電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測及處置系統(tǒng)

電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測及處置系統(tǒng)

2.青海電力科學(xué)研究院3.重慶南電科技有限公司摘要：近年的統(tǒng)計資料表明，鳥類活動引起的輸電線路跳閘故障僅次于雷害和外力破壞，居線路故障原因的第3位。為提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，有必要開展輸電線路沿線鳥類活動調(diào)查，了解并掌握輸電線路通道區(qū)域鳥類的活動習(xí)性，在不傷害鳥類的前提下，研發(fā)一種鳥類活動在線監(jiān)測裝置系統(tǒng)，用于收集、分析輸電線路桿塔鳥類活動規(guī)律，同時兼顧驅(qū)趕輸電線路涉鳥故障防護(hù)范圍內(nèi)鳥類功能，從而有效防范輸電線路涉鳥故障。系統(tǒng)做到實(shí)時感知輸電線路鳥類活動，實(shí)現(xiàn)塔上鳥類活動情況全息互聯(lián)，匯集形成鳥類活動大數(shù)據(jù)，系統(tǒng)遠(yuǎn)程啟動驅(qū)鳥終端實(shí)現(xiàn)智能處置的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：電力設(shè)施；驅(qū)鳥；在線監(jiān)測；處置系統(tǒng)引言輸電線路涉鳥故障已嚴(yán)重危害到輸電線路安全運(yùn)行，傳統(tǒng)的防鳥設(shè)施不僅影響線路檢修作業(yè)，甚至危害到桿塔周邊活動、棲息鳥類的安全，設(shè)備安全與生態(tài)護(hù)鳥之間的矛盾日益突出。綜合上述因素，探討和研究新的輸電線路涉鳥故障防范措施，實(shí)現(xiàn)鳥類與電力設(shè)施和諧共處，兼顧電網(wǎng)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)，充分體現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)在環(huán)境保護(hù)中的電網(wǎng)擔(dān)當(dāng)。2.青海地區(qū)鳥類種群及活動規(guī)律簡介青海電網(wǎng)涉鳥故障鳥類主要以大鵟、獵隼、鸛類、烏鴉、喜雀、金雕、禿鷲為主，其中大鵟、獵隼多在草原桿塔上筑巢、棲息，撲食桿塔周邊草原鼠等小型動物，在塔上排泄鳥糞時造成線路外絕緣間隙短路跳閘，其次鳥類在塔上筑巢，筑巢用異物散落造成外絕緣間隙短接故障。鸛類多為候鳥，遷徙期間臨時棲息在河谷、水庫邊桿塔上，易造成鳥糞類故障。烏鴉、喜雀大部分在城鎮(zhèn)周邊桿塔上筑巢、棲息，易造成筑巢類故障。目前尚未發(fā)現(xiàn)金雕、禿鷲在桿塔上筑巢、棲息現(xiàn)象，但此類大鳥在桿塔周邊飛翔，因體型較大，易造成鳥體短接類故障。3.輸電線路涉鳥故障情況介紹2011年至2020年，青海公司110kV及以上交、直流線路發(fā)生涉鳥故障跳閘333次。按照涉鳥故障原因分類依次為：鳥糞類故障302次；鳥巢類故障26次；鳥體短接類5次；鳥啄類0次。青海電網(wǎng)輸電線路建設(shè)期間在果洛、玉樹地區(qū)發(fā)現(xiàn)多起鳥啄復(fù)合絕緣子事件，但在線路運(yùn)行期間未觀測到鳥啄復(fù)合絕緣子事件，也未因鳥啄復(fù)合絕緣子引發(fā)線路跳闡或掉線事件。2011年至2020年青海公司110kV及以上交、直流線路發(fā)生涉鳥故障跳閘停運(yùn)18次，造成線路停運(yùn)原因依次為：鳥糞類故障11次（重合閘退出4次）；鳥巢類故障6次；鳥體短接類1次；鳥啄類0次，涉鳥故障停運(yùn)占涉鳥故障跳闡的5.5%。通常情況下鳥糞類故障大多是瞬時性短路故障，線路停運(yùn)概率較低；鳥巢類故障和鳥體短接故障相比造成線路停運(yùn)概率較高。按電壓等級統(tǒng)計分析，2011年至2020年，青海公司110kV及以上交、直流線路發(fā)生鳥害跳閘333次，其中：110kV線路鳥害跳闡故障71次；330kV線路鳥害跳闡故障234次；±400kV直流線路跳闡故障28次；750kV線路鳥害跳闡故障0次。