Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 线路连接设备极端风害故障评估与防治关键技术及应用 | |
| 赵建平 | |
| 完成单位 | 囯网新疆电力公司电力科学研究院 |
| 登记(发布)日期 | 2017 |
| 中文摘要 | 1、项目背景 我国风害区域分布范围比较广,如西北地区的沙尘暴、东南沿海的台风等。以新疆地区最为严重,该区域风速较大,持续时间长,沙尘具有高盐特性,给输电线路运行维护带来了系列挑战。随着国家“一带一路”政策以及新能源的推行,中亚跨国能源联网工程、西电东送工程等输电走廊直接通过这些沙漠风害区域,这些工程的安全运行亟待提高。 作用在输电线路上的风载荷会导致线路风偏闪络、绝缘子损伤、金具磨损等系列故障,其中风偏闪络得到了国家电网公司专项治理,效果良好。但是线路的连接设备(绝缘子、金具)未能得到很好的重视,这些设备的故障直接影响着输电线路的运行安全,个别情况直接导致导线断线发生,影响范围广。线路连接设备的故障机理未能得到深入地探索,并且未见详细的治理措施。 作为线路连接关键设备,线路绝缘子连接着杆塔和导线,承担着导线、对地绝缘。线路绝缘子长期处在电气、机械和化学等综合环境中,容易出现各类故障,根据结构特点可分为盘形绝缘子和棒型绝缘子两大类。复合绝缘子整体弹性模量小,侧向刚度较小,垂直轴向风作用下容易发生弯曲变形,复合绝缘子机械故障集中在芯棒与金具末端连接界面处,或者绝缘子芯棒在靠近金具端部的轴心处;盘形绝缘子均串接成串使用,串接方式可分为球窝连接和槽型连接两种,在连接处的弯曲刚度极弱,在风荷载作用下容易发生弯曲变形;长棒型瓷绝缘子和复合绝缘子结构类似,但承力部分材料不同,其侧向刚度较复合绝缘子大,不容易发生弯曲变形。金具作为小型线路连接设备,亦处在电气、机械和化学等综合环境中,腐蚀速度快于铁塔和导线。目前金具均采用热浸镀锌进行防腐处理,可望维持20年以上的使用寿命,但实际运行常常受到区域环境的影响。线路金具通常划分为悬垂线夹、耐张线夹、连接金具、接续金具、保护金具、拉线金具等9大类,用于各种电压等级的输变电工程。按照表面破坏机理特征,磨损可以分为粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等。金具磨损、腐蚀失效将造成线路断开、绝缘子掉串、地线脱落等,严重影响输电线路的安全运行。 相比较其他风害区域,新疆地区的风害特点非常显著,风害治理更为困难,主要表现为： (1)风速较大,持续时间长。从新疆达坂城区域某监测站获取的数据可知：极大风速超过45m/s,最大风速超过33m/s,部分区域持续时间可达200d/y;长期的风致振动导致线路连接设备的疲劳磨损; (2)沙尘容易产生强电场,引发线路连接设备表面磨损以及连接金具部件间的磨粒磨损。沙尘电场主要是由带电运动沙粒形成的,较小的沙粒容易通过摩擦带上负电荷,在线路设备附近形成了强电场环境;并且沙尘在风的作用下容易不断磨损连接设备表面,这加剧了疲劳磨损,增加了绝缘子表面的粗糙程度;沙尘进入连接部位,形成了部件间的磨粒磨损; (3)沙尘污秽具有高盐特性。许多研究者证实了该沙漠区域是古地中海隆起形成而来,并且指出中亚沙尘的主要源区是塔克拉玛干沙漠等区域,沙尘气溶胶具有高浓度、高硫、高钙的鲜明特性;沙尘中PM2.5和总悬浮微粒的可溶性离子平均浓度的总和分别占总质量的11.5%和9.1%。这些可溶性硫酸盐是线路连接设备镀锌保护膜腐蚀消耗的主导因素,直接导致线路连接设备的锈蚀老化。 