CN115542073A - 一种高压输电线路异常报警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压输电线路异常报警系统，它包括监测终端、传输网络、监控系统，监控系统包括云服务器和故障定位系统，监测终端包括在线监测主机，在线监测主机包括故障录波器、信号采集传感器、中高频电流互感器、通信模块、主控制器、验电预警装置、GPS定位模块、护层电流采集装置、报警模块、电源管理模块、CT电流互感器、蓄电池和太阳能电池板；本发明具有结构简单、线路异常实时监测、线路带电状态实时监测、实现线路异常分析及定位的优点。

Description

一种高压输电线路异常报警系统

技术领域

本发明属于高压输电线路技术领域，具体涉及一种高压输电线路异常报警系统。

背景技术

随着科技进步及工农业的现代化发展，人民生活水平不断提高，用电量大幅上升，对电网供电安全性、可靠性提出了越来越高的要求，架空高压输电线路是电力系统的动脉，高压传输电缆、杆塔密布于各个角落，其运行状态直接决定电力系统的安全和效益，由于形成的地下采空区引起地面沉降、断裂等一系列地质灾害导致杆塔倾斜，严重威胁输电线路的安全运行，另外由于输电线路大面积覆冰导致断线，输电线路杆塔不堪重负倒塌，电力设施遭到极大的破坏，目前对高压输电线路运行状态的监测主要采用人工巡检的方式，然而输电线路大多分布在野外，线路的覆盖面广，所处的地理环境、气候条件恶劣，电磁干扰严重，人工巡检不仅工作量大，而且受主观因素影响较大，难以对输电线路状态进行实时、准确、全面的监控，而且现有的输电线路监测装置只是对线路状态进行监测，无法对线路的带电状态进行监测，导致操作人员在进行运维检修以及故障处理工作时出现误碰造成人身伤害的事故发生；因此，提供一种结构简单、线路异常实时监测、线路带电状态实时监测、实现线路异常分析及定位的一种高压输电线路异常报警系统是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种结构简单、线路异常实时监测、线路带电状态实时监测、实现线路异常分析及定位的一种高压输电线路异常报警系统。

本发明的目的是这样实现的：一种高压输电线路异常报警系统，它包括监测终端、传输网络、监控系统，所述的监控系统包括云服务器和故障定位系统，所述的监测终端包括在线监测主机，所述的在线监测主机包括故障录波器、信号采集传感器、中高频电流互感器、通信模块、主控制器、验电预警装置、GPS定位模块、护层电流采集装置、报警模块、电源管理模块、CT电流互感器、蓄电池和太阳能电池板。

所述的电源管理模块分别与CT电流互感器、蓄电池和太阳能电池板电连接。

所述的护层电流采集装置包括支架，所述的支架内测上方设置有套管，所述的套管内部两端均设置有连接板，所述的连接板内部均设置有中高频电流互感器，所述的中高频电流互感器内部设置有导线，所述的支架内测下方设置有螺纹座，所述的螺纹座内部设置有螺杆，所述的螺杆上下两侧端部分别设置有卡线夹座和旋钮，所述的支架下方左右两侧均设置有连杆，所述的连杆外侧均设置有验电预警装置。

所述的支架为“U”形结构，所述的套管为下开口的半圆形结构，所述的中高频电流互感器为下开口的环形结构，所述的连接板为弧形结构且内外弧度分别与所述的中高频电流互感器、套管相同。

所述的验电预警装置包括外壳，所述的外壳上下两侧分别设置有绝缘杆、验电探针，所述的外壳内部设置有内壳，所述的内壳内部设置有处理电路板，所述的处理电路板上方设置有动极板，所述的动极板上方设置有定极板。

所述的护层电流采集装置还包括前端信号调理模块、嵌入式处理单元、电源模块、AD转换模块和数据传输模块；所述的信号采集传感器包括倾角传感器、控制单元、天线MODEM、风速传感器、风向传感器、温湿度传感器、电源模块和覆冰传感器。

所述的护层电流采集装置的数据传输模块与通信模块建立通讯连接，所述的通信模块与信号采集传感器的天线MODEM建立通讯连接。

所述的故障录波器采用RCS-904A型录波器，所述的中高频电流互感器采用SLF7032T型互感器，所述的通信模块采用MC55型模块，所述的主控制器采用STM32型处理器，所述的处理电路板采用STM32F103VE型电路板，所述的GPS定位模块采用GS-89M-J型模块，所述的报警模块采用HEF4011BT型模块，所述的电源管理模块采用TPS79533型模块，所述的CT电流互感器采用GN-CT-108型互感器，所述的杆塔倾角传感器采用SCA100T-D01型传感器，所述的温湿度传感器采用SHT71型传感器，所述的风速传感器和风向传感器采用EC21A型传感器。