10kV、35kV線路單相接地故障情況下線路保護(hù)開關(guān)不動作，因此鳥糞、鳥巢、鳥體單相短接時不會引發(fā)線路跳闡故障，只有鳥巢、鳥體兩相短接時才會引發(fā)線路跳闡故障；110kV和330kV線路鳥害故障中鳥糞類、鳥巢類、鳥體短接類故障均有發(fā)生；±400kV線路故障主要以鳥糞類故障為主，其主要原因是直流線路電場對鳥糞有吸附作用，同時線路外絕緣間隙較大（絕緣子串長6.43米－7.6米），鳥巢異物及鳥體不易引起短接故障；750kV輸電線路自投運(yùn)以來未發(fā)生過鳥害故障，日常線路巡視中很少發(fā)現(xiàn)桿塔上有鳥類棲息、筑巢，桿塔上鳥糞也較少，未引發(fā)鳥害跳閘故障。4.輸電線路涉鳥故障機(jī)理分析及防治思路涉鳥故障原因分類為鳥糞類故障、鳥巢類故障、鳥體短接類故障和鳥啄類故障4類。鳥糞類故障通常是由大型鳥類在輸電線路帶電體（導(dǎo)線、金具）上方一定范圍棲息，鳥類排出的粘稠糞便在風(fēng)力和重力的共同作用下形成細(xì)長的下落體，具有一定導(dǎo)電性鳥糞通道的介入，使絕緣子串周圍的電場分布發(fā)生嚴(yán)重畸變，鳥糞通道前端與絕緣子串高壓端之間空氣間隙的電場強(qiáng)度大大增加，絕緣子串承受的大部分電壓都加在了這一段空氣間隙上，當(dāng)鳥糞通道的前端越來越接近絕緣子高壓端時，它們之間的空氣間隙承受不了所加的電壓，空氣間隙被擊穿，形成局部電弧，電弧沿鳥糞通道向橫擔(dān)側(cè)傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致了橫擔(dān)與帶電部位空氣間隙擊穿，造成跳閘故障。近10年來輸電線路鳥害故障跳閘事件證實(shí)，輸電線路引流跳線，在沒有絕緣子串時，鳥糞也能短接鐵塔橫擔(dān)與導(dǎo)線間純空氣間隙造成輸電線路跳閘故障。鳥巢類故障通常是鳥類在輸電線路帶電體上方鐵塔橫擔(dān)一定范圍內(nèi)筑巢，鳥類銜來的筑巢物如導(dǎo)線、金屬線等導(dǎo)電異物散落，造成輸電線路外絕緣間隙或空氣間隙的短接故障。鳥體短接類故障通常是大型鳥類在輸電線路帶電體與鐵塔間展翅飛翔，鳥體短接輸電線路外絕緣間隙或空氣間隙造成短路故障。鳥啄類故障通常是鳥類啄食復(fù)合絕緣子，造成復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙及護(hù)套損壞，從而造成復(fù)合絕緣子閃絡(luò)或芯棒斷裂事故。為防止輸電線路帶電體上方一定范圍內(nèi)因鳥糞下落、筑巢異物散落造成線路跳閘故障，需在桿塔橫擔(dān)上一定范圍內(nèi)采取防鳥設(shè)施進(jìn)行防護(hù)，阻止鳥類在防護(hù)范圍內(nèi)停留、筑巢，我們把這一區(qū)域定義為輸電線路涉鳥故障防護(hù)范圍。輸電線路涉鳥故障防護(hù)范圍以導(dǎo)線、金具等帶電體在桿塔橫擔(dān)上垂直投影為中心向兩側(cè)延伸確定的需要布置防鳥設(shè)施的區(qū)域，這一區(qū)域通常為平行于導(dǎo)線等帶電體投影形成的一個距形區(qū)域。防治思路鳥糞類故障和鳥巢類故障防范：一是阻止鳥類在輸電線路涉鳥故障防護(hù)范圍內(nèi)停留棲息，如利用防鳥刺、防鳥針板、防鳥盒等設(shè)施占據(jù)輸電線路涉鳥故障防護(hù)范圍，阻止鳥類在該區(qū)域內(nèi)降落、停留和棲息；二是阻止鳥類糞便、筑巢異物從輸電線路涉鳥故障防護(hù)范圍內(nèi)下落，防止閃絡(luò)通道形成。如利用防鳥擋板、防鳥傘裙阻止鳥類糞便、筑巢異物散落形成閃絡(luò)通道；三是加強(qiáng)外絕緣間隙，即使有鳥糞、筑巢異物散落，但絕緣增強(qiáng)降低了閃絡(luò)機(jī)率，如增加外絕緣配置、應(yīng)用絕緣包覆等。青海電科院鳥糞故障閃絡(luò)真型實(shí)驗(yàn)證明，輸電線路涉鳥故障防護(hù)范圍隨著電壓等級升高和海拔高度升高，其防護(hù)范圍也隨著增大（詳見表4）。當(dāng)鳥類在輸電線路涉鳥故障防護(hù)范圍內(nèi)排泄鳥糞，造成閃絡(luò)故障機(jī)率大于80%；當(dāng)鳥巢異物在輸電線路涉鳥故障防護(hù)范圍內(nèi)散落，異物長度足夠短接外絕緣間隙時，可造成異物短路故障。