地线融冰自动接线装置、地线融冰远程控制机柜等塔侧设备可提高输电线路地线融冰的效率和安全性，然而其由于工作环境恶劣，时有故障出现。为了解决这一问题，中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局、南京电力金具设计研究院有限公司的徐望圣、曹伟伟、王金沛、王郑、杜怀云，在《电气技术》上撰文，建立一套塔侧设备故障在线监测系统。
该系统在原有主控制模块的基础上增设工控机和通信管理机，实现设备状态自检，并可在本地工控机、远方运维服务器和流动作业单兵作战平板三个位置实时显示自检结果。该系统能实现故障告警功能并按故障特征为运检人员提供专业性修复方案，从而实现地线融冰塔侧设备的快速修复，保障地线融冰工作顺利开展。
输电线路地线直流分段融冰法，是目前国内使用范围最广、效果最好的地线融冰方法。该方法通过使用地线融冰自动接线装置可实现5min内构成地线融冰回路，自2013年在500kV施贤线贵州、广西段线路成功实现工程应用以来，已被推广应用于南方电网30多个线路工程中的150多个地线融冰段，融冰线路电压覆盖交直流110～800kV，累计支撑西电东送主通道线路融冰达2500次。
2020年，地线融冰自动接线装置远程控制系统成功实施，改变了以往需人员赴塔下操作导地线接线的方式，实现了在控制中心对塔侧融冰开关设备的全程操作，进一步提高了地线融冰的效率。但是，经过多年的运行实践，运检人员发现偶有融冰时设备未能正常起动的情况，需现场紧急排障，导致融冰时长增加或融冰失败。随着塔侧融冰设备工作时间的增加，部分设备使用寿命已达上限，若不能采取有效的技术手段及时发现设备工作中出现的故障并解决，则会导致相关问题逐年增多，严重影响西电东送主通道的畅通。
1 地线融冰塔侧设备简介
1.1 地线融冰塔侧融冰开关
地线融冰塔侧融冰开关有三种，分别为用于导地线短接的自动接线装置、用于选择不同地线融冰回路的自动选相开关和用于融冰时与铁塔隔离、输电时接地的自动接地开关。
自动接线装置主体如图1所示，包括传动机构、开合导电器、跳线串取电器、保护设施和电气控制系统，除电气控制系统外，其余部件均安装于铁塔横担处。在需要进行融冰操作时，由工作人员携带便携式电池和操作箱到塔下，连接电源线和控制线，然后使用操作箱驱动电机带动开合导电器合闸完成导地线短接。融冰结束后，操作开合导电器分闸完成导地线分离，将现场的电源线和控制线收纳至安装于铁塔上的防水电气柜中并锁紧，电池和操作箱由工作人员带回。
自动选相开关如图2所示，自动接地开关如图3所示，自动选相开关和自动接地开关安装在铁塔第一横隔面处。同样地，电源线和控制线连同航插接口日常锁在防水电气柜中，在操作时通过航插接好控制盒和电池再进行控制。
1.2 远程控制装置
地线融冰远程控制装置的功能：一是用于接收远方控制中心发出的控制指令，并驱动自动接线装置、自动选相开关和自动接地开关；二是将现场的设备状态传送至控制中心。为便于日常运维，将远程控制装置安装在铁塔下的水泥平台，并采用一定的物理防护手段隔绝无关人员或小动物。远程控制装置如图4所示。
1.3 光伏储能装置
光伏储能装置为塔侧的融冰开关和远程控制装置提供长期运行所需电能，通过安装在远程控制装置顶部的光伏板现场取电，再将电能储存在磷酸铁锂电池中。所配备的光伏储能装置可根据现场气象条件进行配置调整，以贵州地区为例，因冰期可能出现连续多日阴雨天气，故需设计可在极端条件下长期供电的光伏储能装置。
1.4 视频监测装置
视频监测装置采用具有云台功能的高清视频球机，安装在铁塔横担附近，其在地线融冰时可实时观测各开关的动作情况和位置状态，在非融冰时可监测塔下设备，起到防外破的作用。
2 地线融冰塔侧设备运行故障
2.1 电源系统故障
2021年10月，±500kV禄高直流线路某融冰段进行地线融冰测试时，发现变电站发出控制指令后无响应，通过平台控制软件查看现场设备状态，全部为掉线状态。运检人员现场检查发现，铁塔侧储能电池低电压，远程控制机柜未能正常工作。导致储能电池电量耗尽的原因为，现场控制机柜的加热功能在上次融冰后未及时关闭，电源系统长时间处于高耗能状态。关闭加热功能后，光伏储能装置正常工作。