所述的验电预警装置采用振动电容原理对静电场进行测量，实现高压输电线路的验电检测，具体为：振动电容原理是利用极板振动改变感应电极与被测表面间的电容大小，形成感应电流，通过对感应电流的计算得到被测物体表面的静电电位，可以不用与被测带电体接触，测量过程中受环境中干扰因素影响很小，当振动的感应极板前方靠近带电体时，电场中的感应极板会感应出相应的感应电荷，验电预警装置由定极板和感应动极板构成，工作状态下动极板在位置A与位置B做往复振动，振幅为ΔX，X₀为定极板与动极板间距离，当空间存在一定面积的带电体，定极板感应电荷Q和动极板之间存在电势差V，不考虑电场均匀度影响，带电体和动极板之间电场E和电势差V成线性关系，由于存在空间电场E，动极板上形成感应电荷q，当极板位置不变时感应电荷q为电容C,与极板电势差V的乘积：q＝CV，两个极板的距离改变，极板间的电容和感应极板上的感应电荷也会产生变化，因此极板发生充放电，即在后端电路中输出一个变化的感应电流，设静止位置下两极板的间距距离为X₀，此时构成的电容大小为C₀，感应动极板作正弦振动，振幅为ΔX，角频率为w，因此有两极板间距表达式为：X＝X₀+ΔXsin(wt)，感应动极板随传感器振动驱动信号振动后，振动过程中极板间构成的振动电容值为：

式中，ε₀为空气介电常数；S为传感器电极的面积，假设感应极板往复振动一个周期内，电场E近似等于不变、极板之间电势差不变，有感应极板感应电流i(t)为：

由于感应动极板的振幅ΔX极小，而X₀远大于ΔX，假设ΔX＝nX₀，n＜＜1，则有：

因为n＜＜1，有n²sin²(wt)＜＜1,2ncos(wt)＜1，故上式可近似等于：

当输入回路接采样电阻，有感应电压V₀：V₀＝-AC₀Vncos(wt),式中，A为系数；C₀为两个极板距离为X₀时的电容；C为动极板与定极板间的振动电容；C₀nw是设定已知量，感应电流i(t)与cos(wt)和空间电势有关，通过后接信号采集与处理单元，可以计算出输出电压，该电压信号与被测带电体电压呈线性关系。

所述的覆冰传感器采用基于称重法的架空输电线路导线标准覆冰模型，具体为：通过监测绝缘子串倾角及其拉力，结合导线悬挂点间的距离和角度，可以推导出输电线路的覆冰厚度，该模型无需依赖大量经验数据，也无需对多变的气象因素作复杂的监测，仅根据架空线路绝缘子串处张力与倾角便可对覆冰导线实时覆冰荷载进行估算，覆冰模型以绝缘子串不等高直线塔为研究对象，导线的三个悬挂点标记为A、B、C，其中AB间距离为l₁，高差角为β₁，高度差为h₁；AC间距离为l₂，高差角为β₂，高度差为h₂；G为绝缘子串A的垂向总荷载；T_v为A处导线的垂向总荷载，其等于张力T的竖直分量，则需测量的绝缘子A的张力T及其倾角

的推导如下：根据导线实际线长悬链式方程，可得到导线实际长度如下：

式中，γ₀为导线比载；σ₀为导线最低点水平应力；由上式可以计算处AB、AC各自的γ₀/σ₀值，A处距AB挡内导线最低点O₁的导线长度为：

A处距AC挡内导线最低点O₂的导线长度为：

由A处竖直方向力平衡可知：

在无风未覆冰的情况下，测得绝缘子串A张力为T₀，倾角为

则A处导线垂向总荷载为：

在有风未覆冰的情况下，测得绝缘子串A张力为T，倾角为

则A处导线垂向总荷载为：

A处覆冰前后垂向总荷载之差为：

记冰荷载为q_ice，风荷载为q_wind，导线与绝缘子自重荷载为q₀，由于导线悬挂点垂向总荷载等于该点到挡内导线最低点间导线长度与荷载之积，所以：

其中，风荷载q_wind可通过风速传感器、风向传感器、大气压传感器综合计算出来；我国电力系统线路设计标准规定覆冰形状为均匀圆柱，设导线覆冰厚度为b，导线直径为d，冰密度为ρ₀，则标准覆冰厚度为：

