CN101929886A - 一种输电导线覆冰质量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输电导线覆冰质量的测量方法，通过测量得到输电导线的导线应变增量、导线温度t以及风速风向传感器测量输电导线所处环境下的风速v和风向θ，然后通过两重迭代，计算出输电导线覆冰厚度b，然后依据获得输电线路覆冰厚度b，并考虑输电导线分裂数目的影响，计算出整条输电导线上的覆冰质量。这种方法更加符合现场的实际情况，即应变传感器所测量的数据实际上为导线的应变变化量，而不是总的应变量。同时，这种方法所监测的数据为导线的应变变化，能够更直观地反映输电线路的安全状态。

Description

一种输电导线覆冰质量的测量方法

技术领域

本发明属于输电导线覆冰监测技术领域，更为具体地讲，涉及到一种基于输电导线覆冰质量的测量方法。

背景技术

在输电线路中，导线覆冰对输电线路的安全运行危害极大，引发的事故包括：不均匀覆冰或不同期脱冰事故；过负载事故；绝缘子冰闪事故；导线有覆冰且为非均匀覆冰时，线路易发生舞动，产生舞动事故；由于舞动的幅度大，持续时间长，容易引起相间闪络，损坏地线、导线、金具等部件，导致线路跳闸停电、断线倒塔等严重事故。一次严重的输电线路导线覆冰事故，会导致巨大的经济损失，并严重影响社会生活。因此，输电线路导线覆冰监测技术，即监测输电线路上导线覆冰质量的技术，对于保证输电线路安全运行具有极其重要的意义。

输电导线一旦发生覆冰，输电导线重量增加，所受的应力增大，最直观的表现就是输电导线弧垂增加。由此现象出发，衍生出一系列的覆冰监测技术。归纳起来，目前主要有如下五种：

1、设立覆冰观测站，在特殊区域设立专人职守的观测点，人工记录气象信息及覆冰情况。这种方法的缺点是，人为因素过大，成本高，监测不易。

2、对倾角-弧垂进行实时测量，通过输电线路状态方程推算线路覆冰程度。

3、在铁塔上安装视频图像采集设备，并通过无线通信手段发回图像数据，用人工或者计算机根据视频图像分析覆冰的厚度。

4、就是俗称的称重法，通过在输电线路绝缘子串位置处安装拉力传感器，测量绝缘子串位置处的受力变化，得到覆冰质量。

5、通过测量输电导线上一点或者多点的应变，然后结合输电线路状态方程，计算输电线路上的覆冰质量变化情况。

针对第5种覆冰监测技术，输电导线覆冰质量计算的依据是输电线路状态方程。如2010年1月6日公开的、公开号为CN 101620000A、名称为“输电线路覆冰量的计算方法”公开的覆冰质量的测量方法，包括以下步骤为：(1)获取输电线路固定档距内的导线温度和弹性应变量，根据导线温度和弹性应变量得到输电线路固定档距内的总应变量；(2)根据总应变量获得输电线路固定档距内的导线比载，并将导线比载与输电线路固定档距内的导线自身比载进行比较；如果导线比载大于导线自身比载，计算输电线路固定档距内的附加荷载；根据附加荷载得到输电线路固定档距内的覆冰量。在计算过程中，这类方法还需要监测风速和风偏角，以便于在最终结果中剔除风速的影响。

这种覆冰质量的测量方法没有考虑实际测量过程中，输电导线总的弹性应变量难以直接测量。因为输电导线先于应变测量装置安装，在安装应变测量装置之前，输电导线上就有一个初始的应力和初始的应变。一般情况下，应变监测装置实际测量的是导线应变的变化量，即导线因温度、覆冰、风载荷等因素共同作用下的变长或者变短。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种不以总应变量进行计算的输电导线覆冰质量的测量方法。

为实现上述发明目的，本发明的输电导线覆冰质量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、应变传感器测量输电导线获得导线应变增量，然后进行滤波，得到其中的导线应变稳态分量ξ；

(2)、温度传感器测量输电导线获得导线温度t，然后，计算输电导线因温度改变而产生的应变增量Δξ_t＝a(t-t₀)，其中，α为温度膨胀系数，t₀为初始的输电线路温度；根据步骤(1)得到的导线应变稳态分量ξ，计算得到输电导线因覆冰和风载荷而产生的应变量Δξ＝ξ-Δξ_t；

