(shè)報(bào)警值進(jìn)行比較發(fā)送到主機(jī)，就能觸發(fā)報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)。通過(guò)各模塊的集成化、功能化應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算和分析，當(dāng)信號(hào)超出報(bào)警閾值時(shí)會(huì)由中心處理單元發(fā)出聲光報(bào)警提示。同時(shí)，考慮到相同頻率下電場(chǎng)中存在的疊加和抵消的問(wèn)題，要設(shè)置不同閾值的報(bào)警數(shù)據(jù)并使之固化于ROM 中，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行手動(dòng)選擇。