架空輸電線路導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)

1、 1992第34卷第9期2008年9月高電壓技術(shù)High Voltage EngineeringVol. 34No. 9Sep. 2008架空輸電線路導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)張予(華中電網(wǎng)有限公司, 武漢430077摘要:持續(xù)雨雪冰凍天氣時絕緣子嚴(yán)重覆冰并產(chǎn)生重力過荷載, 導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生倒塔斷線、冰閃跳閘、導(dǎo)線舞動、設(shè)備損壞、電網(wǎng)解列、大面積停電等冰災(zāi)事故, 針對這一問題分析了防止復(fù)雜大電網(wǎng)發(fā)生覆冰災(zāi)害事故的原因, 介紹了研究現(xiàn)狀和存在的問題, 指出了架空輸電線路導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測的重要性。重點介紹了稱重法原理的導(dǎo)線覆冰在線綜合監(jiān)測裝置功能、數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用現(xiàn)狀, 提出基于稱重法原理實現(xiàn)的“等值覆冰在線

2、監(jiān)測系統(tǒng)”可滿足電力系統(tǒng)基建、生產(chǎn)、運行的需求。關(guān)鍵詞:輸電線路; 覆冰; 在線監(jiān)測; 稱重法; 數(shù)學(xué)模型; 裝置中圖分類號:TM726; TM75文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:100326520(2008 0920引言線、倒塔、導(dǎo)線舞動、俄羅斯、, 帶來了巨大的經(jīng)濟損失1, 冰雪災(zāi)害成已為許多國家的電網(wǎng)面臨的共同問題。我國是輸電線路覆冰較嚴(yán)重的國家之一, 線路冰害事故發(fā)生的概率居世界前列, 尤其是2008年初發(fā)生在我國南方的冰雪災(zāi)害給電網(wǎng)帶來了巨大的損失。針對我國的覆冰災(zāi)害情況, 為了減少輸電線路覆冰事故的發(fā)生, 有效保障電力系統(tǒng)安全運行, 在加強探索輸電線路覆冰機理、有效的防冰除冰方法的同時,

3、 還應(yīng)加強研究大電網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測、預(yù)警和診斷方法的研究2。目前, 檢測線路覆冰的方法主要有人工巡視檢測、觀冰站、模擬覆冰導(dǎo)線等, 這些方法存在著勞動強度大、投資高, 檢測結(jié)果和實際出入大等問題。等值覆冰綜合在線監(jiān)測裝置具有以下特點3,4:可取代造價高、維護困難的觀冰站; 隨時掌握沿線氣象條件; 在線監(jiān)測等值覆冰狀況和覆冰發(fā)展趨勢, 提高監(jiān)測精度; 擴展監(jiān)測功能, 增加桿塔荷載監(jiān)測、導(dǎo)線風(fēng)偏監(jiān)測等功能; 完善的預(yù)報警系統(tǒng)。因此輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的研究是電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。輸電線路等值覆冰綜合在線監(jiān)測裝置的研究是線路在線監(jiān)測技術(shù)的重要組成部分, 該裝置可以在線提供未知氣象區(qū)域內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)

4、、導(dǎo)地線等值覆冰狀況、覆冰發(fā)展預(yù)測、桿塔所承受的垂直下壓力和縱向不均衡張力、導(dǎo)線風(fēng)偏、視頻等, 并可實現(xiàn)上述各種數(shù)據(jù)對應(yīng)設(shè)計值或運行設(shè)定值預(yù)、報警, 達到降低覆冰事故對電網(wǎng)造成的沖擊和損失, 校核線路設(shè)計參數(shù)的合理性, 為線路設(shè)計、防冰改造提供真實的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。, , 為我國電網(wǎng), 提高電網(wǎng)的運行可靠性具有重大。1國內(nèi)外覆冰在線監(jiān)測裝置技術(shù)比較1. 1圖像等效判別法在桿塔上安裝視頻裝置, 拍攝導(dǎo)線上的覆冰形狀, 利用GPRSCDMA 或自建無線數(shù)據(jù)接力傳輸系統(tǒng)等方式將圖片傳輸?shù)胶笈_, 利用導(dǎo)線固有的幾何尺寸, 采用微積分的方法計算覆冰面積, 再換算到等效覆冰厚度。這種方法簡單易行, 但不能真實反