鳥糞類故障和鳥巢類故障防范關(guān)鍵要阻止鳥類在輸電線路帶電體正上方橫擔(dān)防護(hù)范圍內(nèi)停留和棲息。表4桿塔不同電壓等級、不同海拔最小防護(hù)范圍海拔高度(km)15002000250030003500400045005000110kV（m）0.70.70.70.80.81.01.01.0330kV（m）1.01.01.01.31.31.51.51.5±400kV（m）2.52.52.82.83.03.53.53.55.現(xiàn)有主要防鳥措施效果對比青海電網(wǎng)主要采取的防鳥措施是外絕緣調(diào)爬、絕緣包覆、防鳥針板、防鳥刺、防鳥檔板、防鳥網(wǎng)、風(fēng)動反光驅(qū)鳥器，輔以生物驅(qū)鳥盒、人工鳥巢、拱形防鳥隔板等。比較近幾年諸多防鳥設(shè)施的防治效果，防鳥針板、防鳥刺、旋轉(zhuǎn)式風(fēng)車、反光鏡等防鳥裝置防鳥效果較好，對輸電線路運(yùn)維影響較小。不同防鳥設(shè)施優(yōu)缺點(diǎn)對比如下表：表5：各類防鳥設(shè)施優(yōu)缺點(diǎn)對比表裝置名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)防鳥刺制作簡單，安裝方便，綜合防鳥效果較好1.不帶收放功能的防鳥刺會影響常規(guī)檢修工作2.對鳥類有傷害防鳥盒使鳥巢較難搭建于封堵處，且能阻擋鳥糞下泄1.制作尺寸不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致封堵空隙2.拆裝不方便3.不適用500(330)kV及以上線路防鳥擋板適合寬橫擔(dān)大面積封堵1.造價較高2.拆裝不方便3.可能積累鳥糞，雨季造成絕緣子污染4.不適用于風(fēng)速較高的地區(qū)防鳥糞絕緣子有一定防鳥效果，還可以提高絕緣子串耐雷、耐污閃水平防護(hù)范圍不足防鳥針板1.適用各種塔型2.覆蓋面積大1.拆裝不便，影響檢修作業(yè)2.對鳥類有傷害防鳥絕緣包覆增大絕緣強(qiáng)度，有一定的防鳥糞效果1.須停電安裝2.造價高3.安裝工藝復(fù)雜4.存在老化問題旋轉(zhuǎn)式風(fēng)車、反光鏡等驚鳥裝置使用初期有一定防鳥效果1.易損壞2.隨著使用時間延長，驅(qū)鳥效果逐漸下降傳統(tǒng)的聲、光驅(qū)鳥裝置有一定防鳥效果，單個聲、光驅(qū)鳥裝置的保護(hù)范圍較大1.故障率較高，使用壽命短2.隨著使用時間延長，驅(qū)鳥效果逐漸下降人工鳥巢環(huán)保性較好主要適用于地勢開闊且周圍少高點(diǎn)的輸電桿塔1.引鳥效果不穩(wěn)定2.會引發(fā)鳥巢類故障6.系統(tǒng)研發(fā)思路針對青海電網(wǎng)鳥糞類故障和鳥巢類故障兩種主要涉鳥故障類型，結(jié)合近10年涉鳥故障特征及涉鳥故障防范措施，本著電力設(shè)施安全、愛鳥護(hù)鳥、鳥與電力設(shè)施和諧共存的宗旨，設(shè)計一種鳥類活動檢測裝置，監(jiān)測輸電線路桿塔橫擔(dān)、變電站門型架涉鳥故障防護(hù)范圍內(nèi)鳥類活動，疏導(dǎo)鳥類不在桿塔上涉鳥故障防護(hù)范圍內(nèi)活動，從而達(dá)到防范涉鳥故障的目的。電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測及處置系統(tǒng)確定以下研發(fā)思路：（1）研發(fā)一套電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測及處置系統(tǒng)，系統(tǒng)由電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測裝置和鳥類隱患統(tǒng)計分析應(yīng)用程序組成。電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測裝置安裝在桿塔或變電站門架等電力設(shè)施上，監(jiān)測鳥類活動情況并驅(qū)離；鳥類隱患統(tǒng)計分析應(yīng)用程序安裝在輸電（變電）智慧全景平臺，對電力設(shè)施鳥類活動信息進(jìn)行統(tǒng)計分析；（2）系統(tǒng)對設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)鳥類活動進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到有鳥類闖入時，會產(chǎn)生鳥類闖入信號，包括時間、地點(diǎn)位置、數(shù)量等數(shù)據(jù)，并將進(jìn)行回傳至后臺應(yīng)用程序。