本发明的有益效果：本发明为高压输电线路异常报警系统，在使用中，本发明采用多个监测终端安装在输电线路上，通过在线监测主机进行输电线路的监测，通过信号采集传感器能够监测到各个监测点的温湿度、杆塔倾角、风速、风向、覆冰情况，验电预警装置实时监测输电线路的带电状态，便于检修，实现高压输电线路的实时监测，便于及时发现线路异常，并通过报警模块能够提供输电线路的高温、倾角、覆冰、断路以及当前检修线路的带电状态多重报警，并且，一旦输电线路出现故障，能够通过GPS定位模块及时地将故障位置发送给监控系统，并配合故障定位系统快速锁定故障地点，实现线路异常分析及快速定位，有利于维修人员的检修，在对线路覆冰状况的监测中，基于基于称重法的架空输电线路导线标准覆冰模型以及通过风速传感器、风向传感器综合计算的风荷载来进行覆冰状况的监测，通过风荷载来进行覆冰状况的监测，准确度更高，能够更准确地反映出覆冰情况；本发明具有结构简单、线路异常实时监测、线路带电状态实时监测、实现线路异常分析及定位的优点。

附图说明

图1为本发明的组成框图。

图2为本发明的在线监测主机的组成框图。

图3为本发明的信号采集传感器与护层电流采集装置的组成框图。

图4为本发明的护层电流采集装置的结构示意图图一。

图5为本发明的护层电流采集装置的结构示意图图二。

图6为本发明的验电预警装置的结构示意图。

图7为本发明的验电预警装置的内部结构示意图。

图8为本发明的验电预警装置的检测原理图图一。

图9为本发明的验电预警装置的检测原理图图二。

图10为本发明的故障点位于区间内的故障区间定位方法示意图。

图11为本发明图10检测到的短路电流波形图。

图12为本发明的故障点位于区间外的故障区间定位方法示意图。

图13为本发明的图12检测到的短路电流波形图。

图14为本发明的故障精确定位方法示意图。

图15为本发明的故障单端定位方法示意图图一。

图16为本发明的故障单端定位方法示意图图二。

图17为本发明的波形传输衰减规律示意图。

图18为本发明的雷击故障波形示意图图一。

图19为本发明的雷击故障波形示意图图二。

图20为本发明的树障波故障形示意图。

图21为本发明的山火故障波形示意图。

图22为本发明的风偏故障波形示意图。

图23为本发明的覆冰模型示意图。

图24为本发明的等效实验回路电路图。

图25为本发明的高压电缆交叉互联系统示意图。

图26为本发明的工频电流波形图。

图27为本发明的行波电流波形图。

图中：1、监测终端 2、传输网络 3、监控系统 31、云服务器 32、故障定位系统 4、在线监测主机 5、故障录波器 6、信号采集传感器 7、中高频电流互感器 8、通信模块 9、主控制器 10、验电预警装置 101、外壳 102、绝缘杆 103、验电探针 104、内壳 105、处理电路板 106、动极板 107、定极板 11、GPS定位模块 12、护层电流采集装置 13、报警模块 14、电源管理模块 15、CT电流互感器 16、蓄电池 17、太阳能电池板 18、支架 19、套管 20、连接板 21、螺纹座 22、螺杆 23、卡线夹座 24、旋钮 25、连杆 26、导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1-27所示，一种高压输电线路异常报警系统，它包括监测终端1、传输网络2、监控系统3，所述的监控系统3包括云服务器31和故障定位系统32，所述的监测终端1包括在线监测主机4，所述的在线监测主机4包括故障录波器5、信号采集传感器6、中高频电流互感器7、通信模块8、主控制器9、验电预警装置10、GPS定位模块11、护层电流采集装置12、报警模块13、电源管理模块14、CT电流互感器15、蓄电池16和太阳能电池板17。

为了更好的效果，所述的电源管理模块14分别与CT电流互感器15、蓄电池16和太阳能电池板17电连接。

所述的护层电流采集装置12包括支架18，所述的支架18内测上方设置有套管19，所述的套管19内部两端均设置有连接板20，所述的连接板20内部均设置有中高频电流互感器7，所述的中高频电流互感器7内部设置有导线26，所述的支架18内测下方设置有螺纹座21，所述的螺纹座21内部设置有螺杆22，所述的螺杆22上下两侧端部分别设置有卡线夹座23和旋钮24，所述的支架18下方左右两侧均设置有连杆25，所述的连杆25外侧均设置有验电预警装置10。

为了更好的效果，所述的支架18为“U”形结构，所述的套管19为下开口的半圆形结构，所述的中高频电流互感器7为下开口的环形结构，所述的连接板20为弧形结构且内外弧度分别与所述的中高频电流互感器7、套管19相同。

所述的验电预警装置10包括外壳101，所述的外壳101上下两侧分别设置有绝缘杆102、验电探针103，所述的外壳101内部设置有内壳104，所述的内壳104内部设置有处理电路板105，所述的处理电路板105上方设置有动极板106，所述的动极板106上方设置有定极板107。