5、映導(dǎo)線等值覆冰狀況, 例如:導(dǎo)線不同部位覆冰的不均勻性, 冰的密度(019g/cm 3 換算等。1. 2測量導(dǎo)線應(yīng)力換算冰的質(zhì)量在懸垂線夾附近的導(dǎo)線上安裝傾角傳感器, 監(jiān)測導(dǎo)線傾角的變化, 對應(yīng)導(dǎo)線弧垂與溫度的變化曲線, 對比角度差, 計算導(dǎo)線應(yīng)力的增加量, 得出覆冰的質(zhì)量, 在等效換算到等值覆冰厚度。這種方法的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是導(dǎo)線弧垂與溫度的變化曲線受很多因素制約, 稍有誤差, 覆冰質(zhì)量就相差很大。1. 3稱重法將拉力傳感器替換球頭掛環(huán), 直接測量在一個垂直檔距內(nèi)導(dǎo)線的質(zhì)量, 利用風(fēng)速、風(fēng)向和傾角傳感器, 計算出風(fēng)阻系數(shù)和絕緣子串的傾斜分量, 采用排除法, 最終得出覆冰質(zhì)量, 再用0. 9g/cm

6、 3的密度換算為等值覆冰厚度。這種方法是最直接、最可靠、誤差最小的國際通用的方法, 加拿大、日本、俄羅斯等國家都是采用這種方法。采用稱重法監(jiān)測覆冰的裝置還具有很好的功能擴展性, 加裝雙軸傾角傳感器可監(jiān)測桿塔所承受的垂直下壓力、縱向不均衡張力、導(dǎo)線風(fēng)偏角和桿塔傾斜度等。本文著重介紹稱重法在線監(jiān)測覆冰裝置的技術(shù)和應(yīng)用情況5,6。 2008年9月高電壓技術(shù)第34卷第9期19932導(dǎo)線覆冰在線綜合監(jiān)測裝置(稱重法 原理2. 1數(shù)據(jù)/圖象傳輸輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)是集計算機技術(shù)、微量信號傳感技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)、低功耗技術(shù)、視頻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等為一體的技術(shù)集合體。系統(tǒng)通過現(xiàn)場在線采

7、集風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、垂直荷載(垂直擋距內(nèi)的導(dǎo)線、絕緣子、金具的質(zhì)量以及冰荷載和風(fēng)荷載 、絕緣子傾斜角等數(shù)據(jù)和圖象, 采用無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行實時數(shù)據(jù)/圖象傳輸。2. 2后臺軟件分析程序后臺軟件分析程序是建立在風(fēng)荷載數(shù)學(xué)模型、垂直荷載數(shù)學(xué)模型、等值覆冰計算模型、學(xué)模型、獲取的數(shù)據(jù), 冰厚度、監(jiān)測。2. 3預(yù)測模型考慮到覆冰生長預(yù)測模型的精度和可測算性, 在國際上通用的20多種覆冰生長預(yù)測模型中, 選擇采用更接近國內(nèi)設(shè)計條件的Makkonen 模型進行導(dǎo)線覆冰生長預(yù)測。2. 4報警系統(tǒng)通過上述各種功能的實現(xiàn), 建立線路運行狀況的預(yù)、報警系統(tǒng), 預(yù)、報警系統(tǒng)包括:導(dǎo)、地線等值覆冰厚度發(fā)展趨勢、

8、氣象條件、桿塔縱向不均衡張力和導(dǎo)線風(fēng)偏距離等。力差的變化。3. 4導(dǎo)線風(fēng)偏狀態(tài)監(jiān)測通過在線監(jiān)測絕緣子垂直線路方向的傾斜角, 建立絕緣子傾斜度、風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)偏系數(shù)(設(shè)計值 的數(shù)學(xué)模型, 找出在不同的氣象條件下, 風(fēng)偏系數(shù)和電氣距離之間的對應(yīng)關(guān)系, 驗證風(fēng)偏系數(shù)取值的合理性。3. 5視頻在線監(jiān)測采用耐低溫、防覆冰視頻技術(shù), 獲取半球水平360旋轉(zhuǎn), 垂直向下任一點的圖片, 景深范圍可在200400m 內(nèi)選擇, CDMA 技術(shù)。, 設(shè)定予、報警, 并能通過移動網(wǎng)絡(luò)以短信方式及時發(fā)送給相關(guān)人員。4數(shù)學(xué)計算模型4. 1導(dǎo)線覆冰厚度計算模型根據(jù)導(dǎo)線綜合載荷是導(dǎo)線固有載荷、冰載荷、風(fēng)載荷之和建立載荷平衡模