经过多方调研和交流,极端风害区域线路连接设备在我国多个网省公司均有不同程度的问题,为了解决极端风害区域线路连接设备故障诊断、现场检测、寿命评估和防治等系列难题,国网新疆电力公司电力科学研究院联合了国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司、国网四川省电力公司电力科学研究院、重庆大学开展技术理论研究,并在国网新疆电力公司、国网浙江省电力公司湖州供电公司、国网黑龙江电力有限公司鹤岗供电公司、国网江苏省电力公司南京供电公司等单位进行现场应用研究,集合七方优势力量开展线路连接设备极端风害故障评估与防治关键技术及应用方面的专项研究。 项目针极端风害区域线路连接设备故障诊断、现场检测、寿命评估和防治等系列难题,探明了强风、沙尘、温度和环境腐蚀等多物理场耦合引起线路连接设备的故障演变过程,构建了建立线路连接设备故障多因子反演实验方法与体系;系统了研究广域环境和微地形等多尺度复杂环境多物理参量特征,提出了线路连接设备缺陷多尺度探测方法,结合反演平台数据,提出了线路连接设备缺陷探测机器人搭载方法;,结合反演平台和故障诊断数据,提出系列线路连接设备系列检修装置,满足极端气象灾后的应急检修需求,搭建多信息融合智能协同检修联动管理平台,提出相适应的治理措施;并在沙漠、台风、高寒、多山等区域进行应用推广。通过项目研究,发表科研论文12篇(SCI/EI检索2篇),国家专利18项(发明专利8项,发明实审阶段1项,实用新型授权9项),软件著作权1项,开发了系列检修装备,并在新疆、浙江、四川、黑龙江、江苏等典型能源大送端、大受端的多条超特高压线路推广应用,取得了良好的经济和社会效益。 项目经中国科学院新疆科技查新咨询中心查新检索,并在国际范围内的检索查证,检索到的国内外相关文献中,除本项目成果外,未见与本项目技术特点和装置结构相同的研究成果公开报道。 2、主要研究内容 本项目研究涉及电力工程、结构力学、信息科学、系统科学、计算机科学、遥感测量学等不同的技术领域,其多学科多专业交叉的复杂性高、跨专业领域技术处理难度大。 项目旨在解决极端风害区域线路连接设备故障诊断、现场检测、寿命评估和防治等系列难题。首先,项目系统研究强风、沙尘、温度和环境腐蚀等多物理场耦合引起线路连接设备的故障演变过程,建立线路连接设备故障多因子反演实验方法与体系,分析线路连接金具故障多角度特征,根据多因子反演平台的模拟数据,系统研究线路连接设备故障演变的系列影响因素,梳理总结了通道截面微环境同类线路连接设备的共性故障演化规律。 其次,需要系统研究广域环境和微地形等多尺度复杂环境多物理参量特征,针对连接设备的故障特点,提出线路连接设备缺陷多尺度探测方法。需要分析连接设备的故障特点,结合反演平台数据,提出了线路连接设备缺陷探测机器人搭载方法,以及采用可见光、红外、紫外的智能识别技术。 再次,需要针对极端风害环境区域线路连接设备故障特点和检修需求,结合反演平台和故障诊断数据,提出系列线路连接设备系列检修装置,满足极端气象灾后的应急检修需求,搭建多信息融合智能协同检修联动管理平台,提出相适应的治理措施。 相关研究内容的交叉性和复杂性,给研究工作和研究团队提出了极高的要求,主要表现在： (1)技术理论挑战大,线路连接设备故障机理、检测方法和寿命评估难度高; (2)项目总体协调和统筹管理工作繁复; (3)系统研究工作要求同时注重全面和细节,重点突出和技术平衡; (4)研究人员配备讲求专业齐全、彼此配合; (5)研究时间长,历时5年集中攻关。 