張龍，白志強，王瑞，趙貴勇，陳紅艷

(1.內蒙古工業(yè)大學 電力學院，內蒙古 呼和浩特 010080;2.內蒙古超高壓供電局，內蒙古 呼和浩特 010080;3.國網(wǎng)內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

輸電線路絕緣子所處環(huán)境的特殊性，造成了其發(fā)生閃絡的隨機性，而且絕緣子數(shù)量龐大，分布面積廣，為工作人員及時確定閃絡絕緣子位置從而消除缺陷帶來了極大的不便。目前輸電線路絕緣子閃絡定位主要有觀測法、紫外檢測法、超聲波檢測法等，近年來隨著科技的進步，也出現(xiàn)了通過監(jiān)測絕緣子泄漏電流，并利用通信網(wǎng)絡傳輸相關信息的遠程在線定位系統(tǒng)。然而上述方法均存在缺點，如觀測法不夠準確、可靠性差，紫外檢測法受觀測角度影響，超聲波檢測法在線使用不夠靈活等［1-3］。遠程定位系統(tǒng)作為一種新型方法，其監(jiān)測終端大都安裝在架空線路絕緣子附近，并且絕大多數(shù)都使用太陽能或風能供電［4-5］，然而此供電方式受氣候條件影響較大，且缺乏長期免維護能力。

本文設計研制了基于導線取能的輸電線路絕緣子閃絡遠程定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以迅速確定閃絡絕緣子的位置，并以上位機報警和手機短信的形式通知運行人員，為工作人員消除事故隱患贏得寶貴時間。尤其是該系統(tǒng)采用了導線取能的供電方式，使得系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)整體結構與工作原理

1.1 系統(tǒng)整體結構

該系統(tǒng)由羅氏線圈電流傳感器、監(jiān)測終端、監(jiān)測中心上位機等部分組成。對應每基桿塔三相絕緣子串設置三個監(jiān)測終端以及與之配套的三個羅氏線圈電流傳感器，如圖1所示，羅氏線圈電流傳感器套裝在絕緣子串與導線連接的金具上，監(jiān)測終端套裝在距離絕緣子串不遠的導線上，通過導線直接獲取電能，羅氏線圈電流傳感器延伸出來的信號線通過末端的航空插頭插到監(jiān)測終端的航空插座上。其中，B相監(jiān)測終端裝有兩根天線，一根天線用于GSM通信，另一根用于ZigBee通信;A、C相監(jiān)測終端各裝一根天線，用于ZigBee通信。遠程監(jiān)測中心的上位機也安裝有GSM天線，用于同B相監(jiān)測終端通信。

1.2 系統(tǒng)工作原理

絕緣子發(fā)生閃絡時，其表面就會有大電流流過，系統(tǒng)利用羅氏線圈電流傳感器采集該電流，并輸出一個電壓信號，監(jiān)測終端接收到電壓信號后，對其進行分析與處理，進而通過通信網(wǎng)絡將閃絡絕緣子所在的桿塔號及相別以手機短信的方式發(fā)送給上位機，上位機報警后，同時給工作人員手機發(fā)送報警短信，工作人員即可迅速獲得閃絡絕緣子的確切位置。

圖1 系統(tǒng)整體結構示意圖

2 羅氏線圈電流傳感器的設計

羅氏線圈是均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形空心線圈［6］，可以直接套在被測量的導體上來測量交流電流，被測電流沿軸線通過羅氏線圈時，在環(huán)形繞組所包圍的體積內產(chǎn)生相應變化的磁場，從而在線圈上產(chǎn)生感應電壓。羅氏線圈作為采集電流的傳感器，可以測量頻率從幾赫茲到1 M赫茲，幅值從幾安培到幾百千安培的電流，具有極佳的瞬態(tài)跟蹤能力，還可以用于測量形狀不規(guī)則的導體電流。

根據(jù)本系統(tǒng)設計要求，傳感器需要及時獲取絕緣子發(fā)生閃絡時形成的電流信號，而線路絕緣子閃絡電流值能達到千安數(shù)量級，且一次閃絡持續(xù)時間為微秒數(shù)量級［7］，因此對傳感器的性能提出了很高的要求。而羅氏線圈的測量靈敏度、結構參數(shù)的穩(wěn)定性與其制作工藝有著密切聯(lián)系，因此需對其做出合理設計。

