低温环境输电线路在线监测装置可靠性分析及提升

李德海 ，何红太

(1. 国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨150090；2.山东电工电气集团有限公司，北京100010)

0 引 言

为了更好地推动国网公司状态检修工作的开展，解决现有状态检修工作中遇到的问题并给出解决问题的合理建设性意见，因此输电线路在线监测装置愈发广泛应用[1-4]。中国北部地区特别是东北、内蒙古等地气温较低，在线监测装置易受到低温环境的影响。目前存在着非常严重的问题，如传感器精度低、前端采集数据不可靠、电池内耗大、储能效率低，传感器通信中断，电路无法工作，绝缘材料、焊接剂性能下降导致的机械故障等[5-6]。针对在线监测装置的可靠性提升技术研究，通过大量的分析，能够基本明确寒冷环境因素对在线监测装置的影响[7]，并能够获得在线监测装置的可靠性规律[8]。但是当前还缺乏定量化的研究基础和有针对性的可靠性提升及验证环节，缺乏可靠性提升的定量指标的验证及现场实验。因此，对可靠性的提升缺乏定量指导和验证。

为了解决上述问题，针对弧垂在线监测装置，提出定量化平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure，MTBF)方法并将其用于在线监测装置的可靠性分析，在定量分析的基础上采用针对性的可靠性提升措施进行装置的优化，并利用现场工作环境对可靠性进行验证。

1 可靠性分析

1.1 主要环境因素及影响部件

目前影响导线弧垂监测装置的稳定性和精确度的最主要因素包括：

1)供电可靠性因素。导线弧垂监测装置供电可靠性差，电池采用常规型的铅酸电池；低温工况下，电池的循环寿命、体积能效比和环境适应性都亟待提升(图1)。

图1 由铅酸单路供电的普通工况供电方式

2)电子器件及电路因素。部分弧垂监测装置的晶振、电容物理属性变化导致电路无法工作，防雷设计等级不高，连接线比较多，焊接点多(图2)。

图2 需要简化的主控板内部电子器件连线

3)传感器因素。弧垂监测装置的MEMS角度芯片受到低温温漂的影响，数据测量精度不够，数据不稳。

4)结构及材料因素。

a.机箱外壳生锈严重。

b.调研发现有部分装置机箱及传感器安装的固定金具的螺栓生锈，工人对装置进行维护和移塔工作时，拆卸不方便。

c.电缆接头有雨水倒灌的现象，航空插头容易发生冰雪融水浸现象，内部触点发生氧化(图3)。

图3 外接电缆连接情况

d.传感器封装机械结构中采用上下盖靠自身的止水结构防护，虽然雨水不能直接进入，但是在交变湿热的情况下，高湿气体还是会进入。

e.低温设备难启动，没有采用保温辅热设计(图4)。

图4 机箱无保温辅热设计情况

根据监测数据统计，对相关可靠性问题进行分析。总体样本故障结构数据：电源故障81起，占43%，监测设备故障108起，占57%，两者基本接近。但是具体可靠性的影响因素需要精确度量。因此引入可靠性计算方法，对装置的可靠性进行定量分析。

1.2 可靠性计算依据

作为输电线路系统运行可靠性的关键保障设备，输电线路状态监测的可靠性和使用寿命关系着整个系统的应用效果。因此，对输电线路状态监测设备的可靠性进行评估与预计，一方面可以从理论上评估系统现有的可靠性指标，另一方面可以为更深一步的优化工作提供指导。

MTBF=1/λ

式中：λ为产品的累计失效率。产品的累计失效率是各个器件的失效率总和累加：

λ=λ1n1+λ2n2+…+λini

式中：λi为产品中元器件i的失效率；ni为元器件i在产品中的使用数量。

通过对该器件的重新选型和降额设计来减少失效率，或通过减少该器件的使用数量(简化设计)来减少累计失效率，使产品的MTBF更高。另外，最终这些预计结果还是需要经过对产品实际工作的检验来验证，MTBF的第2种计算方法是实验室试验验证。

