电力设施涉鸟故障隐患在线监测及处置系统

电力设施涉鸟故障隐患在线监测及处置系统

2.青海电力科学研究院3.重庆南电科技有限公司摘要：近年的统计资料表明，鸟类活动引起的输电线路跳闸故障仅次于雷害和外力破坏，居线路故障原因的第3位。为提高电力系统运行的可靠性，有必要开展输电线路沿线鸟类活动调查，了解并掌握输电线路通道区域鸟类的活动习性，在不伤害鸟类的前提下，研发一种鸟类活动在线监测装置系统，用于收集、分析输电线路杆塔鸟类活动规律，同时兼顾驱赶输电线路涉鸟故障防护范围内鸟类功能，从而有效防范输电线路涉鸟故障。系统做到实时感知输电线路鸟类活动，实现塔上鸟类活动情况全息互联，汇集形成鸟类活动大数据，系统远程启动驱鸟终端实现智能处置的目标。关键词：电力设施；驱鸟；在线监测；处置系统引言输电线路涉鸟故障已严重危害到输电线路安全运行，传统的防鸟设施不仅影响线路检修作业，甚至危害到杆塔周边活动、栖息鸟类的安全，设备安全与生态护鸟之间的矛盾日益突出。综合上述因素，探讨和研究新的输电线路涉鸟故障防范措施，实现鸟类与电力设施和谐共处，兼顾电网发展与生态保护，充分体现电网企业在环境保护中的电网担当。2.青海地区鸟类种群及活动规律简介青海电网涉鸟故障鸟类主要以大鵟、猎隼、鹳类、乌鸦、喜雀、金雕、秃鹫为主，其中大鵟、猎隼多在草原杆塔上筑巢、栖息，扑食杆塔周边草原鼠等小型动物，在塔上排泄鸟粪时造成线路外绝缘间隙短路跳闸，其次鸟类在塔上筑巢，筑巢用异物散落造成外绝缘间隙短接故障。鹳类多为候鸟，迁徙期间临时栖息在河谷、水库边杆塔上，易造成鸟粪类故障。乌鸦、喜雀大部分在城镇周边杆塔上筑巢、栖息，易造成筑巢类故障。目前尚未发现金雕、秃鹫在杆塔上筑巢、栖息现象，但此类大鸟在杆塔周边飞翔，因体型较大，易造成鸟体短接类故障。3.输电线路涉鸟故障情况介绍2011年至2020年，青海公司110kV及以上交、直流线路发生涉鸟故障跳闸333次。按照涉鸟故障原因分类依次为：鸟粪类故障302次；鸟巢类故障26次；鸟体短接类5次；鸟啄类0次。青海电网输电线路建设期间在果洛、玉树地区发现多起鸟啄复合绝缘子事件，但在线路运行期间未观测到鸟啄复合绝缘子事件，也未因鸟啄复合绝缘子引发线路跳阐或掉线事件。2011年至2020年青海公司110kV及以上交、直流线路发生涉鸟故障跳闸停运18次，造成线路停运原因依次为：鸟粪类故障11次（重合闸退出4次）；鸟巢类故障6次；鸟体短接类1次；鸟啄类0次，涉鸟故障停运占涉鸟故障跳阐的5.5%。通常情况下鸟粪类故障大多是瞬时性短路故障，线路停运概率较低；鸟巢类故障和鸟体短接故障相比造成线路停运概率较高。按电压等级统计分析，2011年至2020年，青海公司110kV及以上交、直流线路发生鸟害跳闸333次，其中：110kV线路鸟害跳阐故障71次；330kV线路鸟害跳阐故障234次；±400kV直流线路跳阐故障28次；750kV线路鸟害跳阐故障0次。10kV、35kV线路单相接地故障情况下线路保护开关不动作，因此鸟粪、鸟巢、鸟体单相短接时不会引发线路跳阐故障，只有鸟巢、鸟体两相短接时才会引发线路跳阐故障；110kV和330kV线路鸟害故障中鸟粪类、鸟巢类、鸟体短接类故障均有发生；±400kV线路故障主要以鸟粪类故障为主，其主要原因是直流线路电场对鸟粪有吸附作用，同时线路外绝缘间隙较大（绝缘子串长6.43米－7.6米），鸟巢异物及鸟体不易引起短接故障；750kV输电线路自投运以来未发生过鸟害故障，日常线路巡视中很少发现杆塔上有鸟类栖息、筑巢，杆塔上鸟粪也较少，未引发鸟害跳闸故障。