输电线路状态监测与智能化运行维护

输电线路状态监测与智能化运行维护国网电力科学研究院2010.4智能电网输电环节发展规划中明确提出了智能输电技术的五大特征为：•勘测数字化•设计模块化•运行状态化•信息标准化•应用网络化线路状态监测电力电源模块数据采集模块图像监测与处理模块专家系统数据传输模块泄漏电流传感工业摄像头紫外脉冲传感光纤盐密传感风偏传感气象参数传感覆冰厚度传感杆塔倾斜传感导线金具状态传感线路状态监测原理图绝缘子污秽的在线监测随着工农业生产的日益发展,供电系统中的绝缘子污染日益严重,绝缘子上沉积的污秽物在湿度较大的天气中很容易发生污闪,严重影响供电系统的可靠性。由于污秽而引起的绝缘闪络事故次数目前在电网的总事故次数中已占居第二位，仅次于雷害事故，而污闪事故造成的损失却是雷害事故的10倍。由此可以看出，污闪事故已严重威胁着电网的安全稳定运行，从而开展绝缘子污秽状况在线监测是十分必要的。监测的主要参数绝缘子表面的污秽积累是有一定过程的，其严重程度取决于多种因素（如：分布地区的温度、湿度、风速、雨雾、污源性质、数量及绝缘子外型构造等等），是一个典型的非线性多变量函数关系。要检测绝缘子污秽运行状况，首先需要分析表征绝缘子运行状态的主要参数，目前常用的表征污秽绝缘子运行状况的主要有：等值附盐密度（ESDD）、泄漏电流、表面污层电导率（SPLC）以及闪络电压。监测方法一：通过泄漏电流在线监测表征污秽状态泄漏电流是指在运行电压作用下污秽受潮时，流过绝缘子表面污层的电流。它是电压、气候、污秽三要素的综合反映和最终结果，它表征了绝缘子外绝缘水平下降的程度，故一直被用作监测污秽绝缘子运行状态。通常用泄漏电流的3个特征量作为表示污秽度的参数，即：运行电压下泄漏电流最大脉冲幅值、超过一定幅值的泄漏电流脉冲数、电流的有效值。泄露电流提取方法（1）直接提取直接提取法可分为2种方式。一种是使用无感电阻串入回路中，通过测量电阻两端电压间接求取泄漏电流，这种方式比较麻烦，使用较少；另一种是利用泄漏电流沿面形成的原理，在绝缘子串铁塔侧的某片绝缘子上方安装一引流装置，将泄漏电流通过双屏蔽线引入安装于铁塔中部的数据采集单元中。此方式有利于采集微弱电流信号，保证信号采样不失真，且无需停电安装，使用方便。但是它需要将测量单元引入运行回路中，当出现闪络时，产生的大电流流过测量回路，因此对保护电路要求很高。（2）使用穿心式电流互感器提取使用穿心式电流传感器则是将高精度的环形电磁式互感器安装于接地引下线或者挂环处。监测回路与泄漏电流相隔离，没有电的联系，不必考虑电流泄放问题。但当泄漏电流信号较小时，难以达到高的测量精度，且受现场运行中的磁场干扰也较为严重。现有的监测泄漏电流原理图监测脉冲数的原理图同时测量局部放电脉冲数与电流有效值的原理图放大比较电源时钟计数比较发报实时泄漏电流波形工频泄漏电流波形处理：两波形比较脉冲数实时脉冲数电流有效值分析处理保持滤波脉冲门槛监测方法二：光传感器监测盐密清洁时，大部分光能在光波导的芯中传播，少部分光能沿芯包界面的包层传输，光传播过程中的损耗很小。沾污时，污染粒子对光能有吸收和散射的作用，导致光能损耗。传感器与绝缘子处于同样环境下，通过检测光在传输过程中的损耗就可以达到定量检测污秽物的目的。光传感器由激光光源、传感器芯和光检测器三部分组成。要求激光光源输出光功率稳定、光斑小而且均匀、温度稳定性高以及较大的输出功率。对光检测器的要求是，量子效率高、低暗电流和线性度好。传感器芯要求其几何尺寸均匀、纯度高、损耗小以及折射率分布稳定等。激光器传感器芯光检测器光传感器构成监测方法三：紫外脉冲法大气压下高压电气设备的放电光谱包括近紫外、可见光、红外3个谱段。对于设备表面的局部放电检测，用紫外光作为检测信号比可见光和红外线更加灵敏。原理紫外脉冲法采用高灵敏度的日盲型紫外探头，监测绝缘子串放电的紫外光。对接收到的紫外光进行分析，以判断绝缘子的放电强弱，从而判定其污秽状态。绝缘子表面局部放电频率（次数）和污秽发展状况有明显关系。