(3)、风速风向传感器测量输电导线所处环境下的风速v和风向与输电导线无风情况下所在平面的夹角θ，然后根据输电线路设计技术规范中荷载计算手册，得到当地基准风压标准值W₀、风压不均匀系数a₁、导线体形系数μ_sc、风压高度变化系数μ_z、风向与导线轴向的夹角θ引起的风压随风向的变化系数μ_θ；

(4)、计算输电导线覆冰厚度：

a、初始赋值

令输电导线综合比载γ₁＝γ₀，覆冰的比载为γ₂＝0，水平面内风的比载为γ₃＝0，风偏平面内的输电导线最低点的应力σ₁＝σ₀，风偏角η＝0，输电导线覆冰厚度b＝0；其中，γ₀为输电导线的自重比载，σ₀为输电导线安装应变传感器时刻的最低点的水平应力；

b、根据线长公式、平均应力方程，计算出未覆冰状态下的输电导线线长L₁和平均应力σ_av1：

$L_1=\frac{l}{\cos \mathrm{\β}}+\frac{{{\mathrm{\γ}}_0}^2{l}^3}{24{{\mathrm{\σ}}_0}^2}\cos \mathrm{\β};$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{av}1}=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{2L_1}[l+\frac{{L_1}^2+h^2}{\sqrt{{L_1}^2-h^2}}\mathrm{ch}\frac{{\mathrm{\γ}}_{0}l}{2{\mathrm{\σ}}_0}]$

其中，l为档距，β为高差角，h为高差；

c、迭代计算覆冰厚度为b且无风情况下的输电导线最低点的水平应力σ_b0输电导线覆冰之后的比载为γ₄＝γ₀+γ₂，其中，γ₂＝0.027728b(D+b)/A，D为输电导线外径，A为输电导线横截面积；初次迭代设覆冰之后输电导线最低点的水平应力为σ_b0＝σ₀；

c1、将覆冰之后输电导线最低点的水平应力σ_b0，代入线长公式，求出覆冰后输电导线的线长L₂：

$L_2=\frac{l}{\cos \mathrm{\β}}+\frac{{{\mathrm{\γ}}_4}^2{l}^3}{24{{\mathrm{\σ}}_{b0}}^2}\cos \mathrm{\β}$

c2、将覆冰后输电导线的线长L₂代入导线的平均应力方程，求出输电导线平均应力σ_av2：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{av}2}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{b0}}{2L_2}[l+\frac{{L_2}^2+h^2}{\sqrt{{L_2}^2-h^2}}\mathrm{ch}\frac{{\mathrm{\γ}}_{4}l}{2{\mathrm{\σ}}_{b0}}]$

c3、将未覆冰状态下的线长L₁和平均应力σ_av1、覆冰后输电导线平均应力σ_av2代入架空线的基本状态方程，可求得新的线长L′₂：

$L_2^{\′}=\frac{L_1[1-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{av}1}}{E}-\mathrm{\α}(t_1-t_0)]}{1-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{av}2}}{E}-\mathrm{\α}(t-t_0)}$

其中，E为输电导线的弹性系数，t₁为输电导线安装应变传感器时刻的温度；

c4、比较步骤c3新求得的线长L′₂和步骤c2求得的覆冰后输电导线的线长L₂，如果两者之差大于设定差值ε₁，则：

则将步骤c3新求得的线长L′₂代入线长公式，得到输电导线最低点的水平应力σ_b0：

${\mathrm{\σ}}_{b0}=\sqrt{\frac{{{\mathrm{\γ}}_4}^2{l}^3\cos \mathrm{\β}}{24(L_2^{\′}-\frac{l}{\cos \mathrm{\β}})}}$

将输电导线最低点的水平应力σ_b0代入步骤c1，重复步骤c1-c3，直到步骤c3新求得的线长L′₂和步骤c2求得的覆冰后输电导线的线长L₂两者之差小于等于设定差值ε₁，并输出覆冰之后输电导线最低点的水平应力σ_b0；

d、在风偏平面内，依次计算风荷载γ₃，综合比载γ₁，输电导线风偏角η，档距l′、高差h′、高差角β′、最低点的水平应力σ′₀，线长L₃，得到应变传感器所在位置x₀的应力σ′_x0：

γ₃＝W₀(D+2b)a₁μ_scμ_zμ_θ/A×10^-3

${\mathrm{\γ}}_1=\sqrt{{({\mathrm{\γ}}_0+{\mathrm{\γ}}_2)}^2+{{\mathrm{\γ}}_3}^2}$