4.输电线路涉鸟故障机理分析及防治思路涉鸟故障原因分类为鸟粪类故障、鸟巢类故障、鸟体短接类故障和鸟啄类故障4类。鸟粪类故障通常是由大型鸟类在输电线路带电体（导线、金具）上方一定范围栖息，鸟类排出的粘稠粪便在风力和重力的共同作用下形成细长的下落体，具有一定导电性鸟粪通道的介入，使绝缘子串周围的电场分布发生严重畸变，鸟粪通道前端与绝缘子串高压端之间空气间隙的电场强度大大增加，绝缘子串承受的大部分电压都加在了这一段空气间隙上，当鸟粪通道的前端越来越接近绝缘子高压端时，它们之间的空气间隙承受不了所加的电压，空气间隙被击穿，形成局部电弧，电弧沿鸟粪通道向横担侧传导，最终导致了横担与带电部位空气间隙击穿，造成跳闸故障。近10年来输电线路鸟害故障跳闸事件证实，输电线路引流跳线，在没有绝缘子串时，鸟粪也能短接铁塔横担与导线间纯空气间隙造成输电线路跳闸故障。鸟巢类故障通常是鸟类在输电线路带电体上方铁塔横担一定范围内筑巢，鸟类衔来的筑巢物如导线、金属线等导电异物散落，造成输电线路外绝缘间隙或空气间隙的短接故障。鸟体短接类故障通常是大型鸟类在输电线路带电体与铁塔间展翅飞翔，鸟体短接输电线路外绝缘间隙或空气间隙造成短路故障。鸟啄类故障通常是鸟类啄食复合绝缘子，造成复合绝缘子硅橡胶伞裙及护套损坏，从而造成复合绝缘子闪络或芯棒断裂事故。为防止输电线路带电体上方一定范围内因鸟粪下落、筑巢异物散落造成线路跳闸故障，需在杆塔横担上一定范围内采取防鸟设施进行防护，阻止鸟类在防护范围内停留、筑巢，我们把这一区域定义为输电线路涉鸟故障防护范围。输电线路涉鸟故障防护范围以导线、金具等带电体在杆塔横担上垂直投影为中心向两侧延伸确定的需要布置防鸟设施的区域，这一区域通常为平行于导线等带电体投影形成的一个距形区域。防治思路鸟粪类故障和鸟巢类故障防范：一是阻止鸟类在输电线路涉鸟故障防护范围内停留栖息，如利用防鸟刺、防鸟针板、防鸟盒等设施占据输电线路涉鸟故障防护范围，阻止鸟类在该区域内降落、停留和栖息；二是阻止鸟类粪便、筑巢异物从输电线路涉鸟故障防护范围内下落，防止闪络通道形成。如利用防鸟挡板、防鸟伞裙阻止鸟类粪便、筑巢异物散落形成闪络通道；三是加强外绝缘间隙，即使有鸟粪、筑巢异物散落，但绝缘增强降低了闪络机率，如增加外绝缘配置、应用绝缘包覆等。青海电科院鸟粪故障闪络真型实验证明，输电线路涉鸟故障防护范围随着电压等级升高和海拔高度升高，其防护范围也随着增大（详见表4）。当鸟类在输电线路涉鸟故障防护范围内排泄鸟粪，造成闪络故障机率大于80%；当鸟巢异物在输电线路涉鸟故障防护范围内散落，异物长度足够短接外绝缘间隙时，可造成异物短路故障。鸟粪类故障和鸟巢类故障防范关键要阻止鸟类在输电线路带电体正上方横担防护范围内停留和栖息。表4杆塔不同电压等级、不同海拔最小防护范围海拔高度(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.现有主要防鸟措施效果对比青海电网主要采取的防鸟措施是外绝缘调爬、绝缘包覆、防鸟针板、防鸟刺、防鸟档板、防鸟网、风动反光驱鸟器，辅以生物驱鸟盒、人工鸟巢、拱形防鸟隔板等。比较近几年诸多防鸟设施的防治效果，防鸟针板、防鸟刺、旋转式风车、反光镜等防鸟装置防鸟效果较好，对输电线路运维影响较小。不同防鸟设施优缺点对比如下表：表5：各类防鸟设施优缺点对比表装置名称优点缺点防鸟刺制作简单，安装方便，综合防鸟效果较好1.不带收放功能的防鸟刺会影响常规检修工作2.对鸟类有伤害防鸟盒使鸟巢较难搭建于封堵处，且能阻挡鸟粪下泄1.