电力设备防外破主动介入防控的研究与设计

国网江苏省电力有限公司徐州邳州供电分公司 周 勇 霍福广 岑子建

1 电力设备外破分析及防治措施

1.1 电力设备外破原因探究

当前我国电力设备应用较为广泛，中大型电力设备多放置于人迹罕至处，这导致出现故障后较难及时发现，给维护造成极大困扰。虽然我国对于出现外破后的控制措施已相对完善，具体方法有周期巡视、护线员、高科技等，但事物的发展必有其利弊：周期巡视存在有巡视真空期的情况，每次不是能很及时的发现动态外破；费用方面所需昂贵，一般线路维护花费较为巨大，无法使用；激光、雷达等高科技手段毕竟不是人，执行标准较为死板，会时常发生误报现象、探测距离有限，不能满足使用要求等弊端。无人机和智能机器人操作难度较大，对人才要求苛刻，成本不合理。远程可视化监控存有盲点且因费用问题只能应用于部分重要线路[1]。

二者对比如下：

周期巡视：提心吊胆，不知道设备外破会出现在哪；周期巡视有真空期，巡视后出现的电力设备外破无法及时发现；全面巡视，属体力巡视电力外破；下警示告知书程序繁琐，到处拒绝签字；人力体力巡视；巡视发现形成中或形成后影响线路安全的外破才上报；发现电力设备外破后采取措施，易受损失，处理难度大；电力设备外破动工前并不明显，巡视时易掉以轻心，且不清楚外破类型；源头发现：专门针对电力设备外破，不再提心吊胆；准确快捷，全天候发现电力设备外破，并可在外破形成前发现外破；电力外破外破找上门；在设备安装使用时进行警示并签字；非巡视工作；形成时警示并上报，拆表信息收集有防外破超前功能；从源头发现电力外破，从而解决了电力设备外破形成后处理 难的问题；电力设备外破形成时危害度一目了然，便于针对性防范。

1.2 感应装置应用原理

当感应器的弹性轴受到扭转时，由应变桥检测到应变信号并经仪表放大电路进行一定程度的放大；经过放大后的应变信号经转换器转换为频率信号并由信号环形变压器的初级线圈传递至次级线圈；经信号处理电路过滤、整形得到与弹性轴扭矩成正比例关系的频率信号，该信号即为感应到的信号，这个信号可用于仪器仪表，同时也可以传入到计算机进行处理。

1.3 感应装置应用分析

在电力设备正常运转工作时，如果有操作失误的情况，如不小心打开了配电柜、就会使行程开关闭合，验电器就能感应到、从而发出警报。在专业设备领域，感应器已广泛应用于医疗、环保、气象等方面，技术相对已成熟，应用在本领域具有较大优势，同时也具有很大潜力。在工业自动化领域，感应装置已广泛应用于各种测量工艺变量、测量电子特性等设备中，在通信电子产品领域，感应装置已应用于各类手机、无线电话中。在汽车领域，感应器已广泛应用于汽车的自动化控制中，一辆汽车所使用的感应器少则几十种、多达上百种。

此次设计选用感应装置来进行设计，首先考虑实用性问题。输电线路的覆盖面非常大，中大型电力设备主要放置于在户外，只靠人力难以防止外力破坏，且人工检测相对较为复杂，工时费太高，科技产品又不能完全符合实地需要，特别偏僻的地方需采用远程监控来配合监测。所以本次设计使用感应装置来完成检测工作，一方面成本较低，另一方面经过调研发现感应装置报错率较低，符合本次使用要求；其次考虑成本问题，一个感应装置成本较低，少则几十多则上百元，经济又实惠，安装、更换和维修也比较容易，价格也较低廉，而且能适应较为恶劣的野外环境，同时还能降低事故率；综上所述，此次对电力设备的外破探测装置选用感应器。

2 高压近电报警装置设计

2.1 设计原理

近电报警装置是根据电场会在金属表面产生感应电荷的原理，将这种感应电荷转化为电信号，通过滤波、放大，用AVR mega48单片机采样，将测量的数据转化为距离，经过无线通讯上传到报警主机，主机接收到信号之后发出声光报警，以避免触电事故。

高压近电感应报警装置包括传感器和报警器两大部分，传感器包含圆形电极和无线发射装置。感应报警装置能够实时监测电气设备附近的电场强度，它的工作流程如图1。按照高压电线附近的电场强度信号衰减分布规律设计，传感器要安装在最容易接触到高压线的地方，在高空作业车工作的过程中传感器实时监测附近的电场信号，并且感应出相应的电流信号，通过滤波、放大，在A/D 转换后发送到MCU，如果信号大于设定的报警值，MCU 就通过无线模块发出报警信号，报警装置收到信息就发出相应的提示。

图1 感应报警装置结构图

2.2 硬件设计

高压近电报警装置采用单片机为中央处理单元[2],装置的关键和核心对系统的安全可靠运行着中枢作用。单片机集成度高、体积小、可靠性好，把各个功能部件集成于一块芯片上，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。而且由于单片机体积小，易于采取电磁屏蔽或者密封措施，适于在恶劣环境下工作；控制能力强：单片机指令丰富，能充分满足工业控制的各种要求。

低功耗，低电压，便于生产携带式产品；易扩展。可根据需要并行或串行扩展，构成各种不同应用规模的计算机控制系统。采集电路也是此次硬件设计的必须。高压近电报警装置系统对模拟信号进行采集然后处理，具体处理过程如下：把采集到的信号进行整形滤波、放大、隔离处理，经过这一系列处理之后，利用A/D转换器装置把这种采集来的模拟信号变化为为数字信号，利用异步无线通信的方式输出和发射数字信号。在该电路模块中，在1Vp-p 差分工作模式下可最高达到100Ms/s 的信号采集频率。

2.3 软件设计

因为电场的相同频率存在叠加或抵消的性质，所以分裂导线会影响感应电流的大小，因此把单导线和分裂线分别设置报警值，这样可通过开关来转换所需的报警值。高压近电报警装置采用模块化设计模式，包括许多不同功能的模块：涵盖初始化模块、ADC 数据采集模块、代码辨识模块UART 发送模块的主程序模块、语音提示模块、自检中断模块、高压信号检测模块。

初始化模块可对各个端口来进行设置，当中断模块接收到信号后ADC 数据采集模块就能收到信号，最终经过计算后与预设报警值进行比较发送到主机，就能触发报警装置发出报警信号。通过各模块的集成化、功能化应用，可实现对信号数据的处理、计算和分析，当信号超出报警阈值时会由中心处理单元发出声光报警提示。同时，考虑到相同频率下电场中存在的叠加和抵消的问题，要设置不同阈值的报警数据并使之固化于ROM 中，根据实际需要进行手动选择。