电力铁塔运行状态智能在线监测的研究及应用

张元军　李清华

【摘 要】目前，在高压输电线路中对铁塔运行姿态（沉降/倾斜）、接地网阻值、接地引下线状态进行检测的常规方法是人工周期巡检，此方法，对于铁塔在运行过程中的状态无法实时监测。针对目前检测方法的不足，研制出铁塔运行状态智能在线监测系统，实时在线监测铁塔运行姿态（沉降/倾斜）、接地网阻值、接地引下线状态，最后通过无线通信将结果发到状态监测工作站，从而将常规的周期巡检变成实时在线的状态监测。通过现场实际运行示例，验证了铁塔运行状态智能在线监测具有很强的实用性、可靠性、稳定性，值得在电力铁塔输电线路中推广使用。

【关键词】铁塔；沉降/倾斜；接地网；接地引下线；智能在线监测

【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

近年来，随着我国工业的快速发展，供电需求量逐年增长，相应的，对于供电可靠性要求越来越高。铁塔作为输电线路的重要组成部分，担负着安全可靠输送电能的重要任务，因此，铁塔的可靠稳定运行显得尤为重要。目前，对铁塔运行状态检测采用计划周期巡检方法，存在一定的安全隐患与不足，从而需要一种新的方法来解决当前运行现状中存在的隐患以及目前采取措施存在的不足。

1 当前运行现状及产生隐患的原因

现阶段由于诸多原因导致铁塔的运行现状还存在很大的安全隐患，主要表现在以下几个方面：

（1）高压输电线路受自身重力、外界风沙、暴雨、冰雪等环境作用，铁塔地基容易发生倾斜、开裂、滑移等现象，从而引起铁塔变形、倾斜、甚至倒塔断线。铁塔倾斜容易导致电气安全距离不够，影响输电线路正常运行，倒塔断线将使供电线路陷于瘫痪，严重时将影响到供电安全和供电可靠[1]。

（2）随着环境条件的不断变化，极端天气时有发生，雷雨天气不断增多，雷击引起输电线路跳闸故障日渐增多，从而导致设备损坏、大面积停电、电网瓦解等恶性后果。

（3）铁塔接地网土壤电阻率发生变化，接地网腐蚀，气象环境变化等，导致铁塔在运行过程中接地网接地电阻增大，达不到防雷效果。

（4）铁塔接地引下线与接地体之间接触不良，接地点脱落或接触不可靠，起不到防雷泄流的作用。

2 目前采取措施及不足

针对目前电力铁塔运行现状，检测主要采取如下措施：

（1）采用周期巡检方式来人为观测铁塔运行姿态，这是当前常规的检测手段。

（2）由于防雷要求，需要快速的将雷击电流通过铁塔泄放到大地，行业内基本做法是在铁塔下面铺设接地网，从而达到快速引流的作用，而接地网接地电阻值是常用的一种判断接地网状态的方式。

（3）按《架空送电线路运行规程》的要求，需要定期对铁塔接地电阻以及接地状态进行测试，及时检测出接地电阻超标以及接地状态不可靠的铁塔，更新和改造接地电阻值不满足要求的接地线，必要时可增加线路接地线数量，对接地电阻值较大的，应使用降阻剂、碳粉等将接地电阻值控制在合格范围内。

通过上面的这些措施虽然能发现一部分铁塔状态不正常的现状，但还是存在一些不足：

（1）由于铁塔运行姿态（沉降/倾斜）的变化一般都是缓慢变化过程，在初期，巡线人员很难用肉眼观察到微小的变化，另外，靠人力进行的周期巡检存在一定的主观性，某些参数人工实测困难，无法满足铁塔实时监测的需求，严重影响供电安全和工业生产，容易造成巨大损失[2-3]。

（2）受限于目前人力以及检测设备功能性、便携性方面原因，铁塔接地网阻值以及接地状态目前只能通过每年春检进行检测分析，不能进行实时监测，将会存在接地网阻值增大或接地状态已不能满足要求，但因没有发现而得不到及时的维修或更换，可能带来很大的安全隐患和财产损失[4-5]。

3 铁塔运行状态智能在线监测方案

针对目前在电力铁塔运行状态检测方法中存在的隐患与不足之处，研制设计出了一套电力铁塔运行状态智能在线监测系统。此系统通过接地极接入地网来监测接地电阻、通过接地引下线来监测铁塔接地状态、通过姿态（沉降/倾斜）传感器来收集铁塔姿态变化情况，最后通过运营商网络将状态结果发到状态监测工作站或远程智能监控终端。通过此在线系统，将常规的铁塔定期巡检变成实时在线的状态监测。

电力铁塔运行状态智能在线监测系统网络拓扑图见图1。

通过在各铁塔上安装一套铁塔运行状态智能在线装置，此装置能实时在线监测铁塔的各项数据（铁塔沉降/倾斜、接地网阻值、接地状态）。各装置之间通过无线网络将数据统一发送到后台的状态监测工作站，工作站也可以通过无线网络下发操作指令。在工作站中，能实时监测到各铁塔监测点运行状况，如有阈值超标，将及时报警，提醒运行人员及时进行维护、检修。