9、型:q =q 0+q win +q ice 。式中, q 為綜合垂直載荷; q 0為垂直檔距內(nèi)導(dǎo)線和絕緣子自重載荷; q win 為垂直檔距內(nèi)風(fēng)載荷; q ice 為垂直檔距內(nèi)冰載荷。q 可通過拉力傳感器測量的絕緣子及導(dǎo)線負(fù)荷計算得出, q 0可依據(jù)電力建設(shè)手冊(固有參數(shù) 查出; q win 可以通過風(fēng)速傳感器、導(dǎo)線直徑和風(fēng)向夾角等算出。還要考慮導(dǎo)線受風(fēng)體形系數(shù)風(fēng)壓不均勻系數(shù)以及線路導(dǎo)線風(fēng)載調(diào)整系數(shù)等。建立垂直載荷數(shù)學(xué)模型, 得出冰載荷。再依據(jù)覆冰厚度等效模型計算出, 導(dǎo)線等值覆冰厚度:=2+-3基本功能介紹3. 1導(dǎo)線(地線 等值覆冰厚度在線監(jiān)測在線測量絕緣子荷載的變量, 建立在一個垂直擋距

10、單元內(nèi)導(dǎo)線自重、風(fēng)壓系數(shù)、絕緣子傾角、絕緣子垂直荷重和導(dǎo)線等值覆冰厚度的數(shù)學(xué)模型, 在線監(jiān)測在一個垂直擋距單元內(nèi)等值覆冰厚度變化。3. 2氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測在線監(jiān)測小氣象環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù), 可滿足線路設(shè)計和對氣象條件的需求。必要時, 可增加降雨量、日照等功能。3. 3桿塔荷載監(jiān)測2i2。式中, 為導(dǎo)線覆冰厚度; d 為無冰時導(dǎo)線外徑; m 3為導(dǎo)線每米覆冰后總質(zhì)量, 可由重力傳感器測得數(shù)據(jù)進行計算; m 1為無冰時導(dǎo)線每米總質(zhì)量; i 為覆冰密度。以此式計算出等效導(dǎo)、地線均勻覆冰厚度。4. 2導(dǎo)線風(fēng)荷載計算模型風(fēng)作用于輸電導(dǎo)線上產(chǎn)生的正交風(fēng)載荷, 并非理論風(fēng)壓與導(dǎo)線受風(fēng)截面積之和,

11、 還需要考慮導(dǎo)線的體型系數(shù)、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、風(fēng)載荷調(diào)整系數(shù)、風(fēng)速高差換算系數(shù)以及風(fēng)夾角等影響。導(dǎo)線風(fēng)載荷計算依據(jù)空氣動力學(xué)原理, 建立懸垂導(dǎo)線風(fēng)載荷計算公式為2sc l H (K h v 2sin 2W x =0. 625=g H l H 。c (d+2c sin 為導(dǎo)線風(fēng)壓不均勻系數(shù); 式中, sc 為導(dǎo)線體型系相鄰檔的不均勻覆冰或線路不同期脫冰會在桿塔上產(chǎn)生張力差, 線路設(shè)計時, 對桿塔導(dǎo)線橫擔(dān)和地線支架所允許承受的不均衡張力差有嚴(yán)格的控制, 本系統(tǒng)通過在線監(jiān)測絕緣子順線路方向的傾斜度及荷載, 建立桿塔三維力學(xué)模型, 在線監(jiān)測桿塔縱向張 1994Sep. 2008High Voltage

12、Engineering Vol. 34No. 9數(shù); c 為風(fēng)載調(diào)整系數(shù); v 為基準(zhǔn)高h(yuǎn) s 處的設(shè)計風(fēng)速; K h 為導(dǎo)線平均高為h 處的風(fēng)速高度變化系數(shù); d 為導(dǎo)線外徑; 為導(dǎo)線覆冰厚度, 無冰時=0; l H 為為風(fēng)向與電線軸向間的夾角; g H 為桿塔垂直檔距; 電線單位長度上的風(fēng)載荷, g H =01625sc (d +2(K h v 2。4. 3迭代技術(shù)在模型分析上的應(yīng)用在對風(fēng)載荷計算的過程中, 存在覆冰厚度對風(fēng)載荷計算結(jié)果的影響, 故存在數(shù)學(xué)迭代關(guān)系模型, 覆冰厚度計算流程見圖1。邊界條件的設(shè)定及初始數(shù)值的選取是迭代計算的關(guān)鍵, 利用迭代算法求得近似解和趨勢逼近數(shù)值(收斂的計

13、算結(jié)果 。4. 4桿塔荷載監(jiān)測、分析模型器, 測得絕緣子的傾斜角, 型, 、分析模型見圖4. 5、分析模型用雙軸角度傳感器測得絕緣子串垂直線路方向的傾斜角風(fēng)偏角, 建立圖3導(dǎo)線風(fēng)偏距離數(shù)學(xué)模型:L 1=L 2-co s 2。式中, L 1為導(dǎo)線水平風(fēng)偏距離; L 2為導(dǎo)線與塔身的為傾斜角。凈空距離; 為絕緣子串長度;圖1 覆冰厚度計算流程5裝置試驗研究“輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)”是由風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、拉力、傾角傳感器, 通訊模塊等裝置的組合, 安裝在輸電線路桿塔上, 安裝地點多為重冰區(qū), 工作環(huán)境非常惡劣, 而監(jiān)測的目的是等值覆冰厚度, 監(jiān)測精度要求較高, 為保證監(jiān)測結(jié)果的正確性, 本研