2.2 通信系统故障
2022年11月，再次发现±500kV禄高直流线路某融冰段远程控制功能失效，且特征与2.1节所述故障特征相似。运检人员现场检查电源系统正常。后经逐级排查，最终发现铁塔侧的网线断裂，有动物啃噬痕迹，导致通信故障。更换网线后，远程控制功能恢复正常。
2.3 电气控制系统故障
2020年10月，在500kV施黎甲线某融冰段安装自动接地开关时，因控制线长度不够，现场施工人员采用对接另一条控制线的方式进行延长，现场测试各功能正常。经过连续两天阴雨后再次测试，发现无法动作。初步判断控制线对接位置进水，导致分合闸信号错乱。更换单根完整信号线之后，排障成功。
2015—2022年，贵州地区数条线路的地线融冰段在自动接线装置操作过程中，多次出现分闸到位无法自动停止、合闸到位无法自动停止、分闸未到位自动停止、合闸未到位自动停止等故障。
经排查，发生上述故障的原因是自动接线装置分合闸位置的位置传感器损毁或因振动而出现位置偏移，导致无信号或信号有偏差。常用解决手段是更换位置传感器或重新调整其位置。现已将位置传感器定为易损件，并制作相应维护规范，以指导运检部门定期检修和更换。
2.4 其他故障
在远程控制系统开发阶段和试运行阶段，曾出现远程控制机柜内部二次回路不连续、主控板或转接板的元器件脱焊、故障指示灯不亮、数据或信号传输延时较长等故障，后续的系统优化定型已杜绝了以上大多数故障的发生。
3 故障原因分析
3.1 覆冰地区气象条件的影响
气象条件是指覆冰线路所处地区的自然环境状况，一般包括温度、湿度、风速、风向及覆冰状况。根据已有研究总结输电线路覆冰的气象条件如下：
①温度条件，介于-10℃～0℃；
②湿度条件，相对湿度一般大于80%；
③风速条件，可使空气中冷却水滴运动的风速，一般为0～6m/s；
④风向条件，风向与线路夹角为45°～135°。
此类气象条件对塔侧设备造成的威胁主要有：结构件锈蚀导致机械强度降低或接地连续性破坏、绝缘件外表面损坏导致绝缘性能降低、电气连接件损毁导致控制不畅。
3.2 覆冰地区自然灾害的影响
影响塔侧设备的自然灾害主要包括雷电、覆冰、台风等，雷电可能击穿设备中的绝缘件和电子元器件，覆冰可能导致视频监测装置因低温而无法启动，台风可能造成机械损伤。对于覆冰是否会造成绝缘子绝缘性能下降的问题，国内已有高校进行过相关试验，证实了由于覆冰期间温度较低，冰与绝缘子表面难以存在溶解导电杂质的水膜，绝缘子的绝缘能力不会发生明显降低而导致冰闪。
但是，随着环境温度升高进入融冰期，绝缘子表面冰层融化形成水膜，导电杂质溶解在水膜中，极易发生冰闪。
3.3 外力破坏和电磁兼容损坏
外力破坏分为人为破坏和非人为破坏。人为破坏会因人类的各种行为破坏设备、线缆等，非人为破坏一般是小动物在塔侧进行破坏，如野外的老鼠、飞鸟、马蜂等，因户外产品本身具有较高的防护等级，常见破坏大多为外露线缆因啃噬而损坏。
电磁兼容损坏包括输电线路沿线超出设计标准的高静电感应电压、高磁场、高电场强度等不利条件引起的对塔侧设备所使用电子元器件产生的长期持续损坏。
4 塔侧设备故障在线监测系统
4.1 系统的设计需求
现有的地线融冰塔侧设备运行维护分为日常维护和停电维护。日常维护主要针对电气控制系统，包括电池的充、放电、控制箱的功能测试和维护、电源线、信号线外观检查等。
停电维护集中在每年输电线路覆冰之前，常安排在10月下旬—11月底，主要内容是对整机所有操作功能进行测试和维护，防止在即将到来的冰期因功能性缺陷造成设备不可用。现有维护工作存在的明显缺陷是处理故障的时效性不强，而且对于需要较长时间处理的故障，常因停电检修期过短而被迫延后解决。
虽然地线融冰自动接线装置远程控制系统投入运行后，已可将铁塔侧开关的状态参数、电源系统的运行参数等上传到变电站控制平台，变电站操作人员在地线融冰时可实时了解运行状态，但是由于远程控制系统的主要功能是对线路一次设备进行操作，属于生产一区的业务范围，而线路运检部门使用的运维自动化系统布置于信息管理大区，属于三区的业务范围，按照安全分区的原则，两个大区不能直接交互。
