電力設備周圍動土在線監(jiān)測裝置探討

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隨著大規(guī)模遠距離輸電技術的廣泛應用和迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)日益復雜和脆弱[1]，自然災害因其突發(fā)性和破壞性，已成為威脅電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素[2]。電力桿塔基礎是電力線路的重要組成部分，受線路走廊氣候和地形、區(qū)域地質(zhì)、巖土體類型以及地下水等因素的影響，桿塔基礎容易產(chǎn)生災變損傷及環(huán)境巖土工程問題，甚至發(fā)生倒塔事故[3]。根據(jù)《架空輸電線路運行規(guī)程DLT741-2010》[4]，6.4.2條“不同區(qū)域線路（區(qū)段）巡視周期的一般規(guī)定”：城市（城鎮(zhèn)）及近郊區(qū)域的巡視周期一般為1個月；遠郊、平原等一般區(qū)域的巡視周期一般為2個月。供電公司巡線部門克服困難，放棄休假日，每天翻山越嶺，根據(jù)規(guī)程要求的巡視周期按時完成巡線任務。但仍無法滿足實時發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災害的需求。因此通過技術手段，實現(xiàn)實時監(jiān)測桿塔基礎周圍的動土情況，預警電力設備周圍地質(zhì)振動，保證電力線路安全穩(wěn)定運行十分必要。本文研制了一套電力設備周圍動土在線監(jiān)測裝置，通過在桿塔基礎下方及外周地下布設多個位移傳感器，能實時檢測到地面發(fā)生垂直方向和水平方向位移,并通過無線通信技術進行報警。該系統(tǒng)能夠有效預判電力設備周圍土質(zhì)位移，對提升電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有實際意義。

1裝置總體方案

本文研制的電力設備周圍動土在線監(jiān)測裝置應用示意圖如圖1所示。其采集裝置主要包括：埋設在桿塔下方地基內(nèi)的位移傳感器、處理器和無線發(fā)射模塊；設置在桿塔基礎下方的中心位移傳感器，圍繞中心位移傳感器設置在地基內(nèi)的多個內(nèi)部位移傳感器。為了可以監(jiān)測到距桿塔基礎中心8米圓周內(nèi)寬度大于8mm的相對位移，滿足監(jiān)測報警的需求，本文將總體方案分為位移檢測部分、通信與控制部分、電源部分，如圖2所示。其中，電源部分包括存儲模塊和電能管理模塊，為通信及控制部分提供電能；位移檢測部分包括位移傳感器模塊和越限觸發(fā)模塊，來感知土層裂縫（相對位移），當寬度大于8mm時接通內(nèi)部開關，將電能送到通信及控制部分；通信及控制部分包括保護單元模塊、信息通道模塊和控制中樞模塊，其功能為對位移檢測單元輸送來的電信號進行報警。下面分別介紹各部分的組成及功能。

2電源部分

2.1存儲模塊及充電器

由于桿塔較多，監(jiān)測設備運行環(huán)境惡劣，若存儲模塊續(xù)航能力較差，則更換電池工作將十分繁重，因此要求存儲模塊續(xù)航能力強，能夠為監(jiān)測設備提供持續(xù)2年運行的電源。本文選用具有更強續(xù)航能力的超級電容。對于超級電容的充電方式，本文對比了恒流充電、無線脈沖充電、恒壓充電，3中充電方式，最終選擇無線脈沖充電方式，雖然無線脈沖充電耗電量最多，效率最低，但是后期不需要維護成本，充電時不需要使用插頭，更方便。無線脈沖充電器包括高頻逆變單元、整流單元以及充電線圈。2.1.1高頻逆變單元高頻逆變模塊將前級直流電轉(zhuǎn)化成高頻的交流電，并通過發(fā)射線圈以電磁場的形式發(fā)射出去，為后面的接收線圈提供能量。本文選用全橋逆變方案，其傳輸效率高、烤機溫度低、抗干擾能力強。2.1.2無線充電線圈無線電能傳輸裝置中，發(fā)射線圈和接收線圈常常用絲包線和漆包線兩種繞制方案，如圖3所示。由于漆包線方案的直流電阻值小、耐壓值高、價格稍高，本文選用盤式絲包線。（a）盤式絲包線（b）無骨漆包線圖3全橋逆變方案

