無線傳感器網(wǎng)絡在電力鐵塔山火監(jiān)測中的應用*

張豐偉， 李英娜， 彭慶軍， 鄒立峰， 王達達， 李 川

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化院,云南 昆明 650504; 2.云南電網(wǎng)公司 博士后工作站,云南 昆明 650217; 3.云南電網(wǎng)公司 昆明供電局,云南 昆明 650011;4.云南電網(wǎng)公司,云南 昆明 650011)

0 引 言

山火導致的輸電線路跳閘與停運事故時有發(fā)生，嚴重威脅到電網(wǎng)的可靠運行。國內(nèi)外把輸電線路山火跳閘的機理歸結為火焰溫度、火焰電導率和灰燼等因素，而研究和試驗表明,輸電線路在山火條件下發(fā)生跳閘是火焰溫度、火焰電導率以及灰燼和煙霧導致間隙絕緣水平劇烈下降的結果[1～5]。1998年,易浩若等人采用GIS軟件平臺分析和處理山火監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出未來兩天之內(nèi)的森林火險天氣預報[6]；2013年,梁允等人利用極軌氣象衛(wèi)星對輸電線路進行了山火數(shù)據(jù)監(jiān)測[7]；2013年,廣西電網(wǎng)公司電力科學研究院的朱時陽等人采用衛(wèi)星遙感林火監(jiān)測技術，開發(fā)了廣西電網(wǎng)輸電線路走廊山火監(jiān)測系統(tǒng)[8]?，F(xiàn)有的輸電線路火災監(jiān)測的技術手段主要還有：視頻/圖像監(jiān)測、紅外傳感，CO2傳感、衛(wèi)星遙感[9～14]。

本文采用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、CO和H2S傳感器構成無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對變電站周圍山區(qū)的煙霧、溫濕度、CO和H2S的濃度的監(jiān)測，并通過對數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)了對山火的有效預警。

1 工作原理

山火發(fā)生時影響輸電線路電氣外絕緣的主要因素是：空氣溫度高、山火的煙塵濃度變大和空氣濕度小。在輸電線路下方發(fā)生山火時，輸電線路附近的空氣溫度能在短時間內(nèi)得到大幅升高，隨著空氣溫度的升高氣隙的擊穿電壓減?。浑S著相對濕度的下降氣隙放電電壓減小。火焰溫度、火焰電導率和顆粒等能夠促進放電的發(fā)展，并導致間隙的絕緣水平下降；導線對火焰頂部的預放電能促進燃燒，電弧則能夠增強山火燃燒的強度并抬升火焰的高度，導致?lián)舸╇妷航档汀Ｓ稍囼炁c分析可知，輸電線路因山火擊穿是由火焰溫度、電導率以及灰燼與煙霧等3個因素促進放電發(fā)展的結果。

根據(jù)上述測量要求，系統(tǒng)采用溫濕度傳感器、CO傳感器、H2S傳感器和離子煙霧傳感器對輸電線路的周圍環(huán)境進行監(jiān)測,監(jiān)測模型如圖1。智能溫濕度傳感器采用高精度的水合物探頭，1 s內(nèi)完成90 %讀數(shù)，能投自動的完成溫濕度數(shù)據(jù)采集、校準及自動溫度補償?shù)裙δ埽瑴囟鹊臏y量范圍為-40～120 ℃，測量精度為0.5 ℃，濕度的測量范圍為0 %～100 %RH，測量精度為4.5 %。智能CO傳感器采用高精度CO電化學探頭，測量范圍是(0～2 000)×10-6，分辨率小于1×10-6。智能硫化氫傳感器采用高精度H2S電化學探頭，測量范圍為(0～100)×10-6，分辨率為0.1×10-6。智能離子煙霧傳感器采用離子式感煙探測器，能檢測20 m2內(nèi)的煙霧情況。