$\mathrm{\η}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\γ}}_3}{{\mathrm{\γ}}_1}\right)$

$l^{\′}=l\×\sqrt{1+{(\tan \mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\η})}^2}$

h′＝hcosη

${{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}={\mathrm{\σ}}_{b0}\×\sqrt{1+{(\tan \mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\η})}^2}$

$\cos {\mathrm{\β}}^{\′}=\cos \mathrm{\β}\×\sqrt{1+{(\tan \mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\η})}^2}$

sinβ′＝sinβ×cosη

$L_3=\frac{l^{\′}}{\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}+\frac{{{\mathrm{\γ}}_1}^2{l}^{\′3}}{24{\mathrm{\σ}}_0^{\′2}}\cos {\mathrm{\β}}^{\′}$

${\mathrm{\σ}}_{x0}^{\′}=\frac{{{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}}{\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}+{\mathrm{\γ}}_1[\frac{{\mathrm{\γ}}_1{(l^{\′}-2x_0)}^2}{8{{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}-\frac{(l^{\′}-2x_0)}{2}\tan {\mathrm{\β}}^{\′}]$

其中，x₀是应变传感器相对铁塔的水平坐标；

e、利用应用以下方程，求出输电导线的应变增量Δξ₁：

$\mathrm{E\Δ}{\mathrm{\ξ}}_1=\frac{{{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}}{\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}+{\mathrm{\γ}}_1[\frac{{\mathrm{\γ}}_1{(l^{\′}-2x_0)}^2}{8{{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}-\frac{(l^{\′}-2x_0)}{2}\tan {\mathrm{\β}}^{\′}]-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\cos \mathrm{\β}}-{\mathrm{\γ}}_0[\frac{{\mathrm{\γ}}_0{(l-2x_0)}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}-\frac{(l-2x_0)}{2}\mathrm{tg\β}]$

然后将求出的输电导线应变增量Δξ₁与应变传感器所测得的输电导线应变增量Δξ进行比较，如果两者之差小于设定值ε₂，则计算过程结束，输出覆冰厚度b；反之，则按下述方法进行更新覆冰厚度b：如果Δξ₁大于Δξ则b减小k₁b，若Δξ₁小于Δξ，则b增加k₂b，其中，k₁、k₂是步长系数，然后返回步骤c；

(5)、根据获得输电线路覆冰厚度b，并考虑输电导线分裂数目的影响，计算出整条输电导线上的覆冰质量。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明通过测量得到输电导线的导线应变增量、导线温度t以及风速风向传感器测量输电导线所处环境下的风速v和风向θ，然后通过两重迭代，计算出输电导线覆冰厚度b，然后依据获得输电线路覆冰厚度b，并考虑输电导线分裂数目的影响，计算出整条输电导线上的覆冰质量。这种方法更加符合现场的实际情况，即应变传感器所测量的数据实际上为导线的应变变化量，而不是总的应变量。同时，这种方法所监测的数据为导线的应变变化，能够更直观地反映输电线路的安全状态。

附图说明

图1是本发明输电导线覆冰质量的测量方法所应用的输电线路示意图；

图2是本发明输电导线覆冰质量的测量方法的一种具体实施方式下的流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明输电导线覆冰质量的测量方法所应用的输电线路示意图

如图1所示，无风情况下，应变传感器、温度传感器位于输电导线的C处，其相对低点铁塔的水平坐标为x₀。

风速风向传感器位于低点铁塔，测量输电导线所处环境下的风速v和风向与输电导线无风情况下所在平面的夹角θ。

在风的吹动下，输电导线所在平面从垂直于地面变成与无风情况下所在平面成一定夹角，即风偏角η。

应变传感器测量输电导线获得导线应变增量，然后进行滤波，得到其中的导线应变稳态分量ξ；温度传感器测量输电导线获得导线温度t，然后，计算输电导线因温度改变而产生的应变增量Δξ_t＝a(t-t₀)，其中，α为温度膨胀系数，t₀为初始的输电线路温度；根据步骤(1)得到的导线应变稳态分量ξ，计算输电导线因覆冰和风载荷而产生的应变量Δξ＝ξ-Δξ_t；

