基于超聲波技術(shù)的配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)＊

吳天杰,黃雄,林少佳,黃日瑞,王崇魯

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瓊海供電局，海南瓊海 571400）

1 引言

配網(wǎng)線路由于傳輸距離過遠(yuǎn)，支線較多，多數(shù)都是架空線與電纜線，環(huán)境與氣候等外界條件惡劣，設(shè)備故障、外部損壞、雷電等自然災(zāi)害很容易引發(fā)故障。若是出現(xiàn)故障停電，不僅會(huì)影響人們的日常生活，干擾企業(yè)正常運(yùn)營，還會(huì)給供電公司帶來巨大損失。而且由于線路距離過長，分支較多，呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故障檢測與診斷難度較大，人力物力浪費(fèi)嚴(yán)重。其中配網(wǎng)架空線路運(yùn)維中，故障定位與檢測一直都是運(yùn)維部門難以有效解決的關(guān)鍵問題，由于并未研發(fā)出科學(xué)有效、切實(shí)可行的檢測設(shè)備，使得故障出現(xiàn)時(shí)，單純依賴運(yùn)維人員盲目順線查找，不僅會(huì)增加勞動(dòng)強(qiáng)度，浪費(fèi)故障處理時(shí)間與成本，還會(huì)降低配網(wǎng)線路供電可靠性與穩(wěn)定性[1]。據(jù)此，本文基于超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)了配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)。

2 超聲波技術(shù)原理分析

超聲波檢測技術(shù)即通過科學(xué)儀器精準(zhǔn)檢測分析，可快速有效發(fā)現(xiàn)線路局部放電隱患，從而保障配電線路巡檢工作高效開展。

在高壓電氣設(shè)備長時(shí)間存有局部放電現(xiàn)象時(shí)，隨之會(huì)衍生超聲波、電磁波、臭氧等不良現(xiàn)象，而超聲波會(huì)快速分散，通過超聲波傳感器高精確度采集，基于音頻數(shù)據(jù)形式傳輸于控制中心，由計(jì)算機(jī)診斷分析，評估故障點(diǎn)局部放電的嚴(yán)重性，根據(jù)輕重緩急為線路狀態(tài)檢修工作開展奠定有力基礎(chǔ)。與超聲波相配合的必備設(shè)備就是照相機(jī)，在捕捉到故障信號時(shí)，利用變焦照相機(jī)，直接拉近故障點(diǎn)，便可準(zhǔn)確定位故障位置與成因，立即拍照。以圖像與音頻數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，明確故障點(diǎn)位置與隱患特征，可降低線路故障發(fā)生頻率，提高線路穩(wěn)定性與可靠性[2]。

基于計(jì)算機(jī)所設(shè)計(jì)故障診斷軟件，綜合分析音頻記錄、圖片信息、環(huán)境要素等等，將配電線路檢測的缺陷結(jié)果評估劃分為六個(gè)等級。

PL1等級：輕微局部放電可正常使用，需在3年內(nèi)維修更換；PL2等級：輕微局部放電可正常使用，需在1年內(nèi)維修更換；PL3等級：輕微局部放電可正常使用，需在6個(gè)月內(nèi)維修更換；PL4等級：需在3個(gè)月內(nèi)維修更換，屬于危急性缺陷；PL5等級：需在1個(gè)月內(nèi)維修更換，屬于危急性缺陷；PL6等級：為避免事故，需在一周之內(nèi)或立即維修更換。

配電線路超聲波診斷設(shè)備的傳感器基于技術(shù)優(yōu)化，可避免外部環(huán)境噪音干擾。由于超聲波檢測具有一定的方向性與指向性，可顯著提高巡檢效率，并減少巡檢勞動(dòng)人員勞動(dòng)量。在超聲波檢測過程中發(fā)現(xiàn)信號異常時(shí)，巡檢人員需返回異常塔桿或設(shè)備周圍再次檢測確認(rèn)。由于超聲波具備非常好的方向性，所以近距離檢測時(shí)，可精確定位缺陷具體位置，然后通過高清高倍相機(jī)對缺陷位置拍照，并保持異常信號，從而為生成分析報(bào)告提供有力依據(jù)。

3 配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)由超聲波檢測裝置與控制器共同構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)[3]具體如圖1所示。

圖1 故障檢測系統(tǒng)

3.1 超聲波檢測裝置設(shè)計(jì)