制作尺寸不准确可能导致封堵空隙2.拆装不方便3.不适用500(330)kV及以上线路防鸟挡板适合宽横担大面积封堵1.造价较高2.拆装不方便3.可能积累鸟粪，雨季造成绝缘子污染4.不适用于风速较高的地区防鸟粪绝缘子有一定防鸟效果，还可以提高绝缘子串耐雷、耐污闪水平防护范围不足防鸟针板1.适用各种塔型2.覆盖面积大1.拆装不便，影响检修作业2.对鸟类有伤害防鸟绝缘包覆增大绝缘强度，有一定的防鸟粪效果1.须停电安装2.造价高3.安装工艺复杂4.存在老化问题旋转式风车、反光镜等惊鸟装置使用初期有一定防鸟效果1.易损坏2.随着使用时间延长，驱鸟效果逐渐下降传统的声、光驱鸟装置有一定防鸟效果，单个声、光驱鸟装置的保护范围较大1.故障率较高，使用寿命短2.随着使用时间延长，驱鸟效果逐渐下降人工鸟巢环保性较好主要适用于地势开阔且周围少高点的输电杆塔1.引鸟效果不稳定2.会引发鸟巢类故障6.系统研发思路针对青海电网鸟粪类故障和鸟巢类故障两种主要涉鸟故障类型，结合近10年涉鸟故障特征及涉鸟故障防范措施，本着电力设施安全、爱鸟护鸟、鸟与电力设施和谐共存的宗旨，设计一种鸟类活动检测装置，监测输电线路杆塔横担、变电站门型架涉鸟故障防护范围内鸟类活动，疏导鸟类不在杆塔上涉鸟故障防护范围内活动，从而达到防范涉鸟故障的目的。电力设施涉鸟故障隐患在线监测及处置系统确定以下研发思路：（1）研发一套电力设施涉鸟故障隐患在线监测及处置系统，系统由电力设施涉鸟故障隐患在线监测装置和鸟类隐患统计分析应用程序组成。电力设施涉鸟故障隐患在线监测装置安装在杆塔或变电站门架等电力设施上，监测鸟类活动情况并驱离；鸟类隐患统计分析应用程序安装在输电（变电）智慧全景平台，对电力设施鸟类活动信息进行统计分析；（2）系统对设定区域范围内鸟类活动进行监测，当监测到有鸟类闯入时，会产生鸟类闯入信号，包括时间、地点位置、数量等数据，并将进行回传至后台应用程序。（3）系统检测到鸟类闯入信号后，实时启动照像功能记录鸟类图像，并回传至后台应用程序。完成信息回传后，启动超声波和激光驱鸟程序，对影响线路安全的鸟类进行驱赶。（4）完成鸟类驱赶后，再次启动雷达探测及拍照程序，对现场驱鸟结果进行验证，并将信息回传至后台应用程序。（5）电力设施涉鸟故障隐患在线监测及处置系统，各模块（雷达探测模块、拍照模块、驱鸟模块、供电模块）具备定期功能自检，并将自检结果回传至后台应用程序。（6）应用程序应具备与输电智慧全景平台系统和变电全景化智能运检平台系统兼容功能、符合国网公司应用程序安全准入要求、调用PMS系统数据功能、鸟类活动信息大数据分析。研发思路流程图如下所示：7.关键技术研究7.1电力设施涉鸟故障隐患在线监测装置硬件及软件抗干扰技术7.1.1硬件抗干扰对无线通讯模块和电阻检测模块采用铝合金屏蔽仓进行装载，雷达信号采集数据线采用近地包裹设计，从而减少电磁环境对通讯和检测的干扰。（2）优化PCB板的布局和布线，减少元器件自身的误差及相互干扰。（3）对系统供电电源进行处理。采用专用电源芯片及相关外围电路单独供电，同时为防止数字电源和模拟电源之间的干扰，采用电感将数字电源和模拟信号电源进行分隔。7.1.2软件抗干扰（1）雷达采样采用限幅滤波法，软件设计中采用10次取样加上一定锁存时间，可有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。同时采用拟合标定的方法，去除电路中固定的干扰以及器件的固有偏差，防止突发性干扰。