另外，l为档距，β为高差角，h为高差，是输电线路的几何参数。在图1中，以低点铁塔作为原点，建立X、Y、Z三维坐标，以便理解各个参数的含义。

覆冰之后输电导线最低点为输电导线A点

实施例1

图2是本发明输电导线覆冰质量的测量方法的一种具体实施方式下的流程图

在本实施例中，如图2所示，在本实施例中，步骤(3)中所述的输电线路设计技术规范为国家电力公司华东电力设计院主编，《110-500kV架空送电线路设计技术规程》(DL/T 5092-1999)、中国建筑科学研究院，《建筑结构荷载规范》(GBJ9-1987)，1987。当然，在具体实施过程中，还可以选择其他的荷载计算手册，

在本实施例中，初始的输电线路温度t₀，为制造导线时的温度。

在本实施例中，步骤c3所述的设定差值ε₁为0.001m。

在本实施例中，步骤e所述的设定差值ε₂为0.0000001，k₁＝0.005，k₂＝0.01。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种输电导线覆冰质量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、应变传感器测量输电导线获得导线应变增量，然后进行滤波，得到其中的导线应变稳态分量ξ；

(2)、温度传感器测量输电导线获得导线温度t，然后，计算输电导线因温度改变而产生的应变增量Δξ_t＝a(t-t₀)，其中，α为温度膨胀系数，t₀为初始的输电线路温度；根据步骤(1)得到的导线应变稳态分量ξ，计算得到输电导线因覆冰和风载荷而产生的应变量Δξ＝ξ-Δξ_t；

(3)、风速风向传感器测量输电导线所处环境下的风速v和风向与输电导线无风情况下所在平面的夹角θ，然后根据输电线路设计技术规范中荷载计算手册，得到当地基准风压标准值W₀、风压不均匀系数a₁、导线体形系数μ_sc、风压高度变化系数μ_z、风向与导线轴向的夹角θ引起的风压随风向的变化系数μ_θ；

(4)、计算输电导线覆冰厚度：

a、初始赋值

令输电导线综合比载γ₁＝γ₀，覆冰的比载为γ₂＝0，水平面内风的比载为γ₃＝0，风偏平面内的输电导线最低点的应力σ₁＝σ₀，风偏角η＝0，输电导线覆冰厚度b＝0；其中，γ₀为输电导线的自重比载，σ₀为输电导线安装应变传感器时刻的最低点的水平应力；

b、根据线长公式、平均应力方程，计算出未覆冰状态下的输电导线线长L₁和平均应力σ_av1：

$L_1=\frac{l}{\cos \mathrm{\β}}+\frac{{{\mathrm{\γ}}_0}^2{l}^3}{24{{\mathrm{\σ}}_0}^2}\cos \mathrm{\β};$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{av}1}=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{2L_1}[l+\frac{{L_1}^2+h^2}{\sqrt{{L_1}^2-h^2}}\mathrm{ch}\frac{{\mathrm{\γ}}_{0}l}{2{\mathrm{\σ}}_0}]$

其中，l为档距，β为高差角，h为高差。

c、迭代计算覆冰厚度为b且无风情况下的输电导线最低点的水平应力σ_b0输电导线覆冰之后的比载为γ₄＝γ₀+γ₂，其中，γ₂＝0.027728b(D+b)/A，D为输电导线外径，A为输电导线横截面积；初次迭代设覆冰之后输电导线最低点的水平应力为σ_b0＝σ₀；

c1、将覆冰之后输电导线最低点的水平应力σ_b0，代入线长公式，求出覆冰后输电导线的线长L₂：

$L_2=\frac{l}{\cos \mathrm{\β}}+\frac{{{\mathrm{\γ}}_4}^2{l}^3}{24{{\mathrm{\σ}}_{b0}}^2}\cos \mathrm{\β}$

c2、将覆冰后输电导线的线长L₂代入导线的平均应力方程，求出输电导线平均应力σ_av2：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{av}2}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{b0}}{2L_2}[l+\frac{{L_2}^2+h^2}{\sqrt{{L_2}^2-h^2}}\mathrm{ch}\frac{{\mathrm{\γ}}_{4}l}{2{\mathrm{\σ}}_{b0}}]$

c3、将未覆冰状态下的线长L₁和平均应力σ_av1、覆冰后输电导线平均应力σ_av2代入架空线的基本状态方程，可求得新的线长L′₂：

$L_2^{\′}=\frac{L_1[1-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{av}1}}{E}-\mathrm{\α}(t_1-t_0)]}{1-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{av}2}}{E}-\mathrm{\α}(t-t_0)}$