所述的护层电流采集装置12还包括前端信号调理模块、嵌入式处理单元、电源模块、AD转换模块和数据传输模块；所述的信号采集传感器6包括倾角传感器、控制单元、天线MODEM、风速传感器、风向传感器、温湿度传感器、电源模块和覆冰传感器。

为了更好的效果，所述的护层电流采集装置12的数据传输模块与通信模块8建立通讯连接，所述的通信模块8与信号采集传感器6的天线MODEM建立通讯连接。

所述的故障录波器5采用RCS-904A型录波器，所述的中高频电流互感器7采用SLF7032T型互感器，所述的通信模块8采用MC55型模块，所述的主控制器9采用STM32型处理器，所述的处理电路板105采用STM32F103VE型电路板，所述的GPS定位模块11采用GS-89M-J型模块，所述的报警模块13采用HEF4011BT型模块，所述的电源管理模块14采用TPS79533型模块，所述的CT电流互感器15采用GN-CT-108型互感器，所述的杆塔倾角传感器采用SCA100T-D01型传感器，所述的温湿度传感器采用SHT71型传感器，所述的风速传感器和风向传感器采用EC21A型传感器。

在本实施例中，护层电流采集装置的工作原理为：当高压输电线路发生击穿故障时，电缆线芯对金属护层短路，故障电流从线芯经金属护层流至两端接地处入地，因此短路故障发生时，护层电流会升高到故障电流的数量级，护层电流采集装置利用故障发生时，护层电流的变化实现故障定位，如图25所示，安装于线路的护层电流采集装置能够在5ms内触发故障录波器开始录波，并保持录波100ms(电力系统保护装置动作断路器开断过程约70-100ms)；接着，护层电流采集装置通过数据传输模块与通信模块建立通信连接，将采集到的数据通过无线传输网络传到监控系统；监控系统的故障定位系统开始处理采集到的数据并向电缆工程师反馈故障定位结果；采集到的数据可以从监控系统下载进行进一步深入分析；护层电流的相位差判据及其故障定位原理：如图24和图25所示，高压电缆金属护层交叉互联，当图24中A1段发生短路故障时，故障电流从电缆线芯经故障点流过金属护层，由于金属护层两端直接接地，故障电流在故障点分流，一部分流至接地点G1，另一部分流至接地点G2，在故障回路A1-B2-C3中，故障段A1两端护层电流流向相反，非故障区段B2、C3两端护层电流流向大致相同，在监测装置处设定触发阈值，当短路故障发生时，护层电流值超过触发阈值时，护层电流监测装置触发故障录波器开始录波，通过FFT提取各电缆区段两端护层电流的工频相位分别作差，相位差接近180°的区段即为故障区段，相位差接近0°的区段即非故障区段，记B(I)为电流信号I的基频相位，单位为角度，P(section)表示对应电缆区段的护层电流相位差：

护层电流采集装置对高压电缆护层电流进行采集与处理，通过传输网络上传至监控系统，同时对采集的信号进行分析与处理，并根据波形信号特征和在电缆上的传播特性来对故障点进行定位，具体为：步骤(1)：中高频电流互感器通过耦合方式采集电缆上的电容电流信号，并经过前端信号调理模块处理之后传输至高速高性能嵌入式处理单元对信号进行采集和数据处理，得到故障信息；步骤(2)：高性能嵌入式处理单元对采集和处理得到的数据进行计算和分析，得到关于电缆故障的信息作为故障点定位的依据，进行故障源定位；无线数据传输模块接收嵌入式处理单元采集和处理之后的数据，经过压缩和加密计算，最后通过传输网络上传至监控系统进行存储和分析。

本发明为高压输电线路异常报警系统，在使用中，本发明采用多个监测终端1安装在输电线路上，通过在线监测主机4进行输电线路的监测，通过信号采集传感器6能够监测到各个监测点的温湿度、杆塔倾角、风速、风向、覆冰情况，验电预警装置10实时监测输电线路的带电状态，便于检修，实现高压输电线路的实时监测，便于及时发现线路异常，并通过报警模块13能够提供输电线路的高温、倾角、覆冰、断路以及当前检修线路的带电状态多重报警，并且，一旦输电线路出现故障，能够通过GPS定位模块11及时地将故障位置发送给监控系统，并配合故障定位系统32快速锁定故障地点，实现线路异常分析及快速定位，有利于维修人员的检修，在对线路覆冰状况的监测中，基于基于称重法的架空输电线路导线标准覆冰模型以及通过风速传感器、风向传感器综合计算的风荷载来进行覆冰状况的监测，通过风荷载来进行覆冰状况的监测，准确度更高，能够更准确地反映出覆冰情况；本发明具有结构简单、线路异常实时监测、线路带电状态实时监测、实现线路异常分析及定位的优点。