14、究對裝置做了大量的試驗, 結(jié)果完全滿足“架空輸電線路等值覆冰厚度在線監(jiān)測系統(tǒng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。主要的試驗內(nèi)容和方法為:1 準(zhǔn)確度檢驗。試驗包括:拉力傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、角度傳感器、綜合精度試驗。2 覆冰試驗。模擬高電場、低溫、覆冰條件, 測試整套系統(tǒng)運行狀態(tài)。3 電源性能試驗:太陽能電池板, 按照G B12632290規(guī)定進行; 蓄電池, 按照YD/T79921996規(guī)定進行; 整體測試, 蓄電池充滿電后, 僅靠圖2桿塔荷載監(jiān)測、分析模型示意圖5 氣候防護試驗。高溫試驗, 整套設(shè)備按“G B/T 24231222001電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分:試驗方法試驗

15、A :高溫”中規(guī)定的試驗要求和試驗方法進行; 低溫試驗, 整套設(shè)備按“G B/T 24231122001電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分:試驗方法試驗A :低溫”中規(guī)定的試驗要求和試驗方法進行; 交變濕熱試驗, 整套設(shè)備按“G B/T 24231421993電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Db :交變濕熱試驗方法”中規(guī)定的試驗要求和試驗方法進行。蓄電池給設(shè)備供電, 無陽光工作日30d 。4 雷電沖擊試驗。整套設(shè)備按“G B/T 1692711高電壓試驗技術(shù)第一部分:一般試驗要求”中規(guī)定的試驗要求和試驗方法進行試驗 。 2008年9月高電壓技術(shù)第34卷第9期1995如“:模擬高電場、低溫、覆冰條件,

16、 測試整套系統(tǒng)運行狀態(tài)”、氣候防護試驗等。7結(jié)語2007年由華中電網(wǎng)有限公司承擔(dān)多家單位參加的國家電網(wǎng)公司的重大專項課題“華中電網(wǎng)輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用”和架空輸電線路等值覆冰厚度在線監(jiān)測系統(tǒng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制的任務(wù), 研究從目前國內(nèi)運行的覆冰在線監(jiān)測裝置的功能、傳感器、數(shù)據(jù)采集、通訊、電源、數(shù)學(xué)模型、分析系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)、方法, , , 并通過大量的試驗研, 500kV 電場的低溫、覆冰試驗和風(fēng)動試驗, 取得了大量的珍貴數(shù)據(jù), 為覆冰在線監(jiān)測裝置的先進性、可靠性和適用性奠定了堅實的基礎(chǔ)。在2008年冰災(zāi)期間, 獲取了大量的數(shù)據(jù)和圖片, 其測量精度與現(xiàn)場實際相比較, 基本吻合, 達到了國家電

17、網(wǎng)公司企標(biāo)架空輸電線路等值覆冰厚度在線監(jiān)(報批稿 的要求。測系統(tǒng)圖3導(dǎo)線風(fēng)偏距離監(jiān)測、分析模型綜上所述, 采用稱重法實現(xiàn)的“等值覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)”以及其擴展的功能, 完全可滿足電力系統(tǒng)基建、生產(chǎn)、運行的需求。參版社, 2002.考文獻1蔣興良, 易輝. 輸電線路覆冰及防護M .北京:中國電力出2宛吉河, 蔣興良, 易輝, 等. 輸電線路導(dǎo)線覆冰的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀J.高電壓技術(shù), 2004, 30(1 :629.3黃新波, 劉家兵, 蔡偉, 等. 電力架空覆冰雪的國內(nèi)外研究J.電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(3 :4223,28.4徐青松, 侯煒, 王孟龍. 架空輸電線路覆冰實時監(jiān)測方案探討J.浙江電力, 2007, 45(3 :9212.5黃新波, 孫欽東, 程榮貴, 等. 導(dǎo)線覆冰的力學(xué)分析與覆冰在線6國內(nèi)覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況分析國內(nèi)第1套(采用稱重法 擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的“等值覆冰在線監(jiān)測裝置”于2005210首次在湖南500kV 線路上掛網(wǎng)運行后, 相繼有58套裝置在湖北、湖南、青海等12個省份110750kV 線路上掛網(wǎng)運行, 積累了大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗。由于沒有統(tǒng)一的設(shè)計、制造和試驗標(biāo)準(zhǔn), 各生產(chǎn)廠