（3）系統(tǒng)檢測到鳥類闖入信號后，實(shí)時啟動照像功能記錄鳥類圖像，并回傳至后臺應(yīng)用程序。完成信息回傳后，啟動超聲波和激光驅(qū)鳥程序，對影響線路安全的鳥類進(jìn)行驅(qū)趕。（4）完成鳥類驅(qū)趕后，再次啟動雷達(dá)探測及拍照程序，對現(xiàn)場驅(qū)鳥結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并將信息回傳至后臺應(yīng)用程序。（5）電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測及處置系統(tǒng)，各模塊（雷達(dá)探測模塊、拍照模塊、驅(qū)鳥模塊、供電模塊）具備定期功能自檢，并將自檢結(jié)果回傳至后臺應(yīng)用程序。（6）應(yīng)用程序應(yīng)具備與輸電智慧全景平臺系統(tǒng)和變電全景化智能運(yùn)檢平臺系統(tǒng)兼容功能、符合國網(wǎng)公司應(yīng)用程序安全準(zhǔn)入要求、調(diào)用PMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)功能、鳥類活動信息大數(shù)據(jù)分析。研發(fā)思路流程圖如下所示：7.關(guān)鍵技術(shù)研究7.1電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測裝置硬件及軟件抗干擾技術(shù)7.1.1硬件抗干擾對無線通訊模塊和電阻檢測模塊采用鋁合金屏蔽倉進(jìn)行裝載，雷達(dá)信號采集數(shù)據(jù)線采用近地包裹設(shè)計，從而減少電磁環(huán)境對通訊和檢測的干擾。（2）優(yōu)化PCB板的布局和布線，減少元器件自身的誤差及相互干擾。（3）對系統(tǒng)供電電源進(jìn)行處理。采用專用電源芯片及相關(guān)外圍電路單獨(dú)供電，同時為防止數(shù)字電源和模擬電源之間的干擾，采用電感將數(shù)字電源和模擬信號電源進(jìn)行分隔。7.1.2軟件抗干擾（1）雷達(dá)采樣采用限幅濾波法，軟件設(shè)計中采用10次取樣加上一定鎖存時間，可有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。同時采用擬合標(biāo)定的方法，去除電路中固定的干擾以及器件的固有偏差，防止突發(fā)性干擾。（2）軟件算法增加看門狗，防止軟件鎖死崩潰。（3）數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)包采用多種類型的校驗(yàn)算法，本項(xiàng)目軟件所有數(shù)據(jù)采用海明碼校驗(yàn)法，防止通信出錯。（4）數(shù)據(jù)處理采用校驗(yàn)閉環(huán)方式，發(fā)生異常數(shù)據(jù)立即矯正并生成日志。7.2電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測及處置系統(tǒng)雷達(dá)探測模塊優(yōu)化雷達(dá)模塊參考汽車倒車影像雷達(dá)設(shè)計，由毫米波移動傳感器和多普勒信號處理電路組成。毫米波移動傳感器采用X波段移動傳感多普勒模塊HB100，它集成了振蕩器、混頻器、發(fā)射和接收天線，僅需提供5V電源便可直接輸出毫伏級的多普勒信號。多普勒信號處理電路主要負(fù)責(zé)將反應(yīng)桿塔附近鳥類活動情況的多普勒信號進(jìn)行提取、放大和數(shù)字化，并提交單片機(jī)處理；同時啟動照相模塊功能，通過可見光或紅外光攝像機(jī)對闖入防范區(qū)域的鳥類進(jìn)行捕捉抓拍，并上傳至輸電智慧全景平臺系統(tǒng)。毫米波雷達(dá)探測距離可達(dá)10～15m，完全符合輸電桿塔鳥類探測需要，其具備慢目標(biāo)和振動目標(biāo)的良好檢測和識別能力，容易檢測小目標(biāo)，包括電力線、電桿和鳥類等。