王準濤,王新偉,王 斌,陳勇建
(河南崤函電力供應(yīng)有限責任公司,河南 三門峽 472300)
采煤沉陷區(qū)造成的地質(zhì)災(zāi)害對高壓架空輸電線桿塔的安全運行形成了嚴重威脅。河南能源化工集團義煤公司礦區(qū)是中國重要的能源化工基地,近年,由地質(zhì)沉陷區(qū)引起的高壓桿塔傾斜帶來的垂弧、絕緣擊穿等故障時有發(fā)生,導致礦區(qū)供電異常,嚴重時還會導致系統(tǒng)崩潰,最終帶來嚴重的經(jīng)濟損失和安全事故。
本系統(tǒng)針對采煤沉陷區(qū)或者地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定地區(qū)高壓輸電桿塔易發(fā)生傾斜和地基沉降,而人工巡檢工作量大且無法及時發(fā)現(xiàn)故障隱患的現(xiàn)狀,開發(fā)了一套高壓桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崟r采集、無線傳輸桿塔傾斜、風速、風向等參數(shù),并據(jù)此進行趨勢分析和故障預(yù)警,對于保障電網(wǎng)安全供電、降低運維人員勞動強度具有重要意義。
由于一軸加速度傳感器無法測量全擺幅,兩軸傳感器雖然能夠測量全擺幅,但精度有限,因此本論文采用三軸傳感器[1-2]測量傾斜角度。
高精度傾斜傳感裝置由三軸加速傾斜傳感器、信號處理電路、主控單元、信號收發(fā)和電源五部分模塊組成,各電路模塊之間的硬件框圖,如圖1所示。
圖1 高精度傳感裝置硬件框圖
根據(jù)對系統(tǒng)采集傳輸數(shù)據(jù)的需求分析,本模塊設(shè)計實現(xiàn)了基于NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡凸慕K端系統(tǒng),終端模組采用TI公司的低功耗TMS320F2812芯片作為主控芯片,Quectel公司的BC95模塊作為收發(fā)數(shù)據(jù)的NB-IoT通信模塊。基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)前端硬件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 總體結(jié)構(gòu)
高壓桿塔傾斜監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng)采用先進智能的信號采集、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù),結(jié)合傳感器技術(shù)、電子測量技術(shù)、智能數(shù)據(jù)分析技術(shù),對輸電桿塔安全信息進行實時監(jiān)測,并根據(jù)數(shù)據(jù)分析及時做出預(yù)警和告警。系統(tǒng)兼具智能化、云模式、高精度等多重優(yōu)勢。對超標桿塔狀況及時進行預(yù)警,指導檢修和維護,提醒運行維護人員加固地基,防止倒塔事故發(fā)生。
高精度傾斜傳感裝置內(nèi)部的傾斜傳感模塊用來檢測桿塔的傾斜度,而模塊的主控單元用來進行高精度裝置設(shè)備控制,并將桿塔傾斜數(shù)據(jù)通過高精度傾斜傳感裝置中的信號處理電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與轉(zhuǎn)換,然后通過485通信方式,將傾斜數(shù)據(jù)信息傳給前端數(shù)據(jù)采集裝置,最終由數(shù)據(jù)采集裝置采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(NB-IoT),上傳到云端后臺系統(tǒng),系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
設(shè)計的采煤沉陷區(qū)高壓架空桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)的高精度傾斜傳感裝置在實驗室的測試過程中,可以實現(xiàn)傾斜角度的高精度測量,同時實現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)警、報警功能,目前該系統(tǒng)已取得傾斜校準計量證書?,F(xiàn)已在河南能源化工集團義煤公司位于采煤沉陷區(qū)的部分輸電桿塔上進行了現(xiàn)場安裝測試,如圖4~6所示。
圖4 傳感器單元
圖5 供電單元
圖6 后臺系統(tǒng)
經(jīng)過現(xiàn)場的安裝與測試,采空區(qū)高壓架空桿塔傾斜監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)得到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)如圖7所示,由于人工安裝存在一定的誤差,安裝后系統(tǒng)云端后臺顯示的初始數(shù)據(jù)為傾斜0°2'57",東4°15'45",經(jīng)過系統(tǒng)后臺預(yù)留功能“置零”后,數(shù)據(jù)如圖8所示,此時系統(tǒng)云端后臺顯示的初始數(shù)據(jù)為傾斜北0°0'0",東0°0'0"。由于采空區(qū)高壓架空桿塔的傾斜是一個長時間積累的過程,在20天的觀察下桿塔傾斜情況如圖9所示,此時系統(tǒng)云端后臺顯示的初始數(shù)據(jù)為傾斜北0°1'14",西0°5'18"。
圖7 現(xiàn)場安裝后數(shù)據(jù)
圖8 系統(tǒng)置零后數(shù)據(jù)
圖9 目前桿塔傾斜數(shù)據(jù)
圖8表明桿塔在南和西方位已經(jīng)產(chǎn)生了偏南0°1'14",偏西0°3'17"的傾斜角度,由此我們可以看出該桿塔確實已經(jīng)發(fā)生了約5'的傾斜,同時也表明了位于采空區(qū)高壓架空桿塔安裝傾斜在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的必要性。
為了實現(xiàn)實時高精度測量采煤沉陷區(qū)高壓架空輸電桿塔的傾斜角度,本文設(shè)計了采空區(qū)高壓架空桿塔傾斜監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),在經(jīng)過實驗室以及現(xiàn)場的工業(yè)性實驗后,均表明該系統(tǒng)能正常實現(xiàn)傾斜角度的實時測量,同時采取無動作、預(yù)警或報警功能,完全能夠滿足礦區(qū)高壓架空桿塔傾斜角度測量的要求;滿足礦區(qū)安全供電的要求,實現(xiàn)礦區(qū)的安全生產(chǎn)。