该项目的主要研究任务如下： (1)研究线路连接设备故障多因子反演方法 需要系统研究强风、沙尘、温度和环境腐蚀等多物理场耦合引起线路连接设备的故障演变过程,建立线路连接设备故障多因子反演实验方法与体系; (2)系统研究多物理场耦合作用下线路连接设备故障演变机理 分析线路连接金具故障多角度特征,根据多因子反演平台的模拟数据,系统研究线路连接设备故障演变的系列影响因素,梳理总结了通道截面微环境同类线路连接设备的共性故障演化规律; (3)研究线路连接设备缺陷多尺度探测方法 系统研究广域环境和微地形等多尺度复杂环境多物理参量特征,针对连接设备的故障特点,提出线路连接设备缺陷多尺度探测方法; (4)研究基于线路连接设备缺陷智能化识别的机器人/无人机搭载平台方法 分析连接设备的故障特点,结合反演平台数据,提出了线路连接设备缺陷探测机器人搭载方法,以及采用可见光、红外和紫外的智能识别技术; (5)提出线路连接设备多策略检修措施 针对极端风害环境区域线路连接设备故障特点和检修需求,结合反演平台和故障诊断数据,提出系列线路连接设备系列检修装置,满足极端气象灾后的应急检修需求,搭建多信息融合智能协同检修联动管理平台,提出相适应的治理措施。 3、主要技术指标 (1)建立线路连接设备故障多因子反演试验体系 系统研究强风、沙尘、温度和环境腐蚀等多物理场耦合引起线路连接设备的故障演变过程,建立微观分析方法,根据线路连接设备故障机理与多物理场参量内在关系,建立了线路连接设备故障多因子反演实验体系; (2)提出线路连接设备缺陷多尺度探测方法 系统研究广域环境和微地形等多尺度复杂环境多物理参量特征,针对连接设备的故障特点,提出线路连接设备缺陷多尺度探测方法,包括：①复合绝缘子憎水性带电检测方法;②基于光电场传感器的劣化绝缘子检测方法;③基于超声高频导波的金具无损检测方法;④基于FBG的复合绝缘子应力探测方法; (3)提出基于线路连接设备缺陷智能化识别的机器人/无人机搭载平台 分析连接设备的故障特点,结合反演平台数据,提出了线路连接设备缺陷探测机器人搭载平台,采用可见光、红外、紫外的智能识别技术,可识别绝缘子破损等缺陷,在这些故障诊断数据的基础上,形成了探测数据挖掘与隐患排查的业务流程以及设备的寿命评估。 (4)提出线路连接设备多策略检修措施及潜在风险治理手段。 针对极端风害环境区域线路连接设备故障特点和检修需求,结合反演平台和故障诊断数据,提出绝缘子带电自动清扫装置、超高压耐张串绝缘子双传动分体式闭式卡、带电作业专用异型线夹固定夹头等线路连接设备系列检修装置,满足极端气象灾后的应急检修需求,搭建多信息融合智能协同检修联动管理平台,提出相适应的治理措施。 4、解决的关键技术及创新内容 4.1 解决的关键技术 通过多家单位联合多年的技术攻关, 项目解决了以下几个技术关键点和技术难点： (1)多物理场耦合作用下线路连接设备故障演变机理 线路连接设备故障机理复杂多变,需要深入研究强风、沙尘、温度和环境腐蚀等多物理场耦合过程,以及实验室线路连接设备故障多因子反演数据,才能分析多物理场耦合作用下线路连接设备故障演变机理。 (2)线路连接设备缺陷多尺度探测方法 线路连接设备的缺陷种类非常多,不同种类的故障需要选择相匹配的故障检测方法,本项目有针对的开发了复合绝缘子憎水性带电检测方法、劣化绝缘子检测方法、金具无损检测方法等,以满足故障多尺度探测需求。 (3)线路连接设备寿命评估技术 影响输电线路设备寿命的因素非常多,总结来讲可以分为环境(风速、微地形条件、沙尘环境,沙尘腐蚀性能以及荷电特性)、输电线路因素(杆塔结构、串型结构和设备位置等)、设备特性(结构、材质和表面特性)等因素,本文采用改进型QSPM矩阵的线路连结设备寿命评估方法,并对线路连接金具进行了评估。 (4)面向线路连接设备的多信息融合智能协同检修联动技术 需要将输电走廊背景、线路连接设备特征数据、实验数据、现场检测数据进行深度融合,以态势估计和自适应决策结果为引擎,由线路连接设备的多信息融合驱动运维业务流程推进,固化维护、检修、应急处置等业务情景,实现多信息融合智能协同检修联动。 4.2 本项目的创新点 本项目历时5年,国内多家科研机构联合攻关,形成了系列成果,主要创新点如下： 创新点1：首次系统研究了强风、沙尘、温度和环境腐蚀等多物理场耦合引起线路连接设备(金具和绝缘子)故障演变过程,建立了线路连接设备故障多因子反演平台。 