基于导线取能的绝缘子闪络定位系统的设计研制

张龙，白志强，王瑞，赵贵勇，陈红艳

(1.内蒙古工业大学 电力学院，内蒙古 呼和浩特 010080;2.内蒙古超高压供电局，内蒙古 呼和浩特 010080;3.国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

输电线路绝缘子所处环境的特殊性，造成了其发生闪络的随机性，而且绝缘子数量庞大，分布面积广，为工作人员及时确定闪络绝缘子位置从而消除缺陷带来了极大的不便。目前输电线路绝缘子闪络定位主要有观测法、紫外检测法、超声波检测法等，近年来随着科技的进步，也出现了通过监测绝缘子泄漏电流，并利用通信网络传输相关信息的远程在线定位系统。然而上述方法均存在缺点，如观测法不够准确、可靠性差，紫外检测法受观测角度影响，超声波检测法在线使用不够灵活等［1-3］。远程定位系统作为一种新型方法，其监测终端大都安装在架空线路绝缘子附近，并且绝大多数都使用太阳能或风能供电［4-5］，然而此供电方式受气候条件影响较大，且缺乏长期免维护能力。

本文设计研制了基于导线取能的输电线路绝缘子闪络远程定位系统，该系统可以迅速确定闪络绝缘子的位置，并以上位机报警和手机短信的形式通知运行人员，为工作人员消除事故隐患赢得宝贵时间。尤其是该系统采用了导线取能的供电方式，使得系统运行更加稳定可靠。

1 系统整体结构与工作原理

1.1 系统整体结构

该系统由罗氏线圈电流传感器、监测终端、监测中心上位机等部分组成。对应每基杆塔三相绝缘子串设置三个监测终端以及与之配套的三个罗氏线圈电流传感器，如图1所示，罗氏线圈电流传感器套装在绝缘子串与导线连接的金具上，监测终端套装在距离绝缘子串不远的导线上，通过导线直接获取电能，罗氏线圈电流传感器延伸出来的信号线通过末端的航空插头插到监测终端的航空插座上。其中，B相监测终端装有两根天线，一根天线用于GSM通信，另一根用于ZigBee通信;A、C相监测终端各装一根天线，用于ZigBee通信。远程监测中心的上位机也安装有GSM天线，用于同B相监测终端通信。

1.2 系统工作原理

绝缘子发生闪络时，其表面就会有大电流流过，系统利用罗氏线圈电流传感器采集该电流，并输出一个电压信号，监测终端接收到电压信号后，对其进行分析与处理，进而通过通信网络将闪络绝缘子所在的杆塔号及相别以手机短信的方式发送给上位机，上位机报警后，同时给工作人员手机发送报警短信，工作人员即可迅速获得闪络绝缘子的确切位置。

图1 系统整体结构示意图

2 罗氏线圈电流传感器的设计

罗氏线圈是均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形空心线圈［6］，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流，被测电流沿轴线通过罗氏线圈时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，从而在线圈上产生感应电压。罗氏线圈作为采集电流的传感器，可以测量频率从几赫兹到1 M赫兹，幅值从几安培到几百千安培的电流，具有极佳的瞬态跟踪能力，还可以用于测量形状不规则的导体电流。

根据本系统设计要求，传感器需要及时获取绝缘子发生闪络时形成的电流信号，而线路绝缘子闪络电流值能达到千安数量级，且一次闪络持续时间为微秒数量级［7］，因此对传感器的性能提出了很高的要求。而罗氏线圈的测量灵敏度、结构参数的稳定性与其制作工艺有着密切联系，因此需对其做出合理设计。

图2 自制的罗氏线圈电流传感器

在罗氏线圈电流传感器的设计过程中，主要考虑了线圈的绕线材料、环形骨架材料等。经过一系列实验测试，最终选用直径为0.3 mm的漆包线绕在环氧树脂骨架上［8］。自制的罗氏线圈电流传感器如图2所示，线圈整体用绝缘套包裹，防止杂散电磁场对整个测量回路的干扰，并引出一根长度为2.5 m左右的输出信号线，信号线末端接连航空插头，以便插到监测终端的航空插座上。自制的罗氏线圈电流传感器性能高，结构简单，安装方便，套装在绝缘子串与导线连接的金具上，无需改动杆塔原有结构。

3 监测终端整体设计

系统监测终端对罗氏线圈电流传感器采集到的绝缘子闪络电信号进行分析与处理，并控制系统正常通信，整体结构包括:电源模块、微处理器模块、闪络电信号处理模块、数据通信模块、储存单元模块等。其中，闪络电信号处理模块、微处理器模块同以往的远程在线定位系统相类似，这里不再赘述，下面主要介绍本系统独特的电源模块和数据通信模块设计。

3.1 导线取能联合锂电池供电电源的设计

系统监测终端安装环境的特殊性对电源供给提出了很高的要求［9］。为了解决电源供给难题，保证对监测终端的连续和稳定供电，本系统设计了一种新型供电方式，即导线取能(从架空导线上直接获取电能，本文简称“导线取能”)与锂电池联合供电。