实施例2

如图1-27所示，一种高压输电线路异常报警系统，它包括监测终端1、传输网络2、监控系统3，所述的监控系统3包括云服务器31和故障定位系统32，所述的监测终端1包括在线监测主机4，所述的在线监测主机4包括故障录波器5、信号采集传感器6、中高频电流互感器7、通信模块8、主控制器9、验电预警装置10、GPS定位模块11、护层电流采集装置12、报警模块13、电源管理模块14、CT电流互感器15、蓄电池16和太阳能电池板17。

所述的验电预警装置10采用振动电容原理对静电场进行测量，实现高压输电线路的验电检测，具体为：振动电容原理是利用极板振动改变感应电极与被测表面间的电容大小，形成感应电流，通过对感应电流的计算得到被测物体表面的静电电位，可以不用与被测带电体接触，测量过程中受环境中干扰因素影响很小，当振动的感应极板前方靠近带电体时，电场中的感应极板会感应出相应的感应电荷，验电预警装置由定极板和感应动极板构成，工作状态下动极板在位置A与位置B做往复振动，振幅为ΔX，X₀为定极板与动极板间距离，当空间存在一定面积的带电体，定极板感应电荷Q和动极板之间存在电势差V，不考虑电场均匀度影响，带电体和动极板之间电场E和电势差V成线性关系，由于存在空间电场E，动极板上形成感应电荷q，当极板位置不变时感应电荷q为电容C,与极板电势差V的乘积：q＝CV，两个极板的距离改变，极板间的电容和感应极板上的感应电荷也会产生变化，因此极板发生充放电，即在后端电路中输出一个变化的感应电流，设静止位置下两极板的间距距离为X₀，此时构成的电容大小为C₀，感应动极板作正弦振动，振幅为ΔX，角频率为w，因此有两极板间距表达式为：X＝X₀+ΔX sin(wt)，感应动极板随传感器振动驱动信号振动后，振动过程中极板间构成的振动电容值为：

式中，ε₀为空气介电常数；S为传感器电极的面积，假设感应极板往复振动一个周期内，电场E近似等于不变、极板之间电势差不变，有感应极板感应电流i(t)为：

由于感应动极板的振幅ΔX极小，而X₀远大于ΔX，假设ΔX＝nX₀，n＜＜1，则有：

因为n＜＜1，有n²sin²(wt)＜＜1,2ncos(wt)＜1，故上式可近似等于：

当输入回路接采样电阻，有感应电压V₀：V₀＝-AC₀Vn cos(wt),式中，A为系数；C₀为两个极板距离为X₀时的电容；C为动极板与定极板间的振动电容；C₀nw是设定已知量，感应电流i(t)与cos(wt)和空间电势有关，通过后接信号采集与处理单元，可以计算出输出电压，该电压信号与被测带电体电压呈线性关系。

所述的覆冰传感器采用基于称重法的架空输电线路导线标准覆冰模型，具体为：通过监测绝缘子串倾角及其拉力，结合导线悬挂点间的距离和角度，可以推导出输电线路的覆冰厚度，该模型无需依赖大量经验数据，也无需对多变的气象因素作复杂的监测，仅根据架空线路绝缘子串处张力与倾角便可对覆冰导线实时覆冰荷载进行估算，覆冰模型以绝缘子串不等高直线塔为研究对象，导线的三个悬挂点标记为A、B、C，其中AB间距离为l₁，高差角为β₁，高度差为h₁；AC间距离为l₂，高差角为β₂，高度差为h₂；G为绝缘子串A的垂向总荷载；T_v为A处导线的垂向总荷载，其等于张力T的竖直分量，则需测量的绝缘子A的张力T及其倾角

的推导如下：根据导线实际线长悬链式方程，可得到导线实际长度如下：

式中，γ₀为导线比载；σ₀为导线最低点水平应力；由上式可以计算处AB、AC各自的γ₀/σ₀值，A处距AB挡内导线最低点O₁的导线长度为：

A处距AC挡内导线最低点O₂的导线长度为：

由A处竖直方向力平衡可知：

在无风未覆冰的情况下，测得绝缘子串A张力为T₀，倾角为

则A处导线垂向总荷载为：

在有风未覆冰的情况下，测得绝缘子串A张力为T，倾角为

则A处导线垂向总荷载为：

A处覆冰前后垂向总荷载之差为：

记冰荷载为q_ice，风荷载为q_wind，导线与绝缘子自重荷载为q₀，由于导线悬挂点垂向总荷载等于该点到挡内导线最低点间导线长度与荷载之积，所以：

其中，风荷载q_wind可通过风速传感器、风向传感器、大气压传感器综合计算出来；我国电力系统线路设计标准规定覆冰形状为均匀圆柱，设导线覆冰厚度为b，导线直径为d，冰密度为ρ₀，则标准覆冰厚度为：

