微地形区输电线路覆冰在线监测装置研究

孔 韬，何相奎，张 迪，余 帆，于洪来，程俊翔

（1.国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050；2.国网浙江省电力有限公司衢州供电公司，浙江 衢州 324000）

0 引 言

随着经济和技术的发展，我国已建成坚强的超、特高压主干电力网络。随着不断的创新改造，输电线路遭受覆冰、雷击、大风等自然灾害的频率逐年下降。对于大多数常见气象区，设计满足设计规范的输电线路已能抵御天气变化，但对于局部气象区的输电线路还需要进一步细化研究、监控。电力线路中的某一小段甚至一两基铁塔之间，在系统性天气的影响下（局部气候），受特殊地形影响，该地区范围内某部分气候因子扰动增强，超过该地区设计的冰、风条件值，从而有可能危及输电线路运行的地区，称为“微地形微气象区”[1]。微地形微气象区多位于交通不发达的偏远地区，如山区、谷地等。此类区域在遭遇极端天气时，线路运维人员难以在短时间内赶赴现场开展特巡工作。若要赶赴现场，受极端天气影响，人身安全得不到保障。近年来，智能采集技术得到了突破，有必要在该区域安装智能采集设备，实时监控电力设备安全。

目前，输电线路巡视主要以人工巡视为主，人力成本、经济成本较高。输电线路在线监测主要是对人工巡视的补充。输电线路覆冰的在线监测方法主要有气象法、视频图像法、称重法以及模拟导线法等[2]。在线监测应用方面，国内外均有一些在线监测装置面世，主要分为两种[3]：第一种是针对覆冰的相关参数（绝缘子串受到的拉力和绝缘子串倾角、气象参数等）进行远程实时测量，然后通过相关公式计算覆冰厚度；另一种是通过远程图像监控系统实时采集现场图片，通过图片直接分析导线的实时覆冰状况。

现有的在线监测装置采集信息种类单一，不符合“泛在电力物联网”建设要求。本文设计一种新型在线监测装置安装、传输、管理方法，对输电线路覆冰做全面监测，以实现方位在线监测。

1 输电线路覆冰计算模型

输电线路覆冰的计算模型是设计在线监测装置的关键，针对导线覆冰载荷进行力学分析，计算输电线路导线覆冰厚度。

为使问题简化，首先假设架空线是没有刚性的柔性索链，悬挂在两基杆塔间的架空线呈悬链线形状。悬链线公式为[3]：

式中：l为两悬挂点的水平距离；h为两悬挂点的垂直距离；Lh=0为等高悬点架空线悬链线长度，m；σ0为弧垂最低点的轴向应力，MPa；γ为架空线自重比载，MPa/m。根据式（1）可以得到悬链线上各离散节点的坐标。

由图1可得，导线上任一点应力为：

图1 架空导线呈悬链线状的受力图

当只讨论导线的静态拉应力时，可得出两端导线悬挂点的应力为[1]：

2 覆冰在线监测装置设计

如图2所示，输电线路覆冰的在线监测系统采用模块化设计，在核心主控制器的基础上可连接各类传感器采集单元，共享主控、电源和通信部分的设备模块。核心主控制器负责处理接收、采集、存储传感器、通信、控制等信息，主控制器具备CMA接入功能，监测数据可根据各个省公司的专网环境顺利接入各个省公司或者国网公司的统一平台[2-3]。

图2 输电线路覆冰在线监测系统部署结构图

2.1 覆冰监测装置组成

覆冰在线监测装置可以安装在杆塔与金具的各个位置，可对覆冰进行全方位监测，包括实时状态监测装置、拉力传感器、图像监测装置、模拟导线称重装置和供电装置等[4]。装置的全方位体现在其通过拉力传感器、模拟导线、图像采集3种方式[5]进行输电覆冰数据采集，由状态监测装置收集采集的数据，并将处理后的数据传送至后台进行处理，而后台通过智能识别与解析计算判别覆冰的厚度。

2.2 拉力传感器采集单元

拉力传感器采用17-4PH不锈钢材料[6]，外形绝缘子串上的球头挂环类似。传感器内部实时采集拉力数据，最后通过RS485总线方式发给主控器，如图3所示。每个拉力传感器内部都做防雷保护处理，保证了在恶劣环境下的产品可靠性。

图3 拉力传感器采集单元原理框图

该拉力传感器采用RS485总线方式数据接入方便，能适应复杂的现场环境，根据情况配置拉力传感器数量，通过总线可以控制各个传感器。如图4所示，该装置可直接与球头挂环相连进行安装。它采用不锈钢材质，抗拉能力强于原有的金具，且使用寿命可达30年。

图4 拉力传感器安装图

2.3 倾角传感器采集单元

绝缘子倾角主要用于采集微地形微气象区的风向和风力大小，因为风向和风力决定了线路覆冰的种类和形状。绝缘子倾角通过传感器采集后通过RS485汇总到杆塔上安装的状态监测装置处，状态监测装置按照第1章节讲解的计算方法进行计算，结合拉力采集的输电线路挂点处的应力大小，便可基本求得该微地形微气象区的覆冰厚度及情况，最后将处理后的数据发送到后台主站。