MTBF=1/λ=(n1t1+…+λini)/n

式中：T为总工作时间；n为试验样件数量；ni为工作ti时间段内，产品失效个数。

对于电子设备来说，其故障分布函数服从指数分布，这时它的可靠度函数R(t)如下所示：

R(t)=e-λt

MTBF是基本可靠性参数，根据输电线路状态监测的可靠性模型，综合各组成部分的比重，计算失效率之和。最后根据

得到输电线路状态监测系统的失效率，就可以求得其平均故障间隔时间(MTBF)。

2 可靠性模型分析

输电线路状态监测装置主要由基站主控板、监测终端、供电系统、通信系统、外接传感器等构成。

由于MTBF是一个基本可靠性参数，任一组成单元的故障都会导致系统故障，因此，输电线路状态监测的可靠性模型为一个串联结构模型，产品功能框图和可靠性框图如图5所示。

图5 可靠性模型框图

供电电源和通信装置都由单一的部件构成，在线监测装置本体可以分为多个部件，故在线监测装置本体的电路框图如图6所示。

图6 装置本体的电路框图

根据输电线路状态监测设备的可靠性框图，可以推得输电线路状态监测的可靠性数学模型为

RS=R1×R2×R3×R4×R5

式中：RS为输电线路状态监测系统的可靠性；R1为基站主控板可靠性；R2为监测终端可靠性；R3为供电系统可靠性；R4为通信系统可靠性；R5为外接传感器可靠性。

3 低温条件下导线微风振动监测装置的改进

3.1 低温环境机械装置改进

根据低温环境下的特点，对太阳能电池板安装结构、天线安装结构、机箱布局、电路板封装等进行优化，增强安装可靠性。按照机械结构稳定性设计原则对产品的设计机械与结构的部分进行梳理，着重针对机械应力对电路板的影响进行考虑与优化。对太阳能电池板安装结构、天线安装结构、机箱布局、电路板封装等进行优化，增强安装可靠性，方便工程现场安装，简化现场施工和运维作业难度。

3.2 低温条件下监测装置内部热环境改进

通过新型耐低温高能电池为监测装置提供供电电源，采用轻量化高效保温材料和小型低温加热组件实现高效保温。在-35 ℃的持续低温条件下，通过轻量化高效保温层延缓壳体内温度的下降速度，在-20 ℃以上保持若干时间；当壳体内温度降到-20 ℃时，小型低温加热组件开始工作，维持装置壳体内的0 ℃保守温度。

导线类监测装置考虑分区设计，将传感器板+电源板+通信板+耐低温高能电池4个核心部件设置为保温区，贴片天线设置为非保温区，采用3D打印技术对保温区壳体进行一体化设计。

优先采用军品级的元器件，正常工作温度下限可达-55 ℃，针对部分温度要求高的电子元器件采取集中布置，并采用PTC 恒温加热材料进行小范围局部辅热，以提高装置稳定性，电路关键元器件采用1+1 冷备份技术，在不增加功耗和通信成本的基础上，进一步提升监测装置的可靠性。

对于蓄电池部分，蓄电池充放电特性对温度极为敏感，尤其在极低温条件下，蓄电池充放电性能明显下降。为提高蓄电池在极寒天气下的性能，设计一体化保温箱，主要包括可装卸保温护套和加热装置两部分，使蓄电池在恒温下运行，保证其工作性能。

采用分体式电源箱设计，具有保温隔热功能，简化电池现场施工和运维作业难度，分体式低温型主机设计图如图7所示。

图7 分体式低温型主机设计图

3.3 低温条件下装置的功耗优化

芯片选型环节，在保证产品性能的情况下，选取低功耗、可休眠的芯片；传感器选型环节，选择低功耗的气象传感器、摄像头等外接设备；设计环节，在保证产品性能的情况下，通过降低MCU的主频、RAM的扫描模式等方式降低功耗。