同时，考虑到远程控制系统操作的安全性，仅在地线融冰期间打开操作软件，因此在输电线路正常通电运行时，变电站也无法获得塔侧融冰设备的状态信息。
基于上述原因，需开发输电线路地线融冰塔侧设备故障在线监测系统，通过该系统对塔侧控制终端进行状态自检，自检结果通过专用网络反馈到远端后台，对异常状态及时报警，指导运维人员对铁塔侧的检修工作。
4.2 系统的运行原理
系统的运行原理如图5所示，由铁塔侧安装的远程控制机柜连接自动接线装置、自动选相开关和自动接地开关等设备，在日常运行时，机柜的主控制模块定时检索各开关的状态。
在原有的远程控制模块上新接一工控机，工控机通过读取模块日志获得各种状态信息并将其呈现在主界面上，使巡检人员在就地巡检该铁塔时能了解铁塔侧设备的状态。工控机还连接有通信管理模块，通过接入点（accesspoint name, APN）专网，将状态信息传送到运维管理平台的显示终端。另外，巡检班组人员还可通过单兵作战平板实时获取各铁塔的设备状态信息，便于灵活解决现场问题。
4.3 系统的自检和告警功能
系统的设计以第2节所述电源系统、通信系统及电气控制系统三种故障类型为参考，扫描和自检以下内容。
1）各类开关当前的状态信息，包括自动接线装置的分合闸信号、保护锁的开闭锁信号、自动接地开关的分合闸信号、自动选相开关的分合闸信号等。将自检信息与上次的执行指令进行对比，若不相符则判定异常。
特别需要提醒的是，开关的状态信息由位置传感器闭合时发出，而在输电线路日常工作时，由于开关长时间不动作，处于开路状态的位置传感器在本系统中暂时无法判断是否正常。巡检人员在每年的停电维护期间需重点检测常开的传感器，必要时携带备件，随时准备更换。
2）电池管理系统（battery management system, BMS）信息，包括电池的当前电压、即时用电功率、光伏板的充电电压和电流、各电源接口的输出电压等。在工控机预定义各参数的阈值，当获取的数值超过阈值时触发告警。
3）铁塔侧主控制模块与控制中心的通信状态信息，该功能通过主控制模块定时发送通信测试数据包至控制中心，再通过接收到的响应信息判断通信是否正常。
在上述状态信息出现异常时，按照等级危害程度进行分类，优先处理严重影响融冰操作甚至使融冰无法进行的故障状态。
4.4 系统的解决方案检索功能
系统设置依据故障现象进行检索查询的功能，巡检人员依据告警信息的关键字进行查询，即可获知故障的可能原因和解决该故障的方法。
针对电源系统故障和通信系统故障，查询时的告警信息可以相对直观地定位故障位置，但是对于电气控制系统故障，故障点可能涉及控制线、电源线、位置传感器和主控制模块二次线等，查询出的解决方案会按照故障概率进行排列，因此现场巡检人员需要逐一核查，再实施解决方案。
5 运检新技术展望
国内外在远程运维领域已开展了相关研究，如采用人工智能（artificial intelligence, AI）技术提高故障检测效率，构建基于深度学习的智能诊断系统，通过数据分析和深度挖掘，预测可能出现的故障和问题，并提前发出警报。此外，电力部门利用增强现实（augmented reality, AR）眼镜，采用图像识别和语音提示等技术实现人机交互，指导巡检人员工作。未来这些技术都可应用于地线融冰塔侧设备远程运维工作中，为保证地线融冰工作安全稳定开展提供有力保障。
6 结论
近年来，为了使地线融冰工作的开展更加快速、安全，国内电力部门相继出现了地线融冰自动接线装置、地线融冰远程控制机柜等塔侧设备。
首先，本文介绍了各种地线融冰塔侧设备，总结其出现的故障基本可按电源系统故障、通信系统故障和电气控制系统故障分类，通过分析故障原因，发现覆冰地区气象条件、自然灾害、外力破坏和电磁兼容破坏等因素都会对塔侧设备的健康状态造成不利影响；其次，本文提出通过建立一套在线监测系统将塔侧设备自检状态传输给运检人员，并在检测到异常状态时进行实时报警，以提高运行检修效率；最后，本文建议未来可将AI或AR技术应用于融冰工作中，进一步提升地线融冰塔侧设备运维的时效性和准确性。
本工作成果发表在《电气技术》，论文标题为“输电线路地线融冰塔侧设备远程运维技术”，作者为徐望圣、曹伟伟、王金沛、王郑、杜怀云。