超聲波檢測裝置包含主體、瞄準(zhǔn)器、傳感器、激光發(fā)射器，主體內(nèi)側(cè)面即截面不斷增大的圓臺(tái)形，其與中心軸以4°角狀態(tài)張開，外側(cè)面即截面逐步縮小的圓臺(tái)形；瞄準(zhǔn)器安設(shè)于主體外側(cè)面，中心軸與主體中心軸保持平行狀態(tài)，且二者所形成的平面與地面相垂直；超聲波傳感器安置于主體底面中心點(diǎn)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換所檢測超聲波信號為電壓信號；激光發(fā)射器則均勻安裝于主體外側(cè)面。

超聲波檢測裝置負(fù)責(zé)對配網(wǎng)架空線路故障位置所發(fā)出的超聲波信號進(jìn)行檢測，并傳輸于控制器。其中超聲波檢測裝置的指向性良好，可準(zhǔn)確對準(zhǔn)故障具體位置，從而精確定位。

3.2 控制器設(shè)計(jì)

接收電路負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收超聲波傳感器所傳輸?shù)碾妷盒盘?；濾波放大電路與接收電路電連接，負(fù)責(zé)放大并濾波處理電壓信號；分析電路與溫度傳感器、濕度傳感器、濾波放大電路電連接，負(fù)責(zé)通過傳感器傳輸?shù)臏囟扰c濕度信號，以及電壓信號，輸出分析結(jié)果。

總之，配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)，基于超聲波檢測裝置可明確超聲波范圍，且抗干擾性良好，在配網(wǎng)架空線路故障檢測過程中，用戶可通過車輛快速檢索，從而提升故障檢測效率與質(zhì)量。在檢測到超聲波具體區(qū)域之后，充分發(fā)揮超聲波檢測裝置的指向性，精確定位故障，可防止人工作業(yè)的危險(xiǎn)性與拖延性。所以基于超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)，不僅可提升配網(wǎng)架空線路故障檢測效率與水平，有效保障檢測精確度，同時(shí)還可最大程度上降低風(fēng)險(xiǎn)與成本。

4 配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)工作原理

基于超聲波技術(shù)的配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)根據(jù)組網(wǎng)角色不同，分為主節(jié)點(diǎn)與輔節(jié)點(diǎn)，工作原理具體如圖2所示。

圖2 故障檢測系統(tǒng)工作原理

檢測裝置可以分散布點(diǎn)與著重布點(diǎn)有機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行安置，安置于架空線路弧垂點(diǎn)位置或重點(diǎn)檢測區(qū)域。

配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)組網(wǎng)與通信方式[4]具體如圖3所示。

圖3 故障檢測系統(tǒng)組網(wǎng)與通信方式

安裝于架空線路終點(diǎn)檢測區(qū)域的多檢測裝置在既定距離的區(qū)域范圍內(nèi)，以自組網(wǎng)規(guī)則形成環(huán)形區(qū)域，各區(qū)域彼此獨(dú)立，單獨(dú)設(shè)置主節(jié)點(diǎn)與輔節(jié)點(diǎn)，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的通信以ZigBee 組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)地址與測距信息整合于主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)就實(shí)際需求添加GPS 地理與時(shí)間信息，基于GPRS 以短信形式返回遠(yuǎn)程控制中心。遠(yuǎn)程控制中心管理程序負(fù)責(zé)讀取GPRS所接收的有效短信，并加以處理、呈現(xiàn)、反饋。

4.2 系統(tǒng)工作流程

配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)服務(wù)程序工作流程[5]具體如圖4所示。

圖4 故障檢測系統(tǒng)服務(wù)程序工作流程

遠(yuǎn)程控制中心是檢測區(qū)域的管理中樞，呈現(xiàn)了檢測系統(tǒng)具體工作流程，檢測過程由前臺(tái)服務(wù)程度與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫協(xié)同實(shí)現(xiàn)。前臺(tái)服務(wù)程序可基于RS232串口讀取指定GPRS 模塊，并以讀取與傳輸協(xié)議短信分析解讀檢測信息。用戶可利用前臺(tái)服務(wù)程序人機(jī)界面實(shí)時(shí)更新檢測節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)，在無人操作時(shí)，前臺(tái)服務(wù)程序以自動(dòng)刷新功能，全天候接收檢測區(qū)域傳輸?shù)母聰?shù)據(jù)。故障告警的架空線路而言，前臺(tái)服務(wù)界面可直觀呈現(xiàn)告警線路編號、桿塔號、經(jīng)緯度等相關(guān)參數(shù)，并就設(shè)定實(shí)時(shí)向運(yùn)維人員發(fā)送短信以提示，界面人機(jī)交互便捷可靠。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫可檢索并查詢詳細(xì)記錄的歷史數(shù)據(jù)信息，還可就用戶實(shí)際需求調(diào)取線路故障告警信息，從而為制定故障檢修計(jì)劃提供有力依據(jù)。