加强对外设设备的电源管理，每个外设设备的电源可单独进行打开和关闭的控制；优化控制流程，对不工作的外设传感器、以太网口等功能模块进行休眠和断电控制；对设备电源进行监控，实时掌握电池的状态，根据电量对设备运行状态进行管理，在电量不足时分级关闭相应耗电设备。

3.4 低温条件下导线微风振动监测装置电源改进

当在线监测装置处于恶劣天气环境下时，受光源和太阳能采集板覆冰以及风能供电设备易被低温失能的影响，常用的太阳能、风能及蓄电池供电系统在极寒条件下不能满足对在线监测装置的供电。

目前可采用的其他取能方式有在线取能和激光供电。在线取能高压输电线路的在线取能装置利用电磁感应的原理，通过一个绕有线圈的感应铁心，将高压传输导线沿轴线从铁心穿过，从而组成一个穿心式的电流互感器。根据电磁感应定律，该铁心从母线电流上取得能量，再通过整流、滤波及电平转换电路后，得到稳定可靠的直流电源。此方法供电的能量主要来自母线或地线的电流，在交流电流周围存在交变磁场，通过磁场来传递、获得能量。

通过综合采用太阳能、风能、CT取电、蓄电池等多种方式为在线监测装置供电，保证其供电的持续性和可靠性。

4 导线监测装置低温可靠性评估

为了进一步检验导线微风振动监测装置的低温可靠性提升效果，根据前文所述的串联型低温可靠性模型，分别计算了导线微风振动监测装置在进行低温可靠性提升之前与之后的MTBF。通用型导线微风振动监测装置和低温型导线微风振动监测装置在低温地区的失效率汇总结果如表1所示。

根据串联型低温可靠性模型验证发现，通用型导线微风振动监测装置在低温地区的MTBF是26178 h，而低温型导线微风振动监测装置在低温地区的MTBF是63205 h，表明：导线微风振动监测装置的低温可靠性提升技术和方法是有效的，导线微风振动监测装置经过低温可靠性提升后，MTBF有较大的提高。

表1 可靠性数据对比

5 实验室验证

通过低温箱进行验证，在21：30将机箱放入试验低温箱中，低温箱设置温度为-30℃，机箱内初始温度为16.5℃；至10月19日8：30分，机箱内温度下降至1℃，温降过程历时11 h。实际试验数据如图8所示。

图8 低温保温性能试验数据

通过试验可知，环境温度在-30 ℃以下时，保温机箱内部温度仍然高于0 ℃，设计符合要求。

6 现场实验

在东北某66 kV输电线路X2号塔至X1号塔、X1号塔至X0号塔两个相邻档距。其中，终端塔为X2号塔，塔型号为66SJJ3，呼称高18 m；X1号塔塔型号为66SJJ1，呼称高24 m；X0号塔塔型号为66SZ2_30，呼高30 m；导线型号为LGJ-150/25，外径17.1 mm。50号和51号档距为351 m，51号和52号档距为155 m。由于该线路为同塔双回，停电方案为一回停电一回带电运行，为了保证施工安全，计划加装的2套输电线路微风振动在线监测装置和2套输电线路弧垂在线监测装置拟进行现场带电安装(图9、图10)。

图9 现场安装情况

图10 分体式电源实物及安装图

通过现场实验可知，经过2年的运行，在线监测装置表现良好，数据采集正常，发送链路畅通，得到了较好的应用效果。

7 结 语

通过进行可靠性分析、可靠性计算和有针对性的低温环境下可靠性提升技术应用，在经过机械设计、整体内部温度环境优化、电源系统效能提升后，设计了耐低温的在线监测装置，并利用实验室和真实低温环境进行了相关验证。结果表明，采用的技术手段有效，能够适应低温地区的使用要求。