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摘要：针对传统输电线路绝缘子检测方法存在费时、费力、欠可靠等缺点，提出了一种实用的新型的绝缘子闪络在线监测系统。该监测系统利用低功耗的MCU和无线射频模块通信，实现了绝缘子闪络的实时在线监测和状态检修，提高了电力系统供电的可靠性。监测系统具有数据远传功能，通过GPRS、无线自组网解决了长距离信号采集传输的难题，降低了设备后期维护的成本。绝缘子在线监测可以及时掌握绝缘子的运行状况，节约了成本也提高了工作人员的效率，为指导绝缘子状态清扫提供了参考，能有效预防线路事故，提高线路运行和管理水平。
关键词：输电线路；闪络电流；绝缘子；无线网络；在线监测
作者简介：董京胜（1968-），男，北京人，北京市电力公司昌平供电公司，助理工程师；李干（1988-），男，河南商丘人，北京市电力公司昌平供电公司，工程师。（北京 102200）
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）36-0152-02
高压输电线路中绝缘故障引起的断电次数较多，而输电线路的绝缘子是高压网络中绝缘的薄弱环节。[1]绝缘子长期暴露在空气中，并长期工作在骤冷骤热、强电场、风吹雨打、潮湿、污秽物（酸、臭氧、灰尘等）的恶劣环境中，易出现绝缘强度降低、内部裂纹和污闪等故障。据统计，国内110kV以上的线路大多数都发生了不明原因的闪络，造成了输电线路绝缘性能下降，导致了重合闸动作失效，其所占电力系统故障的比例高达22%，对电力系统的稳定性有很大影响，引起了国内外的广泛关注。[2-5]传统的监测方法包括：离线的盐密度监测法、绝缘电阻测定法、分布电压测定法、交流耐压法等，以往的都是定时检修方法，工作量较大、测量精度不够高，不能实时在线监测绝缘子的状态，无实施细则，具有一定的盲目性。[6]
随着科技的发展，市场上也出现了绝缘子闪络的在线监测产品，大多数产品采用监测绝缘子的泄漏电流的方法判断绝缘子闪络，利用GSM、CDMA、GPRS等卫星通信网络实现了绝缘子在线监测，然而这类型监测设备成本较高，后期维护价格更是昂贵，未能大范围的推广应用。因此，探讨高压输电线路上绝缘子闪络在线监测技术，是解决该问题的有效方法之一。本文提出了一种基于无线自组网的绝缘子在线监测系统，在某些程度上大大降低了设备运行和维护的成本，实现了输电线路绝缘子全范围的在线监测，能够迅速确定绝缘子的故障位置，大大提高了检修工人的工作效率。
一、在线监测系统的设计
高压输电线路绝缘子闪络在线监测系统由闪络电流传感器、信号处理单元、太阳能供电单元、无线通信网络单元组成，如图1所示。太阳能充电储能系统保证了监测设备能够长时间运行，无线网络实现了故障发生时能够及时通知工作人员故障的原因及地点。
绝缘子发生闪络故障时，发生绝缘子击穿，引起电力系统对地的工频续流，造成短时间的工频接地故障。输电线路接地杆塔流过较大的工频续流，能产生一个工频交流电磁场。本文提出的监测系统利用电感线圈直接测量工频电磁场来识别绝缘子是否发生闪络。这种故障定位方法简单、可靠，而且不依赖于任何测距算法，原理上没有故障定位误差。一旦发生故障，监测装置会主动唤醒周边的其他监测装置，并发送故障数据信息，然后数据信息以“手牵手”接力的方式传送到数据汇集单元，最后汇聚节点通过GPRS网关传输到监控中心。如果中间某一个监测单元因故障不能实现“手牵手”通信链路，则监测单元会自动搜索周围其他良好的监测单元，通信单元的冗余度提高了监测系统通信网络的可靠性和稳定性。监控中心分析上传的数据以直观的方式反馈给用户，同时将数据保存或者打出报表。
输电线路上获取能源成本较高且安装复杂，本文提出的系统采用Atmel公司的低功耗atmega8单片机、TI公司低功耗传输网络芯片CC1101以及无源闪络电流传感器，降低了系统整体的能耗，监测设备在无光照或光照强度不够时不能对监测设备的电池进行充电，电池自身电量可以使监测设备工作4个月，当阳光充足的时候，太阳能对蓄电池充电，连续8个小时可以充满电，保障了系统供电的可靠性。
二、信号调理处理设计
输电线路存在大量的谐波和电晕现象，监测装置在这种强磁场高电压干扰下，易造成传感器信号的失真。滤除高次谐波、提取工频50Hz的工频信号为绝缘子在线监测系统提供了一定的科学数据，为识别和判断绝缘子闪络提供了可靠的保证。为了尽可能多的获取信号中真实的数据和减少CPU处理数据的负担，本文采用 Butterworth有源低通模拟滤波器滤除信号中的300Hz以上的信号成分，如图2所示。滤波器是通过RC滤波电路和相同比例放大电路的压控电压源二阶低通滤波电路来实现的，该电路的小信号分析结果如图3所示，具有良好的滤波效果，达到了现场环境的要求。