清洁绝缘子放电少，而污秽绝缘子在湿度较大时放电现象明显。可根据放电频率来判断绝缘子状况。在非预报区放电次数较少，在预报区绝缘子放电逐渐增加，在危险区放电次数剧烈增加。实施模块框图电源和驱动模块紫外传感模块紫外光路系统液晶显示报警电路数据传输数据存储信号及数字处理由紫外光路系统、日盲型紫外传感模块、信号及数字处理模块等组成。特点是：远距离、非接触、高灵敏、安全性好。风偏在线监测据统计,2004年国网公司所辖线路共发生风偏跳闸151次，其中500kV(含330kV)线路39次，220kV线路112次，范围涉及江苏、浙江、安徽、湖北、河南、山东、山西、北京、河北、内蒙古、黑龙江、辽宁等地。上述跳闸中500kV(含330kV)线路有13起，220kV线路有24起重合不成功，且强送也不成功。2005年1～10月共发生风偏跳闸67次，其中500kV线路9次，330kV线路2次，220kV线路56次，主要涉及山西、山东、福建、湖北、河南、新疆等地。可见，对于风偏的在线监测是十分必要的。风偏放电是在强风天气或微地形地区产生飑线风条件下发生的。发生风偏放电的本质原因是由于在外界各种不利条件下造成输电线路的空气间隙距离减小，当此间隙距离的电气强度不能耐受系统最高运行电压时便会发生击穿放电。由于风的持续时间多超出重合闸动作时间段，使得重合闸动作时，放电间隙仍然保持着较小的距离；同时，重合闸动作时，系统中将出现一定幅值的操作过电压，这样就导致间隙再次放电，并且第二次放电在放电间隙较大时就可能发生。因此，输电线路发生风偏放电时，重合闸成功率较低，严重影响供电可靠性。通过对导线风偏角进行监测，可以实时计算导线偏移量，同时记录导线运动轨迹，以实现对导线风偏的在线监测。覆冰在线监测许多地区因冻雨覆冰而使输电线路的荷重增加，造成断线、倒杆(塔)、闪络等事故。例如，1932年在美国首次出现有记录的架空线覆冰事故；2004年12月和2005年2月，中国部分地区500kV线路出现较大范围内的冰闪跳闸、导线舞动和倒塔断线事故,尤其是华中地区历史上罕见的雨凇天气导致输电线路大范围覆冰，部分线段覆冰厚度明显超出线路机械承载能力，线路杆塔倒塌情况严重，直接影响输电网正常运行。对输电线路覆冰情况进行在线监测，对预防覆冰故障有着重要的意义。线路覆冰机理线路覆冰主要形成原因是冷暖空气的交汇，仅有冷空气经过时，虽刮风、降温，但不降雨雪。当冷空气和南方暖湿气流都不够强时，有雨雪和少量覆冰，对线路影响不大。但是当冷暖空气的势力都比较强，且交汇的时间又比较长时，就可能形成覆冰，造成线路故障。线路覆冰按冻结性质可分为雨淞、混合冻结、雾淞和冻雪等4种，其形成的气象条件各有差别。覆冰主要受气象条件、地形因素和线路自身特点三者的综合影响。例如在较高海拔地区的线路形成覆冰的机率较大，同样同一地点的覆冰厚度还与架空线路的高度、线径、方向、档距及当地的地形和海拔高度有关系。跨越河流或山谷口、风道等处时也容易形成覆冰。实现方法通过杆塔负荷监测、导线温度和倾角监测、杆塔视频监测和塔上气象监测仪配合，实现对线路覆冰的实时综合监测。（1）倾角－弧垂实时测量法线路覆冰时最明显的是导线弧垂的增加。可用国内外现有的温度－倾角测量仪直接测量导线温度和导线倾角，从而计算导线弧垂。装置包括电源模块、温度传感模块、高精度角度传感模块等。（2）视频监控法视频监控是随着电子技术的进步发展起来的新技术，多年来已在电厂和变电站的监控中有了很大的应用，目前在输电线路监控中也开始逐步应用。该方法是将被监测线路现场图像信息传输到监控中心的服务器上，运行管理人员通过监控中心的服务器或者进行远程登录，以查看被监测线路的实时图像信息，从而实现对输电线路的监测。利用这种方法可实时观察导线和绝缘子串覆冰形成和发展的情况，判断覆冰的严重程度，以便及时做出处理意见。1月19日，气温也在0度以下，白天的覆冰有较大的增长量。