在本实施例中，故障定位系统对故障定位的方法为：故障定位可分为区间定位和精确定位，一般是根据区间定位推测大致位置，再根据精确定位锁定精确位置；一、故障区间定位方法：1、故障点位于区间内，如图10所示：监测终端分布安装于交流输电线路M和N位置，装置安装方向均朝B变电站方向，故障发生在M和N区间内C点处，故障发生后，短路电流均由母线流向线路故障点C，所以监测终端M处与监测终端N处所监测到的短路电流相位相反，如图11所示；2、故障点位于区间外，如图12所示，监测终端分布安装于交流输电线路M和N位置，装置安装方向均朝B变电站方向，故障发生在M和N点区间外一侧的C点处，故障发生后，短路电流均由母线流向线路故障点C，所以监测终端M处与监测终端N处所监测到的短路电流相位相同，如图13所示；二、故障精确定位方法：无论故障点在区间内还是在区间外，因为行波的速度是恒定的，均可以通过行波到达监测终端的时间差，来计算故障点的具体位置，原理如图14所示，L_M＝(L+v·(t_M-t_N))/2,L_N＝(L-v·(t_M-t_N))/2；三、单端定位方法：上述两种方法均是通过两个终端来定位故障，其实如果只有一个监测终端也是可以定位的，只是效果不如多个监测终端准确，方法1：如图15所示，M点为装有监测终端的监测点，故障点发生在A变电站和M之间的C点处，由故障点产生的行波以速度v沿输电线路向B变电站传播，并在B变电站和C之间来回反射，监测终端M记录故障行波通过该监测点处的时刻，即可构成单端行波故障定位；方法2：如图16所示，M点为装有监测终端的监测点，故障点发生在A变电站和M之间的C点处，由故障点产生的行波以速度v沿输电线路向两端变电站传播，并在A变电站反射，监测终端M记录故障行波通过该监测点处的时刻，即可构成单端行波故障定位；

行波在线路传输过程中会因电阻、电导、大地以及电晕等因素产生损耗，引起波形衰减，如图17所示的行波传输衰减规律图，行波传输至第一套监测终端时，测量其幅值为215mA；至第二套监测终端时，幅值衰减至71mA；传输至39km时进一步衰减到33mA，较低幅值的波形使得其主要特征变得模糊，难以提取，对故障点的精确定位及波形类型辨识造成困扰，此外，当故障行波传输后其幅值降低到30mA以下，则容易与线路偶然强电晕放电特征造成混淆，难于提取，行波在输电线路上传播存在衰减与畸变，在行波传播超过20km以上时可能造成波头陡度变缓、波头特征改变或消失，影响诊断结果，因此采取每20-30km布置分布式监测终端较为合理，如表1所示：

表1监测终端分布配置情况

当线路有“T接”，架空电缆混合时，因为会影响行波的路径和波形，因此要在接驳点配置监测终端，同时，当线路横跨多个地区，涉及多个运维管理单位时，最好在运维分界点配置监测终端；

故障的辨识：1、雷击：超高压输电线路发生雷击故障时，故障电流为千安级，通常可达几十千安；雷击故障行波电流的波头较陡，波头时间较短，通常为微秒级，可以此作为雷击故障的辨识依据，如图18-19所示；

2、树障：因树枝接触导线或小于安全距离导致的放电故障，监测终端录得的典型故障行波波形如图20所示，波形特征：波头下降沿很缓，波头上升沿较其它高阻接地故障陡，放电主峰前有间歇性闪络，行波幅值较小(小于100A)，可低至安培级；

3、山火：因山火使空气热游离和烟尘等因素导致的放电故障，监测终端录得的典型故障行波波形如图21所示，波形特征：主波上升沿及下降沿均较平缓，波头半峰值时间长；行波幅值较小(小于300A)；波形较平滑，主波上升沿无明显预放电特征，但主放电前一般存在微弱预放电；

4、风偏：因强风导致导线与杆塔或避雷线距离小于安全间距发生放电故障，监测终端录得的典型故障波形如图22所示，波形特征：主波上升沿较陡，波头时间小，半峰值时间长；常短时间内发生多次故障，由于放电通道相同，主波相似度高。

案例分析：故障案例1所在线路全长208.734km，在该线路48号杆塔、84号杆塔、107号杆塔、160号杆塔安装了故障监测终端，该线路于某一时间点发生跳闸故障，对该线路4套监测终端采集到的工频电流进行对比，得到故障时刻48号杆塔及84号杆塔L2相的工频电流波形如图26所示，图中异常电流突增2个周期后归零，与线路发生故障时工频电流特征一致，判断该线路L2相发生跳闸故障，且48号杆塔与84号杆塔上分闸工频短路电流相位角相反，因此可确定故障点位于48号杆塔与84号杆塔之间；