其中，E为输电导线的弹性系数，t₁为输电导线安装应变传感器时刻的温度；

c4、比较步骤c3新求得的线长L′₂和步骤c2求得的覆冰后输电导线的线长L₂，如果两者之差大于设定差值ε₁，则：

将步骤c3新求得的线长L′₂代入线长公式，得到输电导线最低点的水平应力σ_b0：

${\mathrm{\σ}}_{b0}=\sqrt{\frac{{{\mathrm{\γ}}_4}^2{l}^3\cos \mathrm{\β}}{24(L_2^{\′}-\frac{l}{\cos \mathrm{\β}})}}$

将输电导线最低点的水平应力σ_b0代入步骤c1，重复步骤c1-c3，直到步骤c3新求得的线长L′₂和步骤c2求得的覆冰后输电导线的线长L₂两者之差小于等于设定差值ε₁，并输出覆冰之后输电导线最低点的水平应力σ_b0；

d、在风偏平面内，依次计算风荷载γ₃，综合比载γ₁，输电导线风偏角η，档距l′、高差h′、高差角β′、最低点的水平应力σ₀′，线长L₃，得到应变传感器所在位置x₀的应力σ′_x0：

γ₃＝W₀(D+2b)a₁μ_scμ_zμ_θ/A×10^-3

${\mathrm{\γ}}_1=\sqrt{{({\mathrm{\γ}}_0+{\mathrm{\γ}}_2)}^2+{{\mathrm{\γ}}_3}^2}$

$\mathrm{\η}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\γ}}_3}{{\mathrm{\γ}}_1}\right)$

$l^{\′}=l\×\sqrt{1+{(\tan \mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\η})}^2}$

h′＝hcosη

${{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}={\mathrm{\σ}}_{b0}\×\sqrt{1+{(\tan \mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\η})}^2}$

$\cos {\mathrm{\β}}^{\′}=\cos \mathrm{\β}\×\sqrt{1+{(\tan \mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\η})}^2}$

sinβ′＝sinβ×cosη

$L_3=\frac{l^{\′}}{\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}+\frac{{{\mathrm{\γ}}_1}^2{l}^{\′3}}{24{\mathrm{\σ}}_0^{\′2}}\cos {\mathrm{\β}}^{\′}$

${\mathrm{\σ}}_{x0}^{\′}=\frac{{{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}}{\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}+{\mathrm{\γ}}_1[\frac{{\mathrm{\γ}}_1{(l^{\′}-2x_0)}^2}{8{{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}-\frac{(l^{\′}-2x_0)}{2}\tan {\mathrm{\β}}^{\′}]$

其中，x₀是应变传感器相对铁塔的水平坐标；

e、利用应用以下方程，求出输电导线的应变增量Δξ₁：

$\mathrm{E\Δ}{\mathrm{\ξ}}_1=\frac{{{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}}{\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}+{\mathrm{\γ}}_1[\frac{{\mathrm{\γ}}_1{(l^{\′}-2x_0)}^2}{8{{\mathrm{\σ}}_0}^{\′}\cos {\mathrm{\β}}^{\′}}-\frac{(l^{\′}-2x_0)}{2}\tan {\mathrm{\β}}^{\′}]-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\cos \mathrm{\β}}-{\mathrm{\γ}}_0[\frac{{\mathrm{\γ}}_0{(l-2x_0)}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}-\frac{(l-2x_0)}{2}\mathrm{tg\β}]$

然后将求出的输电导线应变增量Δξ₁与应变传感器所测得的输电导线应变增量Δξ进行比较，如果两者之差小于设定值ε₂，则计算过程结束，输出覆冰厚度b；反之，则按下述方法进行更新覆冰厚度b：如果Δξ₁大于Δξ则b减小k₁b，若Δξ₁小于Δξ，则b增加k₂b，其中，k₁、k₂是步长系数，然后返回步骤c；

(5)、根据获得输电线路覆冰厚度b，并考虑输电导线分裂数目的影响，计算出整条输电导线上的覆冰质量。

2.根据权利要求1所述的输电导线覆冰质量的测量方法，其特征在于，步骤c3所述的设定差值ε₁为0.001m。

3.根据权利要求1所述的输电导线覆冰质量的测量方法，其特征在于，步骤e所述的设定差值ε₂为0.0000001，k₁＝0.005，k₂＝0.01。

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