圖2 自制的羅氏線圈電流傳感器

在羅氏線圈電流傳感器的設計過程中，主要考慮了線圈的繞線材料、環(huán)形骨架材料等。經(jīng)過一系列實驗測試，最終選用直徑為0.3 mm的漆包線繞在環(huán)氧樹脂骨架上［8］。自制的羅氏線圈電流傳感器如圖2所示，線圈整體用絕緣套包裹，防止雜散電磁場對整個測量回路的干擾，并引出一根長度為2.5 m左右的輸出信號線，信號線末端接連航空插頭，以便插到監(jiān)測終端的航空插座上。自制的羅氏線圈電流傳感器性能高，結構簡單，安裝方便，套裝在絕緣子串與導線連接的金具上，無需改動桿塔原有結構。

3 監(jiān)測終端整體設計

系統(tǒng)監(jiān)測終端對羅氏線圈電流傳感器采集到的絕緣子閃絡電信號進行分析與處理，并控制系統(tǒng)正常通信，整體結構包括:電源模塊、微處理器模塊、閃絡電信號處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、儲存單元模塊等。其中，閃絡電信號處理模塊、微處理器模塊同以往的遠程在線定位系統(tǒng)相類似，這里不再贅述，下面主要介紹本系統(tǒng)獨特的電源模塊和數(shù)據(jù)通信模塊設計。

3.1 導線取能聯(lián)合鋰電池供電電源的設計

系統(tǒng)監(jiān)測終端安裝環(huán)境的特殊性對電源供給提出了很高的要求［9］。為了解決電源供給難題，保證對監(jiān)測終端的連續(xù)和穩(wěn)定供電，本系統(tǒng)設計了一種新型供電方式，即導線取能(從架空導線上直接獲取電能，本文簡稱“導線取能”)與鋰電池聯(lián)合供電。

導線取能是在導線上套裝電流互感線圈，利用線圈感應導線周圍變化的磁場，將導線能量轉換到線圈二次側，并經(jīng)過一系列電路的處理最終輸出直流穩(wěn)定電壓［10-11］，為監(jiān)測終端核心電路板供電，同時給鋰電池充電。鋰電池容量為10.5 AH，可保證系統(tǒng)在線路不帶電情況下連續(xù)運行1個多月，而且為了延長鋰電池的使用壽命，設計了鋰電池充放電保護電路，充電時，當鋰電池的電壓充的過高，保護電路則停止對鋰電池充電，以防止電池充爆;放電時，當鋰電池電壓過低，保護電路則停止放電，以防止鋰電池虧損。電源模塊工作原理如圖3所示。

圖3 電源模塊工作原理框圖

本系統(tǒng)設計的取能線圈為開合式電流互感線圈，同樣引出一根輸出信號線，信號線末端連接有航空插頭，安裝時，先將取能線圈打開，把導線固定在線圈內部，如圖4(a)所示，然后將取能線圈閉合，同時把其信號線航空插頭插到監(jiān)測終端航空插座上，如圖4(b)所示。

圖4 取能線圈安裝示意圖

3.2 數(shù)據(jù)通信模塊的設計

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信由兩個部分組成:A、C相監(jiān)測終端通過Zig-Bee無線通訊網(wǎng)絡與B相監(jiān)測終端通信;B相監(jiān)測終端、監(jiān)測中心上位機、工作人員手機之間通過GSM網(wǎng)絡通信。具體通信方式為:若B相絕緣子串發(fā)生閃絡，則B相監(jiān)測終端直接通過GSM網(wǎng)絡將閃絡信息傳送到上位機，上位機再發(fā)送報警短信給工作人員;若A、C相絕緣子串發(fā)生閃絡，則A、C相監(jiān)測終端首先通過ZigBee無線通訊網(wǎng)絡與B相監(jiān)測終端通信，再由B相監(jiān)測終端通過GSM網(wǎng)絡將閃絡報警信息發(fā)送給上位機和工作人員手機。其中，ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通訊技術，主要用于距離短、功耗低的各種電子設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸［12］。ZigBee技術在A、B、C三相監(jiān)測終端之間通信的應用，大大降低了系統(tǒng)功耗和成本，使得系統(tǒng)運行更加安全穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 監(jiān)測終端程序設計