电力铁塔状态智能在线监测系统作为整个系统，需要系统内各节点共同发挥作用，作为系统内重要的在线监测装置的模块设计框图如图2。

图2 在线监测装置模块设计框图

Fig.2 Online Monitoring System Module Design Diagram

装置通过对姿态传感器（沉降/倾斜）、接地电阻监测、接地引下线监测数据进行处理，并将处理后的结果通过无线方式传给远程终端或者状态监测工作站，另外，装置采用光伏/蓄电池双电源供电方案。

4 系统功能

4.1 铁塔姿态变化监测

系统对铁塔姿态变化的监测主要是利用InvenSence公司生产的传感器 MPU6050，它是全球首例整合性六轴传感器，集成了3 轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor）。MPU6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec（dps），可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g。

MPU6050是一款姿态传感器，通过它可以得到待测物体（如铁塔、平衡车）x、y、z轴的倾角（俯仰角 Pitch、滚转角Roll、偏航角Yaw）。工作时，通过I2C可以读取到MPU6050的六个数据（三轴加速度 AD 值、三轴角速度AD值）经过姿态融合后就可以得到倾角[6-10]。

系统通过对传感器 MPU6050采集的数据进行处理，可以计算出该位置铁塔的姿态变化情况，比如，铁塔是否沉降/倾斜，沉降的深度，倾斜的角度，方便维护人员定位处理。

4.2 接地电阻监测

通过将电极插入铁塔的接地网中，对电极注入异频信号，然后采集返回的电信号，在 MCU 内部经过处理，可以得出该铁塔所处位置地网的接地电阻的趋势变化情况，通过对趋势曲线的判断，装置可以判断出该位置铁塔接地网运行情况。另外，后台的状态监测工作站同时可以对多个铁塔进行监测，在整条线路都安装监测装置后，能得出整条输电线路铁塔的接地网运行情况。

采用异频信号注入电极的检测技术，可以在系统不断电的情况下进行实时检测。另外，由于采用异频信号，可以解决地网中零序电流的干扰，同时高频干扰问题也将迎刃而解。

装置对接地电阻测量参数：

测试电压：AC220V；

测试电流：≤5A；

测试频率：异频可设置；

测量范围：0～600Ω，精度0.5%。

4.3 接地引下线监测

接地引下线是铁塔与地网的连接部分。在电力设备的长时间运行过程中，连接处有可能因受潮等因素影响，出现节点锈蚀、甚至断裂等现象，导致接地引下线与主接地网连接点电阻增大，从而不能满足电力规程的防雷引流要求，使设备在运行中存在不安全隐患[11]。

装置通过线缆与接地引下线连接，内部注入信号并计算导通电阻值结果，并对结果进行判断，一般情况下，测试结果是否正常可参考表1：

装置对接地引下线导通电阻值测量参数如下：

测量范围：1～1999mΩ；

分辨率：1mΩ。

5 系统应用

5.1 实例一

某地110KV 输电线路53号铁塔一直正常运行，最近后台工作站突然收到该铁塔有倾斜告警，经过线路维护人员到达现场，发现铁塔确实有倾斜情况，确认装置上报告警准确。

经过综合分析该53号铁塔，它位置处于山区，近日连续暴雨后，该处位置有山体滑坡，导致该铁塔发生倾斜。

经过现场对铁塔倾斜处理完成，然后对装置进行数据偏移的设置校准后，装置继续运行监测。

5.2 实例二

某地维护人员收到后台推送的信息，35KV XX输电线路27号铁塔出现接地电阻增大趋势。维护人员将此位置记录，待巡检时到现场，通过现场测试接地网电阻，阻值7Ω，确认监测装置采集准确。

现场根据铁塔位置的具体情况，使用物理降阻剂方式进行了处理。

处理后再次使用仪器对该位置接地电阻进行测量，阻值3.8Ω，满足地网接地要求，后台告警也消失。

5.3 实例三

某供电所110KV输电线路正常运行8年后，某日突然上报3号铁塔接地引下状态异常告警。

维护人员到达现场检测，发现接地引下线与主接地网处有节点腐蚀、断裂现象，通过携带的接地引下线导通测试仪进行现场测试，发现该接地引下线电阻值为520mΩ，由于接地引下线是电力设备与地网的连接部分，连接处出现了问题，这也导致接地引下线与主接地网连接点电阻增大，超过装置设定的告警阈值，从而向后台上报告警。

经过现场人员进行处理，处理后使用仪器再次测试，电阻值为88mΩ，后台告警消失，状态为良好。

6 总结

文中通过对目前电力铁塔运行状态的现状及产生隐患原因的叙述，分析了当前采取的措施以及不足之处，通过应用铁塔运行状态智能在线监测解决方案，描述了装置系统功能，最后根据现场实例做了系统应用的说明。通过对系统解决方案、功能的介绍以及实例的应用，验证了此系统具有很好的实用价值，值得在电力铁塔线路中推广应用。

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