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【摘 要】目前，在高壓輸電線路中對(duì)鐵塔運(yùn)行姿態(tài)（沉降/傾斜）、接地網(wǎng)阻值、接地引下線狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的常規(guī)方法是人工周期巡檢，此方法，對(duì)于鐵塔在運(yùn)行過程中的狀態(tài)無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)目前檢測(cè)方法的不足，研制出鐵塔運(yùn)行狀態(tài)智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)鐵塔運(yùn)行姿態(tài)（沉降/傾斜）、接地網(wǎng)阻值、接地引下線狀態(tài)，最后通過無線通信將結(jié)果發(fā)到狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作站，從而將常規(guī)的周期巡檢變成實(shí)時(shí)在線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行示例，驗(yàn)證了鐵塔運(yùn)行狀態(tài)智能在線監(jiān)測(cè)具有很強(qiáng)的實(shí)用性、可靠性、穩(wěn)定性，值得在電力鐵塔輸電線路中推廣使用。

【關(guān)鍵詞】鐵塔；沉降/傾斜；接地網(wǎng)；接地引下線；智能在線監(jiān)測(cè)

【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

近年來，隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，供電需求量逐年增長(zhǎng)，相應(yīng)的，對(duì)于供電可靠性要求越來越高。鐵塔作為輸電線路的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著安全可靠輸送電能的重要任務(wù)，因此，鐵塔的可靠穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。目前，對(duì)鐵塔運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)采用計(jì)劃周期巡檢方法，存在一定的安全隱患與不足，從而需要一種新的方法來解決當(dāng)前運(yùn)行現(xiàn)狀中存在的隱患以及目前采取措施存在的不足。

1 當(dāng)前運(yùn)行現(xiàn)狀及產(chǎn)生隱患的原因

現(xiàn)階段由于諸多原因?qū)е妈F塔的運(yùn)行現(xiàn)狀還存在很大的安全隱患，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）高壓輸電線路受自身重力、外界風(fēng)沙、暴雨、冰雪等環(huán)境作用，鐵塔地基容易發(fā)生傾斜、開裂、滑移等現(xiàn)象，從而引起鐵塔變形、傾斜、甚至倒塔斷線。鐵塔傾斜容易導(dǎo)致電氣安全距離不夠，影響輸電線路正常運(yùn)行，倒塔斷線將使供電線路陷于癱瘓，嚴(yán)重時(shí)將影響到供電安全和供電可靠[1]。

（2）隨著環(huán)境條件的不斷變化，極端天氣時(shí)有發(fā)生，雷雨天氣不斷增多，雷擊引起輸電線路跳閘故障日漸增多，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞、大面積停電、電網(wǎng)瓦解等惡性后果。

（3）鐵塔接地網(wǎng)土壤電阻率發(fā)生變化，接地網(wǎng)腐蝕，氣象環(huán)境變化等，導(dǎo)致鐵塔在運(yùn)行過程中接地網(wǎng)接地電阻增大，達(dá)不到防雷效果。

（4）鐵塔接地引下線與接地體之間接觸不良，接地點(diǎn)脫落或接觸不可靠，起不到防雷泄流的作用。

2 目前采取措施及不足

針對(duì)目前電力鐵塔運(yùn)行現(xiàn)狀，檢測(cè)主要采取如下措施：

（1）采用周期巡檢方式來人為觀測(cè)鐵塔運(yùn)行姿態(tài)，這是當(dāng)前常規(guī)的檢測(cè)手段。

（2）由于防雷要求，需要快速的將雷擊電流通過鐵塔泄放到大地，行業(yè)內(nèi)基本做法是在鐵塔下面鋪設(shè)接地網(wǎng)，從而達(dá)到快速引流的作用，而接地網(wǎng)接地電阻值是常用的一種判斷接地網(wǎng)狀態(tài)的方式。

（3）按《架空送電線路運(yùn)行規(guī)程》的要求，需要定期對(duì)鐵塔接地電阻以及接地狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)檢測(cè)出接地電阻超標(biāo)以及接地狀態(tài)不可靠的鐵塔，更新和改造接地電阻值不滿足要求的接地線，必要時(shí)可增加線路接地線數(shù)量，對(duì)接地電阻值較大的，應(yīng)使用降阻劑、碳粉等將接地電阻值控制在合格范圍內(nèi)。

