黃雙得 許保瑜

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架空地線取能及微波探測在輸電線路外破監(jiān)測的研究應(yīng)用

黃雙得 許保瑜

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650011）

輸電線路周邊的施工行為日益增多，現(xiàn)有的外力破壞監(jiān)測方式主要有視頻、激光對射等，設(shè)備功耗大，實時工作對電源容量要求較高，而現(xiàn)有的外力破壞監(jiān)測裝置普遍采用太陽能方式供電，可靠性受天氣條件影響，難以保障監(jiān)測系統(tǒng)的可靠工作。針對以上問題，本文研究了一種采用架空地線感應(yīng)取電方式供電、基于低功耗微波探測技術(shù)的外破監(jiān)測方法，現(xiàn)場有異常情況時啟動圖像設(shè)備拍攝現(xiàn)場狀況取證，從而提高防外力破壞監(jiān)測系統(tǒng)工作的可靠性。

外力破壞；地線取電；微波探測；測距測速

隨著我國城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，高速鐵路、公路、樓房等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，輸電線路外力破壞的發(fā)生愈加頻繁。運行數(shù)據(jù)表明，吊車碰線、違章施工、盜竊等外力破壞故障已成為輸電線路事故跳閘和強迫停運的主要原因，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成了嚴(yán)重的威脅[1]。為了解決輸電線路外力破壞安全隱患，市面上出現(xiàn)了各種具備信號采集和報警功能的防外力破壞監(jiān)測裝置，其中主流的方法包括視頻監(jiān)控、激光對射布防等，以上方法能夠?qū)ν馄祁A(yù)防起到一定作用，但是在應(yīng)用過程中均存在局限性。主要表現(xiàn)在以下方面： ①視頻監(jiān)控流量費用高，且需要耗費大量人力進(jìn)行監(jiān)控；②激光對射布防需實時工作，功耗較高，且采用太陽能方式供電，可靠性難以保障。針對以上問題，本文對地線感應(yīng)取電技術(shù)及微波雷達(dá)探測技術(shù)展開研究，實現(xiàn)一種圖像監(jiān)拍裝置正常情況下休眠，僅低功耗微波雷達(dá)實時探測，一旦監(jiān)控區(qū)域出現(xiàn)異常，就啟動監(jiān)拍裝置拍攝現(xiàn)場圖片，并上報報警信息或啟動現(xiàn)場報警器的外破監(jiān)控方式，從而極大程度提高了外破監(jiān)測可靠性。

1 架空地線感應(yīng)取能研究

架空地線接地方式主要有兩種，分別是逐基接地及分段絕緣單點接地[2]。后者能夠有效降低地線感應(yīng)能量損耗，但是地線絕緣改造比較復(fù)雜，多在有融冰需求或線損較大的線路應(yīng)用，逐基接地仍為主要的接地方式。

兩根地線與三相導(dǎo)線的分布不完全對稱，導(dǎo)線中的交變電流在地線形成的金屬回路產(chǎn)生的磁通感應(yīng)出電勢，并在地線形成環(huán)流，電勢大小與三相導(dǎo)線電流大小、導(dǎo)線與地線的幾何位置關(guān)系相關(guān)，而環(huán)流大小則與地線回路中的電阻相關(guān)。逐基接地的地線取能原理可以等效為如圖1所示。

輸出功率與折算到原邊的負(fù)載大小相關(guān)，當(dāng)負(fù)載折算到原邊的阻抗與環(huán)路內(nèi)阻0相等時，能夠輸出最大功率，可通過匝數(shù)優(yōu)化設(shè)計提高其輸出功率。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，在匹配條件下，當(dāng)導(dǎo)線電流100A時，地線取能輸出功率可達(dá)18.9W[3]。

圖1 地線感應(yīng)電流模型

以某220kV輸電線路參數(shù)為例，導(dǎo)線計算半徑為14mm，直流單位長度電阻D為0.08W，地線和D分別為6.8mm和0.8W；基于ATP-EMTP軟件搭建了輸電線路模型，仿真模型如圖2所示，考慮負(fù)載為阻性負(fù)載，其輸出功率與負(fù)載電阻的關(guān)系如圖3所示，在阻抗匹配的情況下，存在最大輸出功率點。等效內(nèi)阻大小和線路長度及單位長度電阻密切相關(guān)，實際匹配電阻需根據(jù)線路情況選取。

圖2 地線感應(yīng)電流仿真模型

圖3 輸出功率與負(fù)載大小關(guān)系

2 微波雷達(dá)測速測距方法研究

微波雷達(dá)探測運動物體的原理是由發(fā)射波與回波之間的頻差，即基于多普勒效應(yīng)的一種檢測方法。調(diào)頻型雷達(dá)基于時間差頻及多普勒頻移，不僅可以探測動態(tài)目標(biāo)的速度和距離，還可探測靜態(tài)目標(biāo)的距離信息。對于輸電線路外力破壞監(jiān)測，當(dāng)警戒區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)施工機械時，利用調(diào)頻型微波雷達(dá)探測器可以準(zhǔn)確獲取施工機械的運動狀態(tài)、運動速度以及距離信息。根據(jù)不同的狀態(tài)，本系統(tǒng)制定了不同的預(yù)警應(yīng)對方式，下文將詳細(xì)展開說明。首先對微波雷達(dá)測距測速的原理進(jìn)行介紹。