圖1 監(jiān)測信息模型圖

2 測量應用

220 kV腰站變電站位于楚雄祿豐縣勤豐鎮(zhèn)羊街村北面約2 km的山丘上，海拔高度1 923 m，占地面積22 876 m2，是楚雄祿豐地區(qū)的重要變電站之一。主供電源由500 kV和平變220 kV和腰I回線、220 kV和腰II回線供電。

根據(jù)楚雄腰站變電站的工程情況和周圍輸電線路的火災監(jiān)測需求，在變電站外圍選取腰洪線001#、祿腰德線157#和腰I回線43#鐵塔，將防水箱裝在鐵塔的橫桿上，防水箱中安裝一套火災監(jiān)測的傳感器，包括智能溫濕度傳感器、離子煙霧傳感器、H2S傳感器和CO傳感器各一支，功能設備通過太陽能板供電。由于3個塔架分布在變電站的周圍，距離變電站的主控樓400～600 m，而且塔架與主控頂?shù)臒o線接收網(wǎng)關中間有樹木的遮擋，為了保證信號準確無誤的傳送，采用增益天線通過2.4 GHz無線信道傳輸?shù)街骺厥业木W(wǎng)關上，后由網(wǎng)線傳至主控室中的服務器中，對3個塔架周圍的環(huán)境進行實時監(jiān)測，無線傳感器網(wǎng)絡火災監(jiān)測的拓撲圖如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)火災監(jiān)測拓撲圖

為避免雨水等天氣原因?qū)鞲衅鞯挠绊?，將H2S傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器和煙霧傳感器放置在防水百葉箱中，并通過航插插頭與防水箱中的基站相連?；居商柲芄╇姲搴托铍姵剡M行供電，保證陰雨天和夜晚傳感器的正常工作?；久扛? min將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過增益天線傳至主控樓服務器。圖3為現(xiàn)場施工圖。

圖3 現(xiàn)場施工圖

3 監(jiān)測結果

系統(tǒng)檢測至今，已累計采集2個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取4月23日～6月16日的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理，圖4為腰洪線001#鐵塔附近山火監(jiān)測溫度的曲線圖，從圖中可以看出溫度在每日7時開始呈上升趨勢，14時～16時都達到最大值，每日2時～5時跌至最小值。

圖4 溫度曲線圖

圖5為4月23日～6月16日腰洪線001#鐵塔附近山火監(jiān)測的濕度曲線，從圖中可以看出:每日15時開始呈上升趨勢，4～6時達到濕度最大值，每日11～13時跌至最小值。

圖5 濕度曲線圖

圖6為4月23日～6月16日腰洪線001號鐵塔附近山火監(jiān)測CO曲線，從圖中可以看出:CO總體變化范圍在(0～7)×10-6。

圖6 CO曲線圖

設備運行期間，離子煙霧傳感器成功監(jiān)測楚雄腰站變電站周圍兩次森林火災。第一次為4月23日祿豐縣勤豐鎮(zhèn)可里村委會旱沖箐發(fā)生的森林火災；第二次為5月21日安寧市祿脿街道北沖村附近發(fā)生的森林火災，火勢隨后蔓延至楚雄彝族自治州祿豐縣境內(nèi)，距離腰站變電站約為12 km。

圖7為4月23日～6月16日腰I回線43#鐵塔附近離子煙霧傳感器的監(jiān)測曲線。

4 結 論

基于無線傳感網(wǎng)的變電站火災監(jiān)測系統(tǒng)運行至今，對變電站周圍的溫濕度、煙霧、CO和H2S進行了持續(xù)在線監(jiān)測，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析可以看出：溫度的變化范圍為10～35 ℃，濕度的變化范圍為20 %～80 %RH，CO的變化范圍為(0～7)×10-6，并成功監(jiān)測兩次森林火災。系統(tǒng)的運行為變電站火災監(jiān)測積累了長期的歷史數(shù)據(jù)，極大地提高了山火火點監(jiān)測能力，對于及時發(fā)現(xiàn)線路附近的火災、提高輸電線路的防火災能力具有重要意義。

圖7 離子煙霧曲線圖

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