程序采用了模塊化的設計思想，具有較高獨立性。系統(tǒng)每次開機后，即進入初始化過程，系統(tǒng)先給各模塊初始化，之后檢查是否有新的設置信息，包括桿塔地址、絕緣子串相別和手機號碼，如果有，則提取設置信息寫入到存儲模塊，并將設置結果回復給設置手機;如果沒有，定時5分鐘后，切斷GSM模塊電源，系統(tǒng)進入正常監(jiān)測模式(低功耗狀態(tài))。當輸電線路桿塔某相絕緣子串發(fā)生閃絡，羅氏線圈電流傳感器檢測到閃絡電流，經(jīng)閃絡電信號處理模塊，閃絡信號觸發(fā)單片機中斷，將單片機從低功耗模式下喚醒，并接通GSM模塊電源，從而啟動GSM模塊，單片機從存儲模塊中讀取桿塔地址、絕緣子串相別和手機號碼，通過GSM通信模塊將閃絡信息及時發(fā)送給監(jiān)控中心上位機和工作人員手機，通信完畢后系統(tǒng)自動進入低功耗狀態(tài)，繼續(xù)實時監(jiān)測閃絡信號。程序流程見圖5。

圖5 程序流程圖

4.2 上位機軟件設計

上位機軟件由專家系統(tǒng)構成，具體包括以下幾個功能模塊:GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊、報警信息查詢模塊等。監(jiān)測中心專家系統(tǒng)結合相關專業(yè)知識、工作人員運行經(jīng)驗，通過模糊診斷技術對監(jiān)測終端傳輸來的數(shù)據(jù)進行分析處理，從而判斷所監(jiān)測的絕緣子是否發(fā)生閃絡。而且專家系統(tǒng)集中管理閃絡信息及當時環(huán)境參數(shù)，提供具體和全面的歷史數(shù)據(jù)分析、查詢和打印。上位機軟件界面如圖6所示。

圖6 絕緣子閃絡定位系統(tǒng)上位機軟件界面

5 實際應用情況

基于導線取能的絕緣子閃絡遠程定位系統(tǒng)于2013年9月25日在內蒙古超高壓供電局所屬500 kV汗旗Ⅰ線進行了現(xiàn)場安裝，安裝完成至今，運行情況良好，對輸電線路的正常運行沒有產(chǎn)生任何影響，并已多次迅速、準確定位閃絡絕緣子，而且統(tǒng)計結果表明，從絕緣子閃絡到工作人員手機接收到報警短信所需時間為72秒左右，具體收到報警短信所用的時間根據(jù)GSM網(wǎng)絡狀況不同會略有差別。

6 結束語

本文設計研制的基于導線取能的絕緣子閃絡遠程定位系統(tǒng)具有以下特點:

(1)自制的羅氏線圈電流傳感器靈敏度高、測量頻率寬、抗干擾能力強，能夠實時精確捕捉絕緣子閃絡電信號，且結構簡單、成本低廉、易于安裝。

(2)導線取能聯(lián)合鋰電池供電的方式保證了對監(jiān)測終端的連續(xù)和穩(wěn)定供電，解決了在線監(jiān)測裝置電源供給的難題。

(3)監(jiān)測終端A和監(jiān)測終端C通過具有近距離、低功耗、低成本的雙向無線ZigBee通訊模塊與監(jiān)測終端B通信，大大降低了系統(tǒng)功耗和成本;監(jiān)測終端B、監(jiān)測中心上位機、工作人員手機通過現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡通信，無需自行搭建通訊網(wǎng)絡，具有運行費用低，穩(wěn)定可靠，覆蓋范圍廣等優(yōu)點。

(4)定位準確，反應迅速靈敏，能夠在極短的時間內將閃絡絕緣子所在的桿塔號和相別等信息通知給工作人員，為工作人員消除事故隱患贏得寶貴時間，極大地節(jié)約了人工巡線的時間和成本。

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