通过微观分析法、故障复现等手段,首次系统研究了强风、沙尘、温度和环境腐蚀等多物理场耦合引起线路连接设备(金具和绝缘子)故障演变过程,明确了线路连接设备故障机理与多物理场参量内在关系,建立了线路连接设备故障多因子反演平台,为线路连接设备防风设计和故障检测奠定了基础。 旁证材料如下： (1)专利材料： [1] 何成, 李文胜, 俞敏波, 等. 连接金具摆动磨损试验机. ZL201320281655.1, 新型实用专利。 何成, 李文胜, 俞敏波, 等. 连接金具摆动磨损试验机. CN201310191222.1, 发明专利,实审阶段。 [2] 李文胜,何成, 赵建平, 等.一种负载机构. 201320282378.6, 实用新型专利。 [3] 何成, 赵建平, 崔晓东, 等. 一种摆动机构. 201320281674.4, 实用新型专利。 (2)论文材料： [1]邓鹤鸣, 李勇杰, 蔡炜, 等. 沙漠区域输电问题研究现状及展望[J]. 高电压技术, http：//kns.cnki.net/kcms/detail/ 42.1239.TM.20170627.1525.001.html。 [2] 梁伟, 李勇杰, 王建, 等. 基于改进型QSPM矩阵的线路连结金具寿命评估方法[J]. 电瓷避雷器, 2017, (3)： 187-192。 [3] 邓鹤鸣, 李勇杰, 王建, 等. 同塔多回线路绝缘子机械性能试验及试验过程的电气性能评估[J]. 中南民族大学学报, 2017, 36(3)： [4] 朱弘钊, 李勇杰, 王建, 等. 沙漠区域输电线路连接金具磨损性能试验及磨损趋势预测[J]. 电瓷避雷器, 2017, (4)： [5] 龚浩, 田丁, 别士光, 等. 覆冰地区复合绝缘子电场分布研究[J]. 电瓷避雷器, 2015, (1)： 7-10, 15。 [6] 龚浩, 张雪峰, 周赞东, 等. 基于高分辨率遥感影像的输电走廊场景分类[J]. 武汉大学学报, 2014, 47(5)： 712-716。 创新点2：开发并应用了多种线路连接设备缺陷检测方法及手段,搭建了机器人/无人机搭载平台,建立了输变电设备状态监测数据挖掘与隐患排查系统。 采用了复合绝缘子憎水性带电检测方法、基于光电场传感器的劣化绝缘子检测方法、基于超声高频导波的金具无损检测方法、基于FBG的复合绝缘子应力探测方法等线路连接设备缺陷的多尺度探测方法,搭建了机器人/无人机搭载平台,并在此基础上建立了输变电设备状态监测数据挖掘与隐患排查系统。 旁证材料如下： (1)专利材料： [1] 郑雷, 罗浩, 张雪峰, 龚浩. 悬垂绝缘子串分体式检测机器人. ZL201510029106.9,发明专利。 [2]岳灵平, 姚建锋, 李牧, 等. 复合绝缘子憎水性带电检测装置. ZL2014100325450, 发明专利。 [3]甘雯,邵越, 杨勇, 等. 电力系统电网运行状态监控与分析系统及监控与分析方法. 201310114561.X,发明专利。 [4] 王建, 梁乃峰, 李晓光, 等. 多旋翼无人机的应急伞降装置, 201620657186.2, 实用新型专利。 [5] 王建, 张陵, 梁乃峰, 等. 电力巡线无人机地面站远程操控装置. 201620656903X, 实用新型专利. [6]蔡炜, 温生, 邓鹤鸣, 等. 光纤复合绝缘子用金具球头, 201120569833.1, 实用新型专利. [7]温生, 蔡炜, 杜森, 等. 光纤复合绝缘子用金具碗头. 201120568995.3, 实用新型专利。 (2)论文材料 [1] Heming Deng, Wei Cai, Chunxiang Liu, et al. The feasibility of the composite insulator with fiber bragg grating embedded in the rod[C]. 