图5是倾角测量单元的硬件组成框图。整个系统由SCA100T倾角传感器、低通滤波器以及带高精度AD转换单片机等组成[7]。

图5 倾角测量单元的硬件组成框图

倾角传感器采用的是高精度双轴倾角传感器，具有体积小、安装方便、轻便等优势，重量仅为1.2 g。

倾角传感器中设置了一个硅敏感微电容传感器，另外设置了ASIC电路专用的集成电路。ASIC集成电路综合了EEPROM存储器、信号放大器、AD转换器、温度传感器和SPI串行通信接口等零部件，构成了一整套智能传感系统[8]。图6为该传感器的结构框架图。

2.4 模拟导线采集单元

输电线路覆冰后，导线的综合荷载发生变化[9]。目前，已应用的几种测量装置都是直接安装在线路导线上，需要作业人员登塔在线路金具上安装。本文提出采用模拟输电线路导线的测量方法，即采用安装在线路杆塔上由本测量装置和装置悬挂的该线路的一段模拟导线来确定和计算线路覆冰导线的综合荷载和覆冰厚度。

图6 功能结构管脚框图

本文提出了一种简单而又实用的输电线路覆冰监测方法，对线路覆冰实时预警和监测具有重要作用。本系统成本低，安装不涉及线路带电部分，易推广，可在某几条线路某些区段有选择地安装，如图7所示。

图7 现场安装图

2.5 防冰红外枪机采集单元

前端图像采集采用SONY CCD传感器，具有分辨率高、图像清晰、细腻等特点，支持自动彩转黑功能，可实现昼夜监控，符合IP66级防水设计，可靠性较高。采用固定式、多通道最大限度地降低功耗，提高了系统稳定性，有效解决了电源问题。系统采用特殊的电源设计，平时只有10 mA的电流消耗。包括在阴天的情况下，20 W的太阳能板电池足以维持系统的正常运行，有部分电量可用于后备电池充电。因此，只要按每小时取一帧图像的工作方式，系统可以在无阳光的天气下稳定连续工作30 d左右，且可根据实际需要增配太阳能板的功率。

采用固定式一体化红外枪机也可以避免监控盲点[10]。由于实际监控对象是明确的，一般只需要监控1～2个点，完全可以用2个摄像头满足监控范围。另外，提供了多通道监控技术，可以在特殊点根据客户需要增加监控通道。

该装置结构小巧，方便拆卸，采用20 W的太阳能板足以维持系统的正常运行，蓄电池也只需采用12 V/16 Ah容量，保证了整套设备的安全性和轻巧型，在监控地点更改时方便移动更换位置。

摄像头红外及补光机制[11]。采用红外线发光二极管，在黑暗的环境下可自动开启使摄像头获得光源，如同开启一盏红外线灯照亮整个监控区域，然后接收到红外线的反光成像。红外的光发射距离可根据现场环境设置，适合室外带有防水功能的中远距离使用，识别距离50 m左右，可视距离100 m以上。独立的散热体设计，寿命可达传统LED寿命的5～10倍。

摄像头防冰机制[12]。一方面，采用巧妙的防冰结构。设备带电动防冰护罩，当摄像头不工作的时候，防冰护罩处于关闭状态，摄像头的玻璃镜头不暴露在空气中，大大减少了冻雨、雾凇等因素引起的结冰现象。当需要拍照时，防冰护罩会电动开启。由于设备总是在定时拍照工作，防冰护罩会过一段时间运动一次，可以有效避免护罩和玻璃镜头之间结冰。另一方面，采用新型防雾玻璃。产品的镜头采用镀膜透明玻璃镜面，具有内部加热功能和镜片一体化处理，大大提高了工作可靠性，同时融冰去雾能力更强，所需的加热能量也最小。

摄像头上方还有一个大型防护罩，可有效避免斜雨、雪等对镜头的影响[13]。此外，设备中的图像采用JPEG压缩格式，压缩率高，图像清晰度好。

3 装置应用

目前，输电线路覆冰远程图像监控单元可以实现对雨、雪、雾、淞等气象条件的全天候监测。2月8日，浙江省电力公司启动预警，在整个预警启动期间（2月8日—2月20日），17条易覆冰线路的导线上未发现覆冰情况。受北方强冷空气南下影响，2月9日衢州出现雨雪天气，全市普降中到大雪，局部大暴雪。从图像监测过程可以看出，2月9—10日，17条易覆冰线路的绝缘子上出现冰凌；2月11日，绝缘子上冰凌出现呈现减弱趋势；2月12日，绝缘子上已无冰凌。2月18—19日，衢州再次出现明显雨雪天气，局部大到暴雪，部分易覆冰线路的绝缘子上出现轻微冰棱。

当覆冰在线监测单元监测到的气温为0 ℃以下时，图像监测单元监测到的线路覆冰情况传回的图像如图8所示，覆冰图像监控单元成功拍摄了2月9日、11日杆塔导线绝缘子覆冰覆雪的过载情况。

图8 覆冰图像

4 结 论

本文介绍论文的研究背景、国内外研究现状、研究内容以及论文完成的主要工作，分析架空输电线路覆冰在线监测理论，建立了覆冰厚度测量模型，阐述了输电线路覆冰在线监测系统的设计部署结构及功能实现手段，结合装置重点描述了覆冰监测系统各个模块的设计。以浙江衢州输电线路的覆冰情况为例，阐述了对输电线路覆冰进行在线监测的必要性，并将设计的输电线路覆冰在线监测装置成功应用到该地区的输电系统中，验证了该系统的可行性与实用性，实现了对雨、雪、雾等气象条件的全天候监测，保障了输电线路在覆冰工况下的安全运行。