易于利用目標(biāo)多普勒頻率特性進(jìn)行目標(biāo)特征識別，對干性大氣污染的穿透性強(qiáng)，具備在塵埃、煙塵和干雪條件下的良好檢測能力。7.3電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測及處置系統(tǒng)驅(qū)鳥功能優(yōu)化（1）研究不同頻率、不同強(qiáng)度的超聲波信號對鳥類的影響及傷害程度，開發(fā)一套可靠的超聲波發(fā)生器。研究資料證明，鳥類對12kHz～25kHz之間的超聲波頻率的功率分貝足夠大時，會影響鳥類的活動，使其產(chǎn)生不適，進(jìn)而遠(yuǎn)離發(fā)聲裝置。電力設(shè)施涉鳥故障隱患在線監(jiān)測及處置系統(tǒng)正是采用這樣的原理，通過裝置發(fā)出超聲波，對聲波頻率范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)變頻，使鳥無法產(chǎn)生適應(yīng)性，可驅(qū)趕受保護(hù)區(qū)域內(nèi)的鳥類；分析解決并控制超聲波的頻率和范圍，達(dá)到既能讓鳥類感應(yīng)到不適又能保證不對鳥類的身體、生活習(xí)性產(chǎn)生傷害。（2）研究不同波長及不通頻率的激光信號對鳥類的影響及傷害程度，開發(fā)一套合適的激光發(fā)生器。經(jīng)研究證明，鳥類的眼睛有錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞兩種不同的感光細(xì)胞，錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞在處理不同波段的可見光時是有分工的，錐體感光細(xì)胞集中于黃斑區(qū)的中心凹處，位于視網(wǎng)膜中心,能處理較強(qiáng)的光，較暗的光則由黃斑區(qū)以外的視網(wǎng)膜中桿狀細(xì)胞處理，中間強(qiáng)度的光則由錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞共同處理。而650nm波段的紅光對鳥類眼睛中的錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞可起到較為明顯的辨別作用，從而促使鳥類本能的避開紅色激光光束，實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥而不傷鳥的效果。（3）研究驅(qū)鳥方式，當(dāng)雷達(dá)監(jiān)測到鳥類活動，相機(jī)開始抓拍，啟動驅(qū)鳥程序，利用超聲波信號和激光信號驅(qū)趕鳥類，并完成驅(qū)鳥效果檢驗(yàn)，如未驅(qū)鳥成功，則再次啟動驅(qū)鳥程序，改用不同頻率超聲波和激光束進(jìn)行驅(qū)鳥。驅(qū)鳥間隔每2秒鐘啟動一次，驅(qū)鳥成功后關(guān)閉驅(qū)鳥程序，驅(qū)鳥不成功驅(qū)鳥程序連續(xù)啟動5次后自動關(guān)閉。7.4鳥類活動統(tǒng)計分析應(yīng)用程序鳥類活動統(tǒng)計分析應(yīng)用程序分為輸電線路桿塔鳥類活動分析應(yīng)用程序和變電站鳥類活動分析應(yīng)用程序，輸電線路桿塔鳥類活動應(yīng)用程序接入輸電智慧全景平臺，變電站鳥類活動分析應(yīng)用程序接入變電全景化智能運(yùn)檢平臺。鳥類活動統(tǒng)計分析應(yīng)用程序，對觀測到的鳥類進(jìn)行統(tǒng)計分析。通過統(tǒng)計分析準(zhǔn)確掌握輸電線路通道鳥類活動情況，為輸電線路鳥害區(qū)劃分提供參考及佐證材料。鳥類活動分析應(yīng)用程序分析維度及要素如下：（1）按一條線路進(jìn)行統(tǒng)計分析。分析要素包括電壓等級、線路名稱、時間、桿塔號、塔型、鳥類名稱及數(shù)量、桿塔上鳥類活動位置、桿塔所在地地形、地貌、是否成功驅(qū)鳥。（2）按區(qū)域?qū)Χ鄺l線路鳥類活動情況進(jìn)行分析統(tǒng)計。分析要素包括區(qū)域范圍內(nèi)線路電壓等級、名稱、鳥類活動時間、桿塔號、塔型、鳥類名稱及數(shù)量、鳥類在桿塔活動