2014 5th IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT Europe), October 12-15,Istanbul, 11-14。 [2] 张浩, 朱弘钊, 岳灵平, 等. 复合绝缘子憎水性带电检测系统研究[J]. 电瓷避雷器, 2013, (5)： 36-39, 45。 [3] 甘德刚, 陈洪波, 范松海, 等. 紫外检测技术在电力系统中的应用及展望[J]. 电气应用, 2012, (7)： 77-81。 [4] 张文杰, 李牧, 张弓达, 等. 长串复合绝缘子憎水性检测仪带电操作机构设计[J]. 高压电器, 2014, (10)：70-72。 [5] 陈庭记, 蔡炜, 邓鹤鸣, 等. 复合绝缘子综合监测现场应用探讨[J]. 电瓷避雷器, 2013, (5)： 31-35。 (3)其他材料 国网浙江省电力公司湖州供电公司. 输变电设备状态监测数据挖掘与隐患排查系统, 2016SR090764。 创新点3：研发了一系列适用于极端风害区域的线路连接设备检修装置和治理装置,搭建了多信息融合智能协同检修联动管理平台,制定了线路连接设备多策略检修措施及潜在风险治理手段。 融合故障反演平台和缺陷多尺度探测方法,研发了绝缘子带电自动清扫装置、超高压耐张串绝缘子双传动分体式闭式卡等线路连接设备系列检修装置,研制了耐磨连接组合金具、耐磨地线线夹、防风Y型绝缘子等线路连接设备的极端风害下治理设备,搭建了多信息融合智能协同检修联动管理平台,从而制定了线路连接设备多策略检修措施及潜在风险治理手段,提高了线路连接设备运行和维护的安全水平。 (1)专利材料： [1]郑雷, 罗浩, 张雪峰, 龚浩. 绝缘子带电自动清扫装置. ZL201510121208.3,发明专利。 [2]周明杰, 周兴, 平原, 等. 一种多功能线夹引线传送杆. ZL201210139798.9, 发明专利。 [3]张健, 张刚, 周俊, 等. 一种接地引线装卸器. 201410013114.X, 发明专利 [4]韦舒天, 于洋, 俞辉. 一种垂直双分裂导线检修滑车. 201210379778.9, 发明专利。 [5]吴健冯新江邬欣, 等. 一种电力检修安全防护装置. ZL201410256280.2, 发明专利。 [6]王琪, 马贇, 左文力, 等. 一种绝缘单梯用安全抱箍.201310063701.5, 发明专利。 [7]赵建平, 何成, 李文胜, 等. 一种新型截面的U形挂环组合. 201620810811.2,实用新型专利。 [8]赵建平, 何成, 李文胜, 等. 一种U形挂环连接组合. 201620810812.7, 实用新型专利。 (2)论文材料 [1] 汪里, 岳灵平, 方书博, 等. 500kV直流线路棒形悬式瓷绝缘子闭式卡具设计[J]. 电瓷避雷器, 2013, (6)： 20-23。 5、应用情况及应用前景预测 5.1 应用情况 本项目由多家单位联合完成,经过了长达5年的技术攻关,研制的系列检修装备和防治装置进行了深度成果转化,所研制的设备获得业界好评,推广良好。 针对新疆区域存在的强风和干旱沙尘极端环境给新疆带来的金具磨损、绝缘子脆断等问题。根据项目提出线路连接设备极端风害故障评估与防治方法,集中在所辖220kV及以上输电线路进行应用,特别是环塔750kV输电线路、疆电外送多条通道等,减少了人工巡检26218人*日;对项目研制的系列化检修作业工器具和治理措施进行应用,使用状况较好,有效避免故障引起的停电115小时以上,减少巡视工作量4559 人*日。 针对沿海台风风害,开展了线路连接设备极端风害故障评估与防治的应用工作,在浙江、江苏沿海城市多条特高压线路,以及220kV及以上输电线路上进行了推广试用。