在48号至84号杆塔之间进行双端行波定位计算，根据故障时刻找出初始故障行波电流波形，如图27所示，对两波形的波头时刻进行标定后，可知初始故障行波第一次到达48号杆塔的时刻，与第一次到达84号杆塔的时间差Δt＝4μs，根据在线波速测定结果，行波在该线路的波速为290m/μs，可算出故障点在距离48号杆塔8.474km处，查阅线路档距资料后，确定故障杆塔为66号杆塔，本次故障行波电流幅值较小且半峰值时间较长，判断为非雷击故障。

本发明为高压输电线路异常报警系统，在使用中，本发明采用多个监测终端1安装在输电线路上，通过在线监测主机4进行输电线路的监测，通过信号采集传感器6能够监测到各个监测点的温湿度、杆塔倾角、风速、风向、覆冰情况，验电预警装置10实时监测输电线路的带电状态，便于检修，实现高压输电线路的实时监测，便于及时发现线路异常，并通过报警模块13能够提供输电线路的高温、倾角、覆冰、断路以及当前检修线路的带电状态多重报警，并且，一旦输电线路出现故障，能够通过GPS定位模块11及时地将故障位置发送给监控系统，并配合故障定位系统32快速锁定故障地点，实现线路异常分析及快速定位，有利于维修人员的检修，在对线路覆冰状况的监测中，基于基于称重法的架空输电线路导线标准覆冰模型以及通过风速传感器、风向传感器综合计算的风荷载来进行覆冰状况的监测，通过风荷载来进行覆冰状况的监测，准确度更高，能够更准确地反映出覆冰情况；本发明具有结构简单、线路异常实时监测、线路带电状态实时监测、实现线路异常分析及定位的优点。

Claims (10)

1.一种高压输电线路异常报警系统，它包括监测终端、传输网络、监控系统，其特征在于：所述的监控系统包括云服务器和故障定位系统，所述的监测终端包括在线监测主机，所述的在线监测主机包括故障录波器、信号采集传感器、中高频电流互感器、通信模块、主控制器、验电预警装置、GPS定位模块、护层电流采集装置、报警模块、电源管理模块、CT电流互感器、蓄电池和太阳能电池板。

2.如权利要求1所述的一种高压输电线路异常报警系统，其特征在于：所述的电源管理模块分别与CT电流互感器、蓄电池和太阳能电池板电连接。

3.如权利要求1所述的一种高压输电线路异常报警系统，其特征在于：所述的护层电流采集装置包括支架，所述的支架内测上方设置有套管，所述的套管内部两端均设置有连接板，所述的连接板内部均设置有中高频电流互感器，所述的中高频电流互感器内部设置有导线，所述的支架内测下方设置有螺纹座，所述的螺纹座内部设置有螺杆，所述的螺杆上下两侧端部分别设置有卡线夹座和旋钮，所述的支架下方左右两侧均设置有连杆，所述的连杆外侧均设置有验电预警装置。

4.如权利要求3所述的一种高压输电线路异常报警系统，其特征在于：所述的支架为“U”形结构，所述的套管为下开口的半圆形结构，所述的中高频电流互感器为下开口的环形结构，所述的连接板为弧形结构且内外弧度分别与所述的中高频电流互感器、套管相同。

5.如权利要求3所述的一种高压输电线路异常报警系统，其特征在于：所述的验电预警装置包括外壳，所述的外壳上下两侧分别设置有绝缘杆、验电探针，所述的外壳内部设置有内壳，所述的内壳内部设置有处理电路板，所述的处理电路板上方设置有动极板，所述的动极板上方设置有定极板。

6.如权利要求3所述的一种高压输电线路异常报警系统，其特征在于：所述的护层电流采集装置还包括前端信号调理模块、嵌入式处理单元、电源模块、AD转换模块和数据传输模块；所述的信号采集传感器包括倾角传感器、控制单元、天线MODEM、风速传感器、风向传感器、温湿度传感器、电源模块和覆冰传感器。

7.如权利要求6所述的一种高压输电线路异常报警系统，其特征在于：所述的护层电流采集装置的数据传输模块与通信模块建立通讯连接，所述的通信模块与信号采集传感器的天线MODEM建立通讯连接。

8.如权利要求1-7任一项权利要求所述的一种高压输电线路异常报警系统，其特征在于：所述的故障录波器采用RCS-904A型录波器，所述的中高频电流互感器采用SLF7032T型互感器，所述的通信模块采用MC55型模块，所述的主控制器采用STM32型处理器，所述的处理电路板采用STM32F103VE型电路板，所述的GPS定位模块采用GS-89M-J型模块，所述的报警模块采用HEF4011BT型模块，所述的电源管理模块采用TPS79533型模块，所述的CT电流互感器采用GN-CT-108型互感器，所述的杆塔倾角传感器采用SCA100T-D01型传感器，所述的温湿度传感器采用SHT71型传感器，所述的风速传感器和风向传感器采用EC21A型传感器。