4.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)硬件即終端，安裝示意圖[6]具體如圖5所示。

圖5 故障檢測系統(tǒng)終端安裝圖

基于配網(wǎng)架空線路A、B、C三相間距過大，在終端電路設(shè)計(jì)時(shí)，選擇于三相電路上分別對應(yīng)安裝電流互感器，以采集電流瞬時(shí)值，并以同時(shí)刻電流瞬時(shí)值相互疊加的方式獲取三相電流矢量和，即所謂的零序電流。終端以三個(gè)傳感器為一組，獲取三相電流信息，即A相傳感器、B相傳感器、C 相傳感器。其中，B 相傳感器就是控制傳感器，等待GPS 秒脈沖，以控制A、B、C 三相同時(shí)著手采集架空線路電流信息，隨后傳輸B、C 相所采集電流信息于A相，A相分析并計(jì)算電流，以診斷故障，并把三相順勢電流值、零序電流值、故障信息基于無線通信自組網(wǎng)模塊傳送于中心站，從而為精確定位檢測故障點(diǎn)提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。終端主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)在線取電、故障電流特征分析、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，其中在線取電面向電路板芯片提供穩(wěn)定可靠的電源，確保電路運(yùn)行平穩(wěn)性；故障電流特征分析既是故障檢測系統(tǒng)核心，又是故障定位檢測的評估依據(jù)；遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸負(fù)責(zé)終端與中心站間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)為中心站明確故障點(diǎn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

故障檢測系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程具體如圖6所示。

圖6 故障檢測系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程

配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)的主要目的是評估線路單相接地故障、斷路故障、短路故障，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含故障評估程序、AD采樣程序、通信程序三部分，三相傳感器軟件負(fù)責(zé)控制線路電流信息采集，并傳輸所采集電流瞬時(shí)信息于A相，以進(jìn)行實(shí)時(shí)評判，在A相接收到相同時(shí)刻三相線路電流信息之后，需對零序電流值進(jìn)行計(jì)算分析，以評估單相接地故障是否發(fā)生，如果零序電流值較小或者為0，那么繼續(xù)評判三相電流是否存在瞬間變大值超出電流閾值，判斷是否出現(xiàn)短路故障，基于線路是否存在電流評估是否出現(xiàn)斷路故障。

5 配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)測試

基于超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)的配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)以中心站軟件對終端反饋的線路電流信息進(jìn)行詳細(xì)分析，以評斷線路故障狀態(tài)、故障類型、故障區(qū)域。以帶電方式安裝終端傳感器，安裝之后，終端開始采集電流數(shù)據(jù)信息，并傳輸數(shù)據(jù)信息于中心站。中心站軟件上的架空線路電流數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)界面具體如圖7所示。

圖7 電流數(shù)據(jù)信息界面

基于中心站軟件界面可發(fā)現(xiàn)架空線路的實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)信息，主要包含三相電流信息與零序電流信息，據(jù)此可評估出架空線路的故障類型與區(qū)域。

相間斷路故障發(fā)生時(shí)，終端會(huì)自主面向中心站傳輸故障信息，所反饋的數(shù)據(jù)信息界面具體如圖8所示。

圖8 相間斷路故障狀態(tài)數(shù)據(jù)信息

中心站就所接收數(shù)據(jù)信息可判斷出故障區(qū)域?；谥行恼拒浖芍?，故障發(fā)生于800010終端與800011終端之間，A相、B相瞬時(shí)電流值快速增大，以評定為A相與B相之間發(fā)生相間短路故障，測試準(zhǔn)確。

三相斷路故障發(fā)生時(shí)，終端會(huì)自主面向中心站傳輸故障信息，所反饋的數(shù)據(jù)信息界面具體如圖9所示。

圖9 三相斷路故障狀態(tài)數(shù)據(jù)信息

中心站就所接收數(shù)據(jù)信息可評判出故障區(qū)域?；谥行恼拒浖芍?，故障發(fā)生于800010終端與800011終端之間，A 相、B 相、C 相三相瞬時(shí)電流值瞬間增大，以評定為三相短路故障，測試準(zhǔn)確。