通過上面的這些措施雖然能發(fā)現(xiàn)一部分鐵塔狀態(tài)不正常的現(xiàn)狀，但還是存在一些不足：

（1）由于鐵塔運(yùn)行姿態(tài)（沉降/傾斜）的變化一般都是緩慢變化過程，在初期，巡線人員很難用肉眼觀察到微小的變化，另外，靠人力進(jìn)行的周期巡檢存在一定的主觀性，某些參數(shù)人工實(shí)測(cè)困難，無法滿足鐵塔實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，嚴(yán)重影響供電安全和工業(yè)生產(chǎn)，容易造成巨大損失[2-3]。

（2）受限于目前人力以及檢測(cè)設(shè)備功能性、便攜性方面原因，鐵塔接地網(wǎng)阻值以及接地狀態(tài)目前只能通過每年春檢進(jìn)行檢測(cè)分析，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將會(huì)存在接地網(wǎng)阻值增大或接地狀態(tài)已不能滿足要求，但因沒有發(fā)現(xiàn)而得不到及時(shí)的維修或更換，可能帶來很大的安全隱患和財(cái)產(chǎn)損失[4-5]。

3 鐵塔運(yùn)行狀態(tài)智能在線監(jiān)測(cè)方案

針對(duì)目前在電力鐵塔運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法中存在的隱患與不足之處，研制設(shè)計(jì)出了一套電力鐵塔運(yùn)行狀態(tài)智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過接地極接入地網(wǎng)來監(jiān)測(cè)接地電阻、通過接地引下線來監(jiān)測(cè)鐵塔接地狀態(tài)、通過姿態(tài)（沉降/傾斜）傳感器來收集鐵塔姿態(tài)變化情況，最后通過運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)結(jié)果發(fā)到狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作站或遠(yuǎn)程智能監(jiān)控終端。通過此在線系統(tǒng)，將常規(guī)的鐵塔定期巡檢變成實(shí)時(shí)在線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

電力鐵塔運(yùn)行狀態(tài)智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1。

通過在各鐵塔上安裝一套鐵塔運(yùn)行狀態(tài)智能在線裝置，此裝置能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)鐵塔的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（鐵塔沉降/傾斜、接地網(wǎng)阻值、接地狀態(tài)）。各裝置之間通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到后臺(tái)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作站，工作站也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)操作指令。在工作站中，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到各鐵塔監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)行狀況，如有閾值超標(biāo)，將及時(shí)報(bào)警，提醒運(yùn)行人員及時(shí)進(jìn)行維護(hù)、檢修。

電力鐵塔狀態(tài)智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)，需要系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)共同發(fā)揮作用，作為系統(tǒng)內(nèi)重要的在線監(jiān)測(cè)裝置的模塊設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 在線監(jiān)測(cè)裝置模塊設(shè)計(jì)框圖

Fig.2 Online Monitoring System Module Design Diagram

裝置通過對(duì)姿態(tài)傳感器（沉降/傾斜）、接地電阻監(jiān)測(cè)、接地引下線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的結(jié)果通過無線方式傳給遠(yuǎn)程終端或者狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作站，另外，裝置采用光伏/蓄電池雙電源供電方案。

4 系統(tǒng)功能

4.1 鐵塔姿態(tài)變化監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)對(duì)鐵塔姿態(tài)變化的監(jiān)測(cè)主要是利用InvenSence公司生產(chǎn)的傳感器 MPU6050，它是全球首例整合性六軸傳感器，集成了3 軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（Digital Motion Processor）。MPU6050的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec（dps），可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。

MPU6050是一款姿態(tài)傳感器，通過它可以得到待測(cè)物體（如鐵塔、平衡車）x、y、z軸的傾角（俯仰角 Pitch、滾轉(zhuǎn)角Roll、偏航角Yaw）。工作時(shí)，通過I2C可以讀取到MPU6050的六個(gè)數(shù)據(jù)（三軸加速度 AD 值、三軸角速度AD值）經(jīng)過姿態(tài)融合后就可以得到傾角[6-10]。

系統(tǒng)通過對(duì)傳感器 MPU6050采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以計(jì)算出該位置鐵塔的姿態(tài)變化情況，比如，鐵塔是否沉降/傾斜，沉降的深度，傾斜的角度，方便維護(hù)人員定位處理。

4.2 接地電阻監(jiān)測(cè)

通過將電極插入鐵塔的接地網(wǎng)中，對(duì)電極注入異頻信號(hào)，然后采集返回的電信號(hào)，在 MCU 內(nèi)部經(jīng)過處理，可以得出該鐵塔所處位置地網(wǎng)的接地電阻的趨勢(shì)變化情況，通過對(duì)趨勢(shì)曲線的判斷，裝置可以判斷出該位置鐵塔接地網(wǎng)運(yùn)行情況。另外，后臺(tái)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作站同時(shí)可以對(duì)多個(gè)鐵塔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在整條線路都安裝監(jiān)測(cè)裝置后，能得出整條輸電線路鐵塔的接地網(wǎng)運(yùn)行情況。