导线取能是在导线上套装电流互感线圈，利用线圈感应导线周围变化的磁场，将导线能量转换到线圈二次侧，并经过一系列电路的处理最终输出直流稳定电压［10-11］，为监测终端核心电路板供电，同时给锂电池充电。锂电池容量为10.5 AH，可保证系统在线路不带电情况下连续运行1个多月，而且为了延长锂电池的使用寿命，设计了锂电池充放电保护电路，充电时，当锂电池的电压充的过高，保护电路则停止对锂电池充电，以防止电池充爆;放电时，当锂电池电压过低，保护电路则停止放电，以防止锂电池亏损。电源模块工作原理如图3所示。

图3 电源模块工作原理框图

本系统设计的取能线圈为开合式电流互感线圈，同样引出一根输出信号线，信号线末端连接有航空插头，安装时，先将取能线圈打开，把导线固定在线圈内部，如图4(a)所示，然后将取能线圈闭合，同时把其信号线航空插头插到监测终端航空插座上，如图4(b)所示。

图4 取能线圈安装示意图

3.2 数据通信模块的设计

本系统数据通信由两个部分组成:A、C相监测终端通过Zig-Bee无线通讯网络与B相监测终端通信;B相监测终端、监测中心上位机、工作人员手机之间通过GSM网络通信。具体通信方式为:若B相绝缘子串发生闪络，则B相监测终端直接通过GSM网络将闪络信息传送到上位机，上位机再发送报警短信给工作人员;若A、C相绝缘子串发生闪络，则A、C相监测终端首先通过ZigBee无线通讯网络与B相监测终端通信，再由B相监测终端通过GSM网络将闪络报警信息发送给上位机和工作人员手机。其中，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低的各种电子设备之间进行数据传输［12］。ZigBee技术在A、B、C三相监测终端之间通信的应用，大大降低了系统功耗和成本，使得系统运行更加安全稳定。

4 系统软件设计

4.1 监测终端程序设计

程序采用了模块化的设计思想，具有较高独立性。系统每次开机后，即进入初始化过程，系统先给各模块初始化，之后检查是否有新的设置信息，包括杆塔地址、绝缘子串相别和手机号码，如果有，则提取设置信息写入到存储模块，并将设置结果回复给设置手机;如果没有，定时5分钟后，切断GSM模块电源，系统进入正常监测模式(低功耗状态)。当输电线路杆塔某相绝缘子串发生闪络，罗氏线圈电流传感器检测到闪络电流，经闪络电信号处理模块，闪络信号触发单片机中断，将单片机从低功耗模式下唤醒，并接通GSM模块电源，从而启动GSM模块，单片机从存储模块中读取杆塔地址、绝缘子串相别和手机号码，通过GSM通信模块将闪络信息及时发送给监控中心上位机和工作人员手机，通信完毕后系统自动进入低功耗状态，继续实时监测闪络信号。程序流程见图5。

图5 程序流程图

4.2 上位机软件设计

上位机软件由专家系统构成，具体包括以下几个功能模块:GSM数据传输模块、数据处理模块、历史数据查询模块、报警信息查询模块等。监测中心专家系统结合相关专业知识、工作人员运行经验，通过模糊诊断技术对监测终端传输来的数据进行分析处理，从而判断所监测的绝缘子是否发生闪络。而且专家系统集中管理闪络信息及当时环境参数，提供具体和全面的历史数据分析、查询和打印。上位机软件界面如图6所示。

图6 绝缘子闪络定位系统上位机软件界面

5 实际应用情况

基于导线取能的绝缘子闪络远程定位系统于2013年9月25日在内蒙古超高压供电局所属500 kV汗旗Ⅰ线进行了现场安装，安装完成至今，运行情况良好，对输电线路的正常运行没有产生任何影响，并已多次迅速、准确定位闪络绝缘子，而且统计结果表明，从绝缘子闪络到工作人员手机接收到报警短信所需时间为72秒左右，具体收到报警短信所用的时间根据GSM网络状况不同会略有差别。

6 结束语

本文设计研制的基于导线取能的绝缘子闪络远程定位系统具有以下特点:

(1)自制的罗氏线圈电流传感器灵敏度高、测量频率宽、抗干扰能力强，能够实时精确捕捉绝缘子闪络电信号，且结构简单、成本低廉、易于安装。

(2)导线取能联合锂电池供电的方式保证了对监测终端的连续和稳定供电，解决了在线监测装置电源供给的难题。

(3)监测终端A和监测终端C通过具有近距离、低功耗、低成本的双向无线ZigBee通讯模块与监测终端B通信，大大降低了系统功耗和成本;监测终端B、监测中心上位机、工作人员手机通过现有的GSM网络通信，无需自行搭建通讯网络，具有运行费用低，稳定可靠，覆盖范围广等优点。

(4)定位准确，反应迅速灵敏，能够在极短的时间内将闪络绝缘子所在的杆塔号和相别等信息通知给工作人员，为工作人员消除事故隐患赢得宝贵时间，极大地节约了人工巡线的时间和成本。

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