基于中心站所接收的終端自主傳輸數(shù)據(jù)信息可知，架空線路正常運(yùn)行狀態(tài)下，受電網(wǎng)不均衡性與采樣誤差影響，引發(fā)的零序電流不為0，但是非常小。在單相接地故障發(fā)生時(shí)，相對于無故障狀態(tài)，零序電流相對較大，而且故障發(fā)生時(shí)，存在故障的相的故障點(diǎn)前后零序電流相位差大約在10ms，也就是180°，以此判斷為單相接地故障，測試準(zhǔn)確。

針對整個(gè)配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試，中心站基于檢測線路實(shí)時(shí)電流信息，實(shí)現(xiàn)對架空線路運(yùn)行狀態(tài)的全程監(jiān)控，在線路故障之后，基于終端自動(dòng)傳輸于中心站的故障電流數(shù)據(jù)信息，明確故障類型與區(qū)域，從而驗(yàn)證了故障檢測系統(tǒng)的精確度，測試比較成功[7]。

6 系統(tǒng)實(shí)踐運(yùn)用分析

2019年，某供電公司在配電網(wǎng)架空線路故障檢測中嘗試引進(jìn)了超聲波檢測技術(shù)，經(jīng)過一周時(shí)間，完成了60條架空線路、11400基電桿、全長370km檢測工作，以供發(fā)現(xiàn)局放電故障共46處。平均每天檢測線路8．5條，長52．9km，1628基電桿，局放故障6．5處。相比既有檢測方式，基于超聲波技術(shù)的配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)效率、質(zhì)量、精確性都有顯著提升。

以兩個(gè)故障點(diǎn)為例進(jìn)行了實(shí)際分析。

故障點(diǎn)一：JL 路，#037-36 桿故障。由于高壓柔性電纜相間存在局部放電故障，此電纜屬于絕緣材質(zhì)，通過超聲波技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)局放現(xiàn)象，評估為電纜絕緣強(qiáng)度不足，需及時(shí)停電更換，若是長時(shí)間運(yùn)行，勢必會(huì)造成電纜相間絕緣擊穿短路，導(dǎo)致架空線路跳閘停電。對此，應(yīng)及時(shí)更換高壓柔性電纜，著重針對本批次電纜加大超聲波檢測力度，一旦發(fā)現(xiàn)異常需快速處理，并全方位做好技術(shù)監(jiān)督上報(bào)相關(guān)工作。

故障點(diǎn)二：JD 路，#1106 隔離刀閘故障。由于隔離刀閘長期運(yùn)行，經(jīng)過長時(shí)間拉合操作，金屬機(jī)構(gòu)生銹變形，使得接觸電阻不斷增大，刀閘觸頭虛接發(fā)熱，長時(shí)間運(yùn)行將會(huì)造成刀閘過熱變形，從而引發(fā)線路挑戰(zhàn)或者斷線停電。對此，應(yīng)根據(jù)線路標(biāo)準(zhǔn)化改造原則，拆除刀閘，適度加大老舊刀閘的超聲波檢測力度，一旦發(fā)現(xiàn)局部放電超標(biāo)刀閘需及時(shí)拆除。

就超聲波技術(shù)檢測所發(fā)現(xiàn)的故障，基于帶電或停電方式一一核查，明確了確實(shí)存在46 處故障，核查準(zhǔn)確率100%，由此表明，基于超聲波技術(shù)的配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)效率、質(zhì)量都非常高，而且精確度也很高，效果顯著，值得大力推廣與應(yīng)用[8]。

7 結(jié)束語

綜上所述，本文基于超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)了配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)工作原理、工作流程，具體設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件與軟件，同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)測試與實(shí)踐運(yùn)用分析，結(jié)果表明，配網(wǎng)架空線路故障檢測系統(tǒng)，基于超聲波檢測裝置可明確超聲波范圍，且抗干擾性與指向性良好，不僅可提升配網(wǎng)架空線路故障檢測效率與水平，有效保障檢測精確度，同時(shí)還可最大程度上降低風(fēng)險(xiǎn)與成本；系統(tǒng)中心站基于檢測線路實(shí)時(shí)電流信息，可全程監(jiān)控架空線路運(yùn)行狀態(tài)，并在線路故障之后，基于終端自動(dòng)傳輸于中心站的故障電流數(shù)據(jù)信息，快速明確故障類型與區(qū)域；系統(tǒng)檢測效率、質(zhì)量、精確度都非常高，實(shí)際效果顯著，值得大力推廣與應(yīng)用。