采用異頻信號(hào)注入電極的檢測(cè)技術(shù)，可以在系統(tǒng)不斷電的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。另外，由于采用異頻信號(hào)，可以解決地網(wǎng)中零序電流的干擾，同時(shí)高頻干擾問題也將迎刃而解。

裝置對(duì)接地電阻測(cè)量參數(shù)：

測(cè)試電壓：AC220V；

測(cè)試電流：≤5A；

測(cè)試頻率：異頻可設(shè)置；

測(cè)量范圍：0～600Ω，精度0.5%。

4.3 接地引下線監(jiān)測(cè)

接地引下線是鐵塔與地網(wǎng)的連接部分。在電力設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，連接處有可能因受潮等因素影響，出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)銹蝕、甚至斷裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致接地引下線與主接地網(wǎng)連接點(diǎn)電阻增大，從而不能滿足電力規(guī)程的防雷引流要求，使設(shè)備在運(yùn)行中存在不安全隱患[11]。

裝置通過線纜與接地引下線連接，內(nèi)部注入信號(hào)并計(jì)算導(dǎo)通電阻值結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷，一般情況下，測(cè)試結(jié)果是否正?？蓞⒖急?：

裝置對(duì)接地引下線導(dǎo)通電阻值測(cè)量參數(shù)如下：

測(cè)量范圍：1～1999mΩ；

分辨率：1mΩ。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

5.1 實(shí)例一

某地110KV 輸電線路53號(hào)鐵塔一直正常運(yùn)行，最近后臺(tái)工作站突然收到該鐵塔有傾斜告警，經(jīng)過線路維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)鐵塔確實(shí)有傾斜情況，確認(rèn)裝置上報(bào)告警準(zhǔn)確。

經(jīng)過綜合分析該53號(hào)鐵塔，它位置處于山區(qū)，近日連續(xù)暴雨后，該處位置有山體滑坡，導(dǎo)致該鐵塔發(fā)生傾斜。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鐵塔傾斜處理完成，然后對(duì)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)偏移的設(shè)置校準(zhǔn)后，裝置繼續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

5.2 實(shí)例二

某地維護(hù)人員收到后臺(tái)推送的信息，35KV XX輸電線路27號(hào)鐵塔出現(xiàn)接地電阻增大趨勢(shì)。維護(hù)人員將此位置記錄，待巡檢時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試接地網(wǎng)電阻，阻值7Ω，確認(rèn)監(jiān)測(cè)裝置采集準(zhǔn)確。

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)鐵塔位置的具體情況，使用物理降阻劑方式進(jìn)行了處理。

處理后再次使用儀器對(duì)該位置接地電阻進(jìn)行測(cè)量，阻值3.8Ω，滿足地網(wǎng)接地要求，后臺(tái)告警也消失。

5.3 實(shí)例三

某供電所110KV輸電線路正常運(yùn)行8年后，某日突然上報(bào)3號(hào)鐵塔接地引下狀態(tài)異常告警。

維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)接地引下線與主接地網(wǎng)處有節(jié)點(diǎn)腐蝕、斷裂現(xiàn)象，通過攜帶的接地引下線導(dǎo)通測(cè)試儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該接地引下線電阻值為520mΩ，由于接地引下線是電力設(shè)備與地網(wǎng)的連接部分，連接處出現(xiàn)了問題，這也導(dǎo)致接地引下線與主接地網(wǎng)連接點(diǎn)電阻增大，超過裝置設(shè)定的告警閾值，從而向后臺(tái)上報(bào)告警。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行處理，處理后使用儀器再次測(cè)試，電阻值為88mΩ，后臺(tái)告警消失，狀態(tài)為良好。

6 總結(jié)

文中通過對(duì)目前電力鐵塔運(yùn)行狀態(tài)的現(xiàn)狀及產(chǎn)生隱患原因的敘述，分析了當(dāng)前采取的措施以及不足之處，通過應(yīng)用鐵塔運(yùn)行狀態(tài)智能在線監(jiān)測(cè)解決方案，描述了裝置系統(tǒng)功能，最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例做了系統(tǒng)應(yīng)用的說明。通過對(duì)系統(tǒng)解決方案、功能的介紹以及實(shí)例的應(yīng)用，驗(yàn)證了此系統(tǒng)具有很好的實(shí)用價(jià)值，值得在電力鐵塔線路中推廣應(yīng)用。

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