采煤沉陷区高压架空杆塔倾斜在线监测系统设计

王准涛，王新伟，王 斌，陈勇建

（河南崤函电力供应有限责任公司，河南 三门峡 472300）

采煤沉陷区造成的地质灾害对高压架空输电线杆塔的安全运行形成了严重威胁。河南能源化工集团义煤公司矿区是中国重要的能源化工基地，近年，由地质沉陷区引起的高压杆塔倾斜带来的垂弧、绝缘击穿等故障时有发生，导致矿区供电异常，严重时还会导致系统崩溃，最终带来严重的经济损失和安全事故。

本系统针对采煤沉陷区或者地质构造不稳定地区高压输电杆塔易发生倾斜和地基沉降，而人工巡检工作量大且无法及时发现故障隐患的现状，开发了一套高压杆塔倾斜在线监测系统，能够实时采集、无线传输杆塔倾斜、风速、风向等参数，并据此进行趋势分析和故障预警，对于保障电网安全供电、降低运维人员劳动强度具有重要意义。

由于一轴加速度传感器无法测量全摆幅，两轴传感器虽然能够测量全摆幅，但精度有限，因此本论文采用三轴传感器[1-2]测量倾斜角度。

1 倾斜在线监测系统硬件设计

1.1 倾斜传感装置

高精度倾斜传感装置由三轴加速倾斜传感器、信号处理电路、主控单元、信号收发和电源五部分模块组成，各电路模块之间的硬件框图，如图1所示。

图1 高精度传感装置硬件框图

1.2 数据传输装置

根据对系统采集传输数据的需求分析，本模块设计实现了基于NB-IoT数据传输的低功耗终端系统，终端模组采用TI公司的低功耗TMS320F2812芯片作为主控芯片，Quectel公司的BC95模块作为收发数据的NB-IoT通信模块。基于窄带物联网前端硬件设计总体结构如图2所示。

图2 总体结构

1.3 倾斜在线监测整体系统

高压杆塔倾斜监测预测系统采用先进智能的信号采集、网络通信等技术，结合传感器技术、电子测量技术、智能数据分析技术，对输电杆塔安全信息进行实时监测，并根据数据分析及时做出预警和告警。系统兼具智能化、云模式、高精度等多重优势。对超标杆塔状况及时进行预警，指导检修和维护，提醒运行维护人员加固地基，防止倒塔事故发生。

高精度倾斜传感装置内部的倾斜传感模块用来检测杆塔的倾斜度，而模块的主控单元用来进行高精度装置设备控制，并将杆塔倾斜数据通过高精度倾斜传感装置中的信号处理电路实现数据信息的发送与转换，然后通过485通信方式，将倾斜数据信息传给前端数据采集装置，最终由数据采集装置采用窄带物联网技术（NB-IoT），上传到云端后台系统，系统总体结构图如图3所示。

图3 系统整体结构

2 实验分析

设计的采煤沉陷区高压架空杆塔倾斜在线监测系统的高精度倾斜传感装置在实验室的测试过程中，可以实现倾斜角度的高精度测量，同时实现系统的预警、报警功能，目前该系统已取得倾斜校准计量证书。现已在河南能源化工集团义煤公司位于采煤沉陷区的部分输电杆塔上进行了现场安装测试，如图4～6所示。

图4 传感器单元

图5 供电单元

图6 后台系统

经过现场的安装与测试，采空区高压架空杆塔倾斜监测预警系统得到的现场数据如图7所示，由于人工安装存在一定的误差，安装后系统云端后台显示的初始数据为倾斜0°2'57"，东4°15'45"，经过系统后台预留功能“置零”后，数据如图8所示，此时系统云端后台显示的初始数据为倾斜北0°0'0"，东0°0'0"。由于采空区高压架空杆塔的倾斜是一个长时间积累的过程，在20天的观察下杆塔倾斜情况如图9所示，此时系统云端后台显示的初始数据为倾斜北0°1'14"，西0°5'18"。

图7 现场安装后数据

图8 系统置零后数据

图9 目前杆塔倾斜数据

图8表明杆塔在南和西方位已经产生了偏南0°1'14"，偏西0°3'17"的倾斜角度，由此我们可以看出该杆塔确实已经发生了约5'的倾斜，同时也表明了位于采空区高压架空杆塔安装倾斜在线监测预警系统的必要性。

3 结束语

为了实现实时高精度测量采煤沉陷区高压架空输电杆塔的倾斜角度，本文设计了采空区高压架空杆塔倾斜监测预警系统，在经过实验室以及现场的工业性实验后，均表明该系统能正常实现倾斜角度的实时测量，同时采取无动作、预警或报警功能，完全能够满足矿区高压架空杆塔倾斜角度测量的要求；满足矿区安全供电的要求，实现矿区的安全生产。