早上8：00拍摄的图片覆冰状况实时监控效果下午17：30拍摄的图片（3）杆塔荷载测量法线路覆冰后，杆塔所受的静荷载明显增加，且增加量与覆冰量相关。通过对绝缘子挂点处负荷进行测量，并结合视频监控等手段，可实时掌握线路覆冰情况。（4）单一气象监测法这种监测方法实时监测可能导致线路覆冰的气象条件，以便及早采取措施。比如调整负荷，增加线路电流，提高导线温度，防止产生导线覆冰。安装在杆塔上（或监测线段附近）。监测内容包括：环境温度、湿度、风速、风向、雨量和太阳幅射等。总的来讲，对覆冰的在线监测，首先应从气象监测数据了解线路附近气象环境的变化，判断是否能形成覆冰的气象条件；再通过视频的方法观察雨雪情况、绝缘子串和导线上是否出现了覆冰以及覆冰发展趋势；最后根据实测的导线倾斜角变化和计算的导线弧垂变化情况，确定导线覆冰的严重情况。杆塔倾斜在线监测杆塔倾斜是输电线路稳定运行的主要威胁之一。轻微的杆塔倾斜会使导地线、绝缘子串和接续金具受力不平衡，缩短绝缘空气间隙，严重的杆塔倾斜会发展成倒塔，造成线路断线或引起连锁反应，使几基甚至十几基杆塔倾覆，导致输电线路重大事故的发生，并且短期内难以恢复。由于特高压线路将成为我国电网的核心，如果杆塔倾斜造成特高压线路长期无法正常运行将造成严重的经济和政治影响。因此检测杆塔倾斜是特高压线路检测工作的重要部分之一。杆塔倾斜在线监测装置示意图定期检测与在线监测相结合的方法对于一般杆塔采用定期检测的方法，而对于位于复杂地质结构区域的“高危”杆塔安全杆塔倾斜在线监测设备，这样既可以有效地避免线路发生杆塔倾斜事故，又可以适当的调整定期检测的间隔，达到事半功倍的效果。目前杆塔检测工作从技术上还存在着一些不足。首先需要提高目前检测方法的效率，尽量缩小检测工作所需要的空间，提高方法的现场适用性；另外通过相关试验以及试运行来检验杆塔倾斜在线监测装置的可靠性（包括检测的可靠性及检测结果传送的可靠性），提高装置寿命，降低装置成本，使在线监测装置能够可靠地、实时地预警。导线及金具缺陷在线监测输电线路导地线及接续金具本身的完好对输电系统的安全运行极为重要。输电线路导地线及接续金具在多种应力的长期作用下会导致材质脆变，雷击闪络、外力破坏等会引起表面或内部损伤，尤其是在海滨及工业区的输电线更容易受到腐蚀，致使输电线路导地线及接续金具产生裂纹、断股等缺陷，严重影响甚至危及系统的安全运行。因此，对输电线路导地线及接续金具进行监测是十分必要的。近年来随着线路在线监测技术研究的不断深入，出现了一些输电线路导地线及接续金具在线监测的新方法、新装置，目前发展有潜力的有红外热成像在线监测装置和紫外成像在线监测装置。红外热成像在线监测装置一般由红外热成像仪、数据传输环节和后台处理单元组成。红外热成像仪安装于监测对象附件的杆塔上。根据输电线路通电时，有缺陷处和无缺陷处发热的红外辐射场不同的原理对导地线与接续金具的缺陷进行检测。红外热成像仪应图像清晰、稳定，不受测量环境中高压电磁场的干扰，具有必要的图像分析功能，具有较高的温度分辨率。空间分辨率应满足实测距离的要求，具有较高的测量精确度和合适的测温范围。红外热成像在线监测装置目前还存在着技术缺陷。其中最主要的是只有在检测环境、被测设备都满足一定要求时才能开展。极大地限制了红外成像检测方法在输电线路导地线及金具检测中的运用。必须在被测线路带电且电流较大的情况下才能进行。对检测环境的要求极为苛刻。例如使用红外成像方法进行室外检测，应在日出之前、日落之后或阴天进行。紫外成像在线监测装置也是目前出现的一种新的对输电线路导地线、接续金具及各种带电设备的在线监测装置。该装置具有快速直观、自动化程度高的特点。相对于红外热成像在线监测装置，紫外成像在线监测装置对检测环境的要求较宽松，适用性强。当带电的电气设备发生局部放电或电晕时，会伴随着辐射出紫外线，与红外线一样，紫外线也是电磁波中的一部分。通过试验，人们发现：在地面上的太阳光谱中，缺失了紫外线波段范围中小于300nm的这一部分，人们把这一部分称为“紫外盲区”。究其原因，是由于地球上空的臭氧层吸收了这一部