（2）软件算法增加看门狗，防止软件锁死崩溃。（3）数据或数据包采用多种类型的校验算法，本项目软件所有数据采用海明码校验法，防止通信出错。（4）数据处理采用校验闭环方式，发生异常数据立即矫正并生成日志。7.2电力设施涉鸟故障隐患在线监测及处置系统雷达探测模块优化雷达模块参考汽车倒车影像雷达设计，由毫米波移动传感器和多普勒信号处理电路组成。毫米波移动传感器采用X波段移动传感多普勒模块HB100，它集成了振荡器、混频器、发射和接收天线，仅需提供5V电源便可直接输出毫伏级的多普勒信号。多普勒信号处理电路主要负责将反应杆塔附近鸟类活动情况的多普勒信号进行提取、放大和数字化，并提交单片机处理；同时启动照相模块功能，通过可见光或红外光摄像机对闯入防范区域的鸟类进行捕捉抓拍，并上传至输电智慧全景平台系统。毫米波雷达探测距离可达10～15m，完全符合输电杆塔鸟类探测需要，其具备慢目标和振动目标的良好检测和识别能力，容易检测小目标，包括电力线、电杆和鸟类等。易于利用目标多普勒频率特性进行目标特征识别，对干性大气污染的穿透性强，具备在尘埃、烟尘和干雪条件下的良好检测能力。7.3电力设施涉鸟故障隐患在线监测及处置系统驱鸟功能优化（1）研究不同频率、不同强度的超声波信号对鸟类的影响及伤害程度，开发一套可靠的超声波发生器。研究资料证明，鸟类对12kHz～25kHz之间的超声波频率的功率分贝足够大时，会影响鸟类的活动，使其产生不适，进而远离发声装置。电力设施涉鸟故障隐患在线监测及处置系统正是采用这样的原理，通过装置发出超声波，对声波频率范围进行调节变频，使鸟无法产生适应性，可驱赶受保护区域内的鸟类；分析解决并控制超声波的频率和范围，达到既能让鸟类感应到不适又能保证不对鸟类的身体、生活习性产生伤害。（2）研究不同波长及不通频率的激光信号对鸟类的影响及伤害程度，开发一套合适的激光发生器。经研究证明，鸟类的眼睛有锥体细胞和杆状细胞两种不同的感光细胞，锥体细胞和杆状细胞在处理不同波段的可见光时是有分工的，锥体感光细胞集中于黄斑区的中心凹处，位于视网膜中心,能处理较强的光，较暗的光则由黄斑区以外的视网膜中杆状细胞处理，中间强度的光则由锥体细胞和杆状细胞共同处理。而650nm波段的红光对鸟类眼睛中的锥体细胞和杆状细胞可起到较为明显的辨别作用，从而促使鸟类本能的避开红色激光光束，实现驱鸟而不伤鸟的效果。（3）研究驱鸟方式，当雷达监测到鸟类活动，相机开始抓拍，启动驱鸟程序，利用超声波信号和激光信号驱赶鸟类，并完成驱鸟效果检验，如未驱鸟成功，则再次启动驱鸟程序，改用不同频率超声波和激光束进行驱鸟。驱鸟间隔每2秒钟启动一次，驱鸟成功后关闭驱鸟程序，驱鸟不成功驱鸟程序连续启动5次后自动关闭。7.4鸟类活动统计分析应用程序鸟类活动统计分析应用程序分为输电线路杆塔鸟类活动分析应用程序和变电站鸟类活动分析应用程序，输电线路杆塔鸟类活动应用程序接入输电智慧全景平台，变电站鸟类活动分析应用程序接入变电全景化智能运检平台。鸟类活动统计分析应用程序，对观测到的鸟类进行统计分析。通过统计分析准确掌握输电线路通道鸟类活动情况，为输电线路鸟害区划分提供参考及佐证材料。鸟类活动分析应用程序分析维度及要素如下：（1）按一条线路进行统计分析。分析要素包括电压等级、线路名称、时间、杆塔号、塔型、鸟类名称及数量、杆塔上鸟类活动位置、杆塔所在地地形、地貌、是否成功驱鸟。（2）按区域对多条线路鸟类活动情况进行分析统计。分析要素包括区域范围内线路电压等级、名称、鸟类活动时间、杆塔号、塔型、鸟类名称及数量、鸟类在杆塔活动