为了提高监测系统的灵敏度，将滤波后的低频信号进行10倍放大，再利用运放开环电路实现了电压比较器功能，通过调节可调电阻提供的参考电位可以改变故障电流的整定值。当发生故障时，传感器耦合的信号经过滤波、放大后与故障电流整定值比较输出高电平，触发MCU外部中断0唤醒单片机，比较器输出波形如图4所示，图4中正弦信号是闪络电流传感器测量的信号，直流为故障电流整定值，通过调节可调电阻比例值改变故障电流整定值，方波信号是传感器测量信号和整定值比较的结果，可将输出信号传给MCU。单片机经过计算分析故障电流，通过无线传输模块传送到终端服务器，以便工作人员能够准确确定闪络电流发生的位置，尽快检修绝缘子恢复供电。
三、无线通信网络设计
随着无线传感网络技术和Zigbee技术的发展，大量传感器网络通过自组网方式构成星型、网状、环形等多种网络拓扑结构，各种网络结构均包括路由节点、协调节点、设备终端节点，其中路由节点、协调节点要求一直或者间歇处于接收状态并要求实时供电，终端节点可以处于休眠或者待机状态。而电力系统输电线路属于链状结构，要求各个节点都要完成路由节点、终端节点、协调节点的功能，且节点要求低功耗、低成本，因此，Zigbee技术不能完全移植到输电线路绝缘子的在线监测系统。本文针对输电线路在线监测自身特点提出了一种新型的无线传感网络，能够实现实时监测输电线路绝缘子闪络，如图5所示。
无线收发芯片CC1101是一种低成本、低功耗、无需申请频点、传输可靠、支持无线传感网络技术的单片可编程UHF收发芯片。其工作频段灵活，可以设定在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM工业科学、医疗和SRD频段。CC1101收发器集成了一个可配置的调制调解器，其可编程数据的传输速率可达500kBaud。无线收发空旷的传输距离达300～500m，且该模块具有无线远程唤醒功能，支持低功率电磁波激活功能，利用该模块的无线唤醒特性可以方便的实现自组网、低功耗的功能。[7]
在输电线路无故障状态下，各个闪络电流监测设备处于休眠状态，功耗小于50uA。现假设7号杆塔发生绝缘子闪络，有工频续流流过杆塔，此时监测设备检测到电流产生的工频磁场，触发和唤醒MCU，单片机通过数字信号分析处理，判断是否是由于绝缘子闪络造成的故障，如果判断为绝缘子闪络，唤醒该监测设备的无线通信模块，该模块发射低功率的电磁波唤醒周边的3、5、6、8节点，按照预先设定的模式将故障信息发送到3号节点，CC1101带有硬件地址检测功能，5、6、8节点由于地址不匹配忽略收到的数据。如果3节点出现故障不能自组网，7号节点依次将数据发送到5、6、8节点，直到收到对方的应答，表示信道良好。这样在某种程度上大大降低了网络的盲点，当数据传输到汇聚节点时，通过GPRS模块将数据传输到终端服务器，实际运行中可以每间隔10～30公里加装一个GPRS模块，降低了设备维护和运行的成本。绝缘子在线监测设备具有硬件自检功能，当发现监测设备电池电量低时，相邻的监测设备通知服务器及时更换该节点，以保证监测设备无线自组网的健壮性和可靠性。
四、结论
第一，绝缘子闪络的在线监测系统可以及时掌握绝缘子的运行状况，实现了状态检修，节约了成本也提高了工作人员的工作效率。
第二，绝缘子在线监测设备采用了低功耗的MCU和无线射频模块，同时利用无线唤醒特性和太阳能充电储能系统，降低了监测设备的功耗和保证了工作电源的可靠性，实现了绝缘子实时在线监测，提高了电力系统供电的可靠性。
第三，监测设备具有数据远传功能，解决了长距离信号采集传输的问题，同时也降低了设备和后期维护的成本，实现了全范围、低成本的绝缘子在线监测系统。
参考文献：
[1]于万聚.高速电气化铁路[M].成都：西南交通大学出版社，2005.
[2]顾乐观，孙才新.电力系统的污秽绝缘[M].重庆：重庆大学出版社，
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[4]Tomotaka.Frequency characteristics of leakage current waveforms of a string of suspension insulators[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2005，
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[5]Piah MAM，Darus A.Modeling leakage current and electric field behavior of wet contaminated insulators[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2004，
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[6]陶元忠，包建强.输电线路绝缘子运行技术手册[M].北京：中国电力出版社，2003.
[7]CC1101 Single-Chip Low Cost Low Power RF-Transceiver Datasheet[Z].
Texas Instruments，2008.
（责任编辑：孙晴）