9.如权利要求5所述的一种高压输电线路异常报警系统，其特征在于：所述的验电预警装置采用振动电容原理对静电场进行测量，实现高压输电线路的验电检测，具体为：振动电容原理是利用极板振动改变感应电极与被测表面间的电容大小，形成感应电流，通过对感应电流的计算得到被测物体表面的静电电位，可以不用与被测带电体接触，测量过程中受环境中干扰因素影响很小，当振动的感应极板前方靠近带电体时，电场中的感应极板会感应出相应的感应电荷，验电预警装置由定极板和感应动极板构成，工作状态下动极板在位置A与位置B做往复振动，振幅为ΔX，X₀为定极板与动极板间距离，当空间存在一定面积的带电体，定极板感应电荷Q和动极板之间存在电势差V，不考虑电场均匀度影响，带电体和动极板之间电场E和电势差V成线性关系，由于存在空间电场E，动极板上形成感应电荷q，当极板位置不变时感应电荷q为电容C,与极板电势差V的乘积：q＝CV，两个极板的距离改变，极板间的电容和感应极板上的感应电荷也会产生变化，因此极板发生充放电，即在后端电路中输出一个变化的感应电流，设静止位置下两极板的间距距离为X₀，此时构成的电容大小为C₀，感应动极板作正弦振动，振幅为ΔX，角频率为w，因此有两极板间距表达式为：X＝X₀+ΔXsin(wt)，感应动极板随传感器振动驱动信号振动后，振动过程中极板间构成的振动电容值为：

式中，ε₀为空气介电常数；S为传感器电极的面积，假设感应极板往复振动一个周期内，电场E近似等于不变、极板之间电势差不变，有感应极板感应电流i(t)为：

由于感应动极板的振幅ΔX极小，而X₀远大于ΔX，假设ΔX＝nX₀，n＜＜1，则有：

因为n＜＜1，有n²sin²(wt)＜＜1,2ncos(wt)＜1，故上式可近似等于：

当输入回路接采样电阻，有感应电压V₀：V₀＝-AC₀Vncos(wt),式中，A为系数；C₀为两个极板距离为X₀时的电容；C为动极板与定极板间的振动电容；C₀nw是设定已知量，感应电流i(t)与cos(wt)和空间电势有关，通过后接信号采集与处理单元，可以计算出输出电压，该电压信号与被测带电体电压呈线性关系。

10.如权利要求6所述的一种高压输电线路异常报警系统，其特征在于：所述的覆冰传感器采用基于称重法的架空输电线路导线标准覆冰模型，具体为：通过监测绝缘子串倾角及其拉力，结合导线悬挂点间的距离和角度，可以推导出输电线路的覆冰厚度，该模型无需依赖大量经验数据，也无需对多变的气象因素作复杂的监测，仅根据架空线路绝缘子串处张力与倾角便可对覆冰导线实时覆冰荷载进行估算，覆冰模型以绝缘子串不等高直线塔为研究对象，导线的三个悬挂点标记为A、B、C，其中AB间距离为l₁，高差角为β₁，高度差为h₁；AC间距离为l₂，高差角为β₂，高度差为h₂；G为绝缘子串A的垂向总荷载；T_v为A处导线的垂向总荷载，其等于张力T的竖直分量，则需测量的绝缘子A的张力T及其倾角

的推导如下：根据导线实际线长悬链式方程，可得到导线实际长度如下：

式中，γ₀为导线比载；σ₀为导线最低点水平应力；由上式可以计算处AB、AC各自的γ₀/σ₀值，A处距AB挡内导线最低点O₁的导线长度为：

A处距AC挡内导线最低点O₂的导线长度为：

由A处竖直方向力平衡可知：

在无风未覆冰的情况下，测得绝缘子串A张力为T₀，倾角为

则A处导线垂向总荷载为：

在有风未覆冰的情况下，测得绝缘子串A张力为T，倾角为

则A处导线垂向总荷载为：

A处覆冰前后垂向总荷载之差为：

记冰荷载为q_ice，风荷载为q_wind，导线与绝缘子自重荷载为q₀，由于导线悬挂点垂向总荷载等于该点到挡内导线最低点间导线长度与荷载之积，所以：

其中，风荷载q_wind可通过风速传感器、风向传感器、大气压传感器综合计算出来；我国电力系统线路设计标准规定覆冰形状为均匀圆柱，设导线覆冰厚度为b，导线直径为d，冰密度为ρ₀，则标准覆冰厚度为：

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