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如何利用微波探测输电线路外破的电力专用逆变电源-架空地线取能?

输电线路周边的施工行为日益增多,现有的外力破坏监测方式主要有视频、激光对射等,设备功耗大,实时工作对电力专用逆变电源容量要求较高,而现有的外力破坏监测装置普遍采用太阳能方式供电,可靠性受天气条件影响,难以保障监测系统的可靠工作。

针对以上问题,本文研究了一种采用电力专用逆变电源-架空地线感应取电方式供电、基于低功耗微波探测技术的外破监测方法,现场有异常情况时启动图像设备拍摄现场状况取证,从而提高防外力破坏监测系统工作的可靠性。

随着我国城市化和工业化进程的不断加速,高速铁路、公路、楼房等基础设施建设的快速推进,输电线路外力破坏的发生愈加频繁。运行数据表明,吊车碰线、违章施工、盗窃等外力破坏故障已成为输电线路事故跳闸和强迫停运的主要原因,对电网的安全稳定运行造成了严重的威胁[1]。

为了解决输电线路外力破坏安全隐患,市面上出现了各种具备信号采集和报警功能的防外力破坏监测装置,其中主流的方法包括视频监控、激光对射布防等,以上方法能够对外破预防起到一定作用,但是在应用过程中均存在局限性。

主要表现在以下方面: ①视频监控流量费用高,且需要耗费大量人力进行监控;②激光对射布防需实时工作,功耗较高,且采用太阳能方式供电,可靠性难以保障。

针对以上问题,本文对地线感应取电技术及微波雷达探测技术展开研究,实现一种图像监拍装置正常情况下休眠,仅低功耗微波雷达实时探测,一旦监控区域出现异常,就启动监拍装置拍摄现场图片,并上报报警信息或启动现场报警器的外破监控方式,从而极大程度提高了外破监测可靠性。

1  电力专用逆变电源-架空地线感应取能研究

电力专用逆变电源-架空地线接地方式主要有两种,分别是逐基接地及分段绝缘单点接地[2]。后者能够有效降低地线感应能量损耗,但是地线绝缘改造比较复杂,多在有融冰需求或线损较大的线路应用,逐基接地仍为主要的接地方式。

两根地线与三相导线的分布不完全对称,导线中的交变电流在地线形成的金属回路产生的磁通感应出电势,并在地线形成环流,电势大小与三相导线电流大小、导线与地线的几何位置关系相关,而环流大小则与地线回路中的电阻相关。逐基接地的地线取能原理可以等效为如图1所示。

输出功率与折算到原边的负载大小相关,当负载折算到原边的阻抗与环路内阻R0相等时,能够输出最大功率,可通过匝数优化设计提高其输出功率。根据相关文献,在匹配条件下,当导线电流100A时,地线取能输出功率可达18.9W[3]。
以某220kV输电线路参数为例,导线计算半径r为14mm,直流单位长度电阻RD为0.08,地线r和RD分别为6.8mm和0.8;基于ATP-EMTP软件搭建了输电线路模型,仿真模型如图2所示,考虑负载为阻性负载,其输出功率与负载电阻的关系如图3所示,在阻抗匹配的情况下,存在最大输出功率点。等效内阻大小和线路长度及单位长度电阻密切相关,实际匹配电阻需根据线路情况选取。

图1  地线感应电流模型
电力专用逆变电源-架空地线取能及微波探测在输电线路外破监测的研究应用

图2  地线感应电流仿真模型
电力专用逆变电源-架空地线取能及微波探测在输电线路外破监测的研究应用

图3  输出功率与负载大小关系
电力专用逆变电源-架空地线取能及微波探测在输电线路外破监测的研究应用
2  微波雷达测速测距方法研究

微波雷达探测运动物体的原理是由发射波与回波之间的频差,即基于多普勒效应的一种检测方法。调频型雷达基于时间差频及多普勒频移,不仅可以探测动态目标的速度和距离,还可探测静态目标的距离信息。

对于输电线路外力破坏监测,当警戒区域内出现施工机械时,利用调频型微波雷达探测器可以准确获取施工机械的运动状态、运动速度以及距离信息。根据不同的状态,本系统制定了不同的预警应对方式,下文将详细展开说明。首先对微波雷达测距测速的原理进行介绍。

2.1  静态目标距离检测(略)

2.2  运动目标距离检测(略)

3  现场应用方案

输电线路外破监测区域为输电线路及其两侧走廊,不同电压等级的绝缘安全距离不同,但是由于从发现机械入侵到警报生效存在一定延时,因此告警区域应在安全距离的基础上放宽一些。

本文选用的是IVS179系列K波段雷达,有效作用距离可达500m,天线角度范围28°,微波探测雷达的现场布置方式如图6所示,可有效覆盖输电线路及其走廊监测范围。

结合雷达探测技术、图像触发监拍、地线感应取电技术,本文研究制定了一套外破监测方案。日常仅微波雷达实时工作,其功耗很低,经测试,使用本文研制的地线取能装置,在地线侧电流(感应电流)3A时,该模块即可正常工作。

当检测到静态目标时,启动图像监拍装置现场取证并将图片传至后台,管理人员可通知现场注意施工安全距离;当检测到动态目标时,启动图像监拍装置,并启动现场声光报警器,警示施工车辆,即时预警,从而达到输电线路外破有效监测的目的。

图6  微波雷达探测范围示意图
电力专用逆变电源-架空地线取能及微波探测在输电线路外破监测的研究应用


结论
本文研究的外破监测方法,日常功耗低,可采用地线感应能量持续供电,设备安装在地电位,不存在导线取电需停电安装的问题。基于微波检测信号判断的目标状态,终端智能启动图像监拍装置或现场报警器,使监控人员能够及时掌握线路的运行状态,实现智能外破监控,降低线路外破跳闸率,提高输电线路的安全稳定运行水平。

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