2.1 靜態(tài)目標(biāo)距離檢測

調(diào)頻型雷達(dá)工作時，調(diào)制信號發(fā)生器產(chǎn)生一定波形的調(diào)制信號，對壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生一定范圍頻率的信號，形成調(diào)頻連續(xù)波。經(jīng)過功率放大，天線將調(diào)頻信號輻射到空間。當(dāng)發(fā)射信號遇到目標(biāo)和物體時，一部分能量被反射回來，并被接收天線接收。在電磁波往返于天線與目標(biāo)的這段時間內(nèi)，發(fā)射信號的頻率與回波信號的頻率相比已有了一些變化。將回波信號放大后與來自發(fā)射機振蕩器的本振信號進(jìn)行混頻，在混頻器輸出端得到差頻信號。此差頻信號的頻率包含著靜止目標(biāo)的距離信息。

圖4 靜止目標(biāo)差頻信號示意圖

發(fā)射信號和回波信號在時間上間隔為，根據(jù)圖4，有關(guān)系如下：

發(fā)射信號和回波信號的時間差與距離的關(guān)系為

由式（1）、式（2）可得目標(biāo)距離為

式中，為目標(biāo)物體的距離；為電磁波速度；差頻信號頻率0；為調(diào)制三角波的周期，D為調(diào)頻帶寬。

2.2 運動目標(biāo)距離檢測

當(dāng)目標(biāo)物體運動時，除了上述時間差頻外，還存在多普勒頻移，如圖5所示為運動目標(biāo)的差頻信號原理圖。

圖5 差頻信號示意圖

如圖5所示，以物體靠近運動為正方向，在三角波的上升沿和下降沿分別可得到一個差頻：

式中，0為目標(biāo)相對靜止時的差頻頻率，b+和b-分別代表前半周正向調(diào)頻和后半周負(fù)向調(diào)頻所得的差頻，d則為針對有相對運動的目標(biāo)的多普勒頻移。0和d如下式：

結(jié)合式（4）和式（5），可以求出目標(biāo)物距離和速度：

式中，為電磁波速度；為調(diào)制三角波的周期；D為調(diào)頻帶寬；為雷達(dá)發(fā)射頻率?？梢钥吹秸{(diào)制信號周期越長，測距范圍越大。輸電線路檔距范圍一般在幾百米的范圍，這里取500m，按照差頻和調(diào)頻寬度在推薦比例范圍，本文的三角波調(diào)制信號頻率選取40Hz。

對采集的差頻信號，經(jīng)過放大、匹配濾波等硬件處理后，由主控芯片采用傅里葉方法分析上升沿及下降沿的差頻頻率，進(jìn)而計算得到距離及速度信息。

3 現(xiàn)場應(yīng)用方案

輸電線路外破監(jiān)測區(qū)域為輸電線路及其兩側(cè)走廊，不同電壓等級的絕緣安全距離不同，但是由于從發(fā)現(xiàn)機械入侵到警報生效存在一定延時，因此告警區(qū)域應(yīng)在安全距離的基礎(chǔ)上放寬一些。本文選用的是IVS179系列K波段雷達(dá)，有效作用距離可達(dá)500m，天線角度范圍28°，微波探測雷達(dá)的現(xiàn)場布置方式如圖6所示，可有效覆蓋輸電線路及其走廊監(jiān)測范圍。

結(jié)合雷達(dá)探測技術(shù)、圖像觸發(fā)監(jiān)拍、地線感應(yīng)取電技術(shù)，本文研究制定了一套外破監(jiān)測方案。日常僅微波雷達(dá)實時工作，其功耗很低，經(jīng)測試，使用本文研制的地線取能裝置，在地線側(cè)電流（感應(yīng)電流）3A時，該模塊即可正常工作。當(dāng)檢測到靜態(tài)目標(biāo)時，啟動圖像監(jiān)拍裝置現(xiàn)場取證并將圖片傳至后臺，管理人員可通知現(xiàn)場注意施工安全距離；當(dāng)檢測到動態(tài)目標(biāo)時，啟動圖像監(jiān)拍裝置，并啟動現(xiàn)場聲光報警器，警示施工車輛，即時預(yù)警，從而達(dá)到輸電線路外破有效監(jiān)測的目的。

圖6 微波雷達(dá)探測范圍示意圖

4 結(jié)論

本文研究的外破監(jiān)測方法，日常功耗低，可采用地線感應(yīng)能量持續(xù)供電，設(shè)備安裝在地電位，不存在導(dǎo)線取電需停電安裝的問題。基于微波檢測信號判斷的目標(biāo)狀態(tài)，終端智能啟動圖像監(jiān)拍裝置或現(xiàn)場報警器，使監(jiān)控人員能夠及時掌握線路的運行狀態(tài)，實現(xiàn)智能外破監(jiān)控，降低線路外破跳閘率，提高輸電線路的安全穩(wěn)定運行水平。

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Research and application of overhead ground wire acquisition and microwave detection in fault diagnosis of transmission line

Huang Shuangde Xu Baoyu

(Yunnan Power Grid Co., Ltd, Kunming Power Supply Bureau, Kunming 650011)

The construction behavior of the transmission lines around the transmission line is increasing day by day. The existing methods of monitoring the external force damage are video, laser and so on. The power consumption of the equipment is large, and the real-time work has higher requirements on the power supply capacity. The existing external damage monitoring device is the use of solar power, reliability affected by weather conditions, it is difficult to protect the reliable operation of the monitoring system. In view of the above problems, this paper studies a kind of external fault monitoring method based on low power microwave detection technology, which uses the overhead ground wire to take power supply, and starts the image equipment shooting scene situation forensics, greatly improves the anti-external force Destroy the reliability of the monitoring system.

external damage; ground to take electricity; microwave detection; ranging spee

2018-01-23

黃雙得（1981-），男，云南省曲靖市人，本科，工程師，主要從事架空輸電線路運行與維護(hù)技術(shù)管理及新技術(shù)研究工作。