2.2電能管理模塊

本監(jiān)測裝置采用超級電容供電，因此需要借助電能管理模塊將其功耗降低。本文采用位移觸發(fā)開機方法，即把并聯(lián)觸發(fā)的常開觸點串聯(lián)到超級電容的供電回路中，若桿塔基礎周圍的土質(zhì)沒有相對位移，則并聯(lián)觸發(fā)的常開觸點保持斷開，監(jiān)測裝置的通信與控制部分無電，無耗能；當土質(zhì)發(fā)生相對位移時，串聯(lián)觸發(fā)的常開觸點閉合，監(jiān)測裝置的通信與控制部分通電開機，同時撥打報警電話。

3位移檢測部分

位移檢測部分的作用是感知到距桿塔基礎中心8米圓周內(nèi)出現(xiàn)的裂縫寬度大于8mm限值時，觸發(fā)報警，分為位移傳感器模塊和越限觸發(fā)模塊。

3.1位移傳感器模塊

位移傳感器都是成對使用的，工作時兩個傳感器可以檢測兩者之間的相對位移[5]。多對位移傳感器在桿塔基礎周圍的土質(zhì)中布置方式有兩種，點式布置和線式布置[6]，如圖4所示。由于線式布置傳感器的偏移距離大、檢測距離遠，因此，本文選擇線式布置傳感器。線式布置的傳感器又分為非接觸式內(nèi)外位移傳感器和接觸式內(nèi)外位移傳感器。其中非接觸式內(nèi)外位移傳感器是指的兩個位移傳感器通過無線測量兩個傳感器之間的相對位移；接觸式內(nèi)外位移傳感器指的是兩個位移傳感器通過一根耐腐蝕的尼龍繩連接，當兩個傳感器發(fā)生相對位移時，可以直接感知到。由于接觸式內(nèi)外位移傳感器檢測誤差直方圖呈正態(tài)分布，相對誤差較小，所以接觸式位移傳感器。

3.2越限觸發(fā)模塊

越限觸發(fā)模塊的作用是當內(nèi)外位移傳感器的相對位移大于8mm時，發(fā)出觸發(fā)信號，分為串聯(lián)觸發(fā)預警和并聯(lián)觸發(fā)預警兩種方式，如圖5所示。本文選擇占用處理器I/O端口少，響應速度快的“并聯(lián)觸發(fā)報警”。

4通信與控制部分

4.1保護單元模塊

監(jiān)測儀無線充電裝置的保護模塊包含過電流保護、過電壓保護、過充保護和過放保護等。常用的保護模塊組合形式分為單保護疊加結(jié)構(gòu)和多保護集成結(jié)構(gòu)，由于后者靈敏度較高，尺寸較小方便在監(jiān)測儀上進行安裝，本文選用多保護集成結(jié)構(gòu)保護單元。

4.2信息通道模塊

數(shù)據(jù)的上傳方式，本文采用運行在公網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術NB-iOT傳輸，其地下穿透能力達235cm。能夠滿足Q/GDW567-2010《配電自動化系統(tǒng)驗收技術規(guī)范》[7]中對通信系統(tǒng)的丟包率的要求是小于0.1%，傳輸速率要求無線傳輸速度不低于2.4kb/s的要求。

4.3控制中樞模塊

本文控制中樞選用體積小、功耗低、性能高的ARM處理器，其內(nèi)部包括大量寄存器，具有指令執(zhí)行速度快，尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高等優(yōu)點。

5結(jié)語

本文采用現(xiàn)代電子和通信技術，創(chuàng)新研究了一種適用范圍廣的電力設備周圍動土在線監(jiān)測裝置，能夠有效提高電力線路基礎體對強風雨極端氣候條件的監(jiān)測能力。

參考文獻

[1]曹一家,王光增.電力系統(tǒng)復雜性及其相關問題研究[J].電力自動化設備,2010,30(02):5-10.

[2]韓波.滑坡災害下電網(wǎng)易損性評估模型研究[D].重慶大學,2016.

[3]史天如,周月華,葉麗梅,李蘭.2012年8月6日谷城倒塔事故與暴雨洪澇影響調(diào)查分析[J].暴雨災害,2021,40(02):182-189.

[4]DL/T741-2010，架空輸電線路運行規(guī)程[S]

作者：尚將 鄔旭峰 朱澤鑫 許都 項光耀 單位：國網(wǎng)浙江省電力有限公司臺州市黃巖區(qū)供電公司