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电力设备周围动土在线监测装置探讨

时间：2022-07-27 11:31:34

电力设备周围动土在线监测装置探讨

随着大规模远距离输电技术的广泛应用和迅猛发展，电力系统日益复杂和脆弱[1]，自然灾害因其突发性和破坏性，已成为威胁电力系统稳定运行的重要因素[2]。电力杆塔基础是电力线路的重要组成部分，受线路走廊气候和地形、区域地质、岩土体类型以及地下水等因素的影响，杆塔基础容易产生灾变损伤及环境岩土工程问题，甚至发生倒塔事故[3]。根据《架空输电线路运行规程DLT741-2010》[4]，6.4.2条“不同区域线路（区段）巡视周期的一般规定”：城市（城镇）及近郊区域的巡视周期一般为1个月；远郊、平原等一般区域的巡视周期一般为2个月。供电公司巡线部门克服困难，放弃休假日，每天翻山越岭，根据规程要求的巡视周期按时完成巡线任务。但仍无法满足实时发现地质灾害的需求。因此通过技术手段，实现实时监测杆塔基础周围的动土情况，预警电力设备周围地质振动，保证电力线路安全稳定运行十分必要。本文研制了一套电力设备周围动土在线监测装置，通过在杆塔基础下方及外周地下布设多个位移传感器，能实时检测到地面发生垂直方向和水平方向位移,并通过无线通信技术进行报警。该系统能够有效预判电力设备周围土质位移，对提升电网的安全稳定运行具有实际意义。

1装置总体方案

本文研制的电力设备周围动土在线监测装置应用示意图如图1所示。其采集装置主要包括：埋设在杆塔下方地基内的位移传感器、处理器和无线发射模块；设置在杆塔基础下方的中心位移传感器，围绕中心位移传感器设置在地基内的多个内部位移传感器。为了可以监测到距杆塔基础中心8米圆周内宽度大于8mm的相对位移，满足监测报警的需求，本文将总体方案分为位移检测部分、通信与控制部分、电源部分，如图2所示。其中，电源部分包括存储模块和电能管理模块，为通信及控制部分提供电能；位移检测部分包括位移传感器模块和越限触发模块，来感知土层裂缝（相对位移），当宽度大于8mm时接通内部开关，将电能送到通信及控制部分；通信及控制部分包括保护单元模块、信息通道模块和控制中枢模块，其功能为对位移检测单元输送来的电信号进行报警。下面分别介绍各部分的组成及功能。

2电源部分

2.1存储模块及充电器

由于杆塔较多，监测设备运行环境恶劣，若存储模块续航能力较差，则更换电池工作将十分繁重，因此要求存储模块续航能力强，能够为监测设备提供持续2年运行的电源。本文选用具有更强续航能力的超级电容。对于超级电容的充电方式，本文对比了恒流充电、无线脉冲充电、恒压充电，3中充电方式，最终选择无线脉冲充电方式，虽然无线脉冲充电耗电量最多，效率最低，但是后期不需要维护成本，充电时不需要使用插头，更方便。无线脉冲充电器包括高频逆变单元、整流单元以及充电线圈。2.1.1高频逆变单元高频逆变模块将前级直流电转化成高频的交流电，并通过发射线圈以电磁场的形式发射出去，为后面的接收线圈提供能量。本文选用全桥逆变方案，其传输效率高、烤机温度低、抗干扰能力强。2.1.2无线充电线圈无线电能传输装置中，发射线圈和接收线圈常常用丝包线和漆包线两种绕制方案，如图3所示。由于漆包线方案的直流电阻值小、耐压值高、价格稍高，本文选用盘式丝包线。（a）盘式丝包线（b）无骨漆包线图3全桥逆变方案

2.2电能管理模块

本监测装置采用超级电容供电，因此需要借助电能管理模块将其功耗降低。本文采用位移触发开机方法，即把并联触发的常开触点串联到超级电容的供电回路中，若杆塔基础周围的土质没有相对位移，则并联触发的常开触点保持断开，监测装置的通信与控制部分无电，无耗能；当土质发生相对位移时，串联触发的常开触点闭合，监测装置的通信与控制部分通电开机，同时拨打报警电话。

3位移检测部分

位移检测部分的作用是感知到距杆塔基础中心8米圆周内出现的裂缝宽度大于8mm限值时，触发报警，分为位移传感器模块和越限触发模块。

3.1位移传感器模块

位移传感器都是成对使用的，工作时两个传感器可以检测两者之间的相对位移[5]。多对位移传感器在杆塔基础周围的土质中布置方式有两种，点式布置和线式布置[6]，如图4所示。由于线式布置传感器的偏移距离大、检测距离远，因此，本文选择线式布置传感器。线式布置的传感器又分为非接触式内外位移传感器和接触式内外位移传感器。其中非接触式内外位移传感器是指的两个位移传感器通过无线测量两个传感器之间的相对位移；接触式内外位移传感器指的是两个位移传感器通过一根耐腐蚀的尼龙绳连接，当两个传感器发生相对位移时，可以直接感知到。由于接触式内外位移传感器检测误差直方图呈正态分布，相对误差较小，所以接触式位移传感器。

3.2越限触发模块

越限触发模块的作用是当内外位移传感器的相对位移大于8mm时，发出触发信号，分为串联触发预警和并联触发预警两种方式，如图5所示。本文选择占用处理器I/O端口少，响应速度快的“并联触发报警”。

4通信与控制部分

4.1保护单元模块

监测仪无线充电装置的保护模块包含过电流保护、过电压保护、过充保护和过放保护等。常用的保护模块组合形式分为单保护叠加结构和多保护集成结构，由于后者灵敏度较高，尺寸较小方便在监测仪上进行安装，本文选用多保护集成结构保护单元。

4.2信息通道模块

数据的上传方式，本文采用运行在公网的物联网技术NB-iOT传输，其地下穿透能力达235cm。能够满足Q/GDW567-2010《配电自动化系统验收技术规范》[7]中对通信系统的丢包率的要求是小于0.1%，传输速率要求无线传输速度不低于2.4kb/s的要求。

4.3控制中枢模块

本文控制中枢选用体积小、功耗低、性能高的ARM处理器，其内部包括大量寄存器，具有指令执行速度快，寻址方式灵活简单，执行效率高等优点。

5结语

本文采用现代电子和通信技术，创新研究了一种适用范围广的电力设备周围动土在线监测装置，能够有效提高电力线路基础体对强风雨极端气候条件的监测能力。

参考文献