采用绝缘子憎水性检测仪等设备开展带电检测工作,有效避免故障引起的停电80小时以上。系列化检修作业工器具和风害治理设备通过近三年的应用,减少巡视工作量22751人*天,提高了检修人员工作效率,应用的光纤光栅复合绝缘子,成功地捕捉了10余次台风引起的灾害事件。 在高寒极端风害区域的220kV及以上输电线路进行应用,减少了人工巡检12450人*日,减少线路连接设备故障230次;对项目研制的系列化检修作业工器具和治理措施进行应用,使用状况较好,有效避免故障引起的停电180小时,减少巡视工作量11220 人*日。 在四川多山区域,本单位根据项目提出的线路连接设备极端风害故障评估方法,使现场人员明确了各环节风险分析与预控,三年减少巡视工作量11789人*天,开展相关检测作业共1698次,减少检修(检测)工作量1485人*天,平均每次缩短检修时间约19.2%。 项目成果提升了检修安全水平,指导处置线路连接设备故障1200余次,节省人力9万人*日,节约人力和车辆运行维护成本约13亿元,三年共减少非计划停电损失约15亿元。减少了极端风害灾害发生几率,实现了新疆、四川、浙江、江苏和黑龙江多回重要通道极端风害区域3年零事故记录,间接经济效益接近几千亿元。 5.2 应用前景预测 本项目成功实施,引起业内人士高度重视,推动了我国输电线路运行与检修技术发展的进程,提高了输电企业运行维护能力。项目紧紧围绕极端风害引起的线路连接设备故障问题展开研究,从故障诊断、现场检测和寿命评估开展了大量工作,该项目的实施首先保证了输电线路安全运行,对保证了“疆电外送”以及“天中直流”输电、浙江省嘉湖特高压通道和西电东送通道运行有着积极的作用。 同时,本项目的技术研发、装备研制和成功应用为极端风害区域线路连接设备的故障检测与评估提供了系列研究方法,可以减少灾害造成线路断线发生的几率,可以直接为研发单位创造经济效益,促进就业,在新疆地区,很大程度上促进了当地社会的和谐发展。 电力系统的安全稳定运行对国家经济发展,社会稳定均具有重要作用。本项目针对极端风害对输电线路造成的系列故障开展了系统性研究,作为国内首次构建线路连接设备故障多因子反演平台与缺陷多尺度探测方法及机器人/无人机搭载平台,提出了多物理场耦合作用下线路连接设备故障演变机理与线路连接设备多策略检修措施及潜在风险治理手段具有重大的科技创新意义,项目成果已经在新疆、四川、浙江、江苏、湖北、黑龙江等多个省份进行了应用,效果显著,具有很强的指导和示范作用,弥补了现有输电领域防灾减灾技术方面的不足,推动了我国电力防灾减灾技术发展,对促进我国经济发展,保障社会稳定具有重要作用,意义重大。 |
| 中文关键词 | 线路 ; 连接设备 ; 极端风害 ; 故障评估 ; 防治 |
| 成果类型 | 应用技术 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | TM75 |
| URL | http://dbpub.cnki.net/grid2008/dbpub/detail.aspx?dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001754874 |
| 资源类型 | 成果 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/243860 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵建平. 线路连接设备极端风害故障评估与防治关键技术及应用[Z]. 应用技术,2017. |
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