CN102798367B - 输电线路导线覆冰厚度检测方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输电线路导线覆冰厚度检测方法、装置，计算出输电线路的导线上的实际覆冰厚度和导线张力变化情况，用户可根据计算结果提前采取除冰、融冰等措施。其技术方案为：方法包括：计算导线在初始状态下的初始导线倾角；用初始导线倾角对实测导线倾角进行修正；根据经过修正后的实测导线倾角计算导线总比载；根据步骤3的导线总比载计算导线覆冰总质量；结合导线覆冰总质量、导线自重，计算导线覆冰厚度。

Description

输电线路导线覆冰厚度检测方法、装置

技术领域

本发明涉及一种电网检测技术，尤其涉及高压输电线路上通过测量导线倾角变化量的方式计算导线覆冰厚度的方法和装置。

背景技术

在我国经济快速增长、能源日益紧张的今天，电网的安全性越来越受到重视，这其中高压输电线路的安全性也是不容忽视的重要环节。

导线覆冰严重威胁着我国输电线路安全运行，特别是大山，丘陵地区，巡线困难。在长时间的雨雪冰冻气候下，需要一种措施来实时反映各线路的实际覆冰情况，以利于提前安排各种防护措施。

2008年1月中旬至2008年2月上旬，历史上罕见的长时间大范围雨雪冰冻天气几度降临我国南方地区，输电线路覆冰覆雪严重，先后发生倒塔、断线等重大灾情，给电力安全生产和电力有序供应造成极大的影响。

在对输电线路导线覆冰投入研究的过程中，一些研究机构陆续研制出了用于导线覆冰监测的在线监测装置，但真正能用于实际应用的模型并不多。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种输电线路导线覆冰厚度检测方法，计算出输电线路的导线上的实际覆冰厚度和导线张力变化情况，用户可根据计算结果提前采取除冰、融冰等措施。

本发明的另一目的在于提供了一种输电线路导线覆冰厚度检测装置。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种输电线路导线覆冰厚度检测方法，包括：

步骤1：计算导线在初始状态下的初始导线倾角；

步骤2：用步骤1的初始导线倾角对实测导线倾角进行修正；

步骤3：根据经过步骤2修正后的实测导线倾角计算导线总比载；

步骤4：根据步骤3的导线总比载计算导线覆冰总质量；

步骤5：结合步骤4的导线覆冰总质量、导线自重，计算导线覆冰厚度。

根据本发明的输电线路导线覆冰厚度检测方法的一实施例，所述导线倾角是指在输电线路任一档内，导线悬挂点处导线切线方向与水平方向的夹角。

根据本发明的输电线路导线覆冰厚度检测方法的一实施例，所述初始状态所含的因素包括气候、地理环境。

根据本发明的输电线路导线覆冰厚度检测方法的一实施例，所述导线总比载是指导线上所承受的荷载。

本发明还揭示了一种输电线路导线覆冰厚度检测装置，包括初始导线倾角计算模块、实测导线倾角修正模块、导线总比载计算模块、导线覆冰总质量计算模块、导线覆冰厚度计算模块，其中：

所述初始导线倾角计算模块，计算导线在初始状态下的初始导线倾角；

所述实测导线倾角修正模块，连接所述初始导线倾角计算模块，用初始导线倾角对实测导线倾角进行修正；

所述导线总比载计算模块，连接所述实测导线倾角修正模块，根据修正后的实测导线倾角计算导线总比载；

所述导线覆冰总质量计算模块，连接所述导线总比载计算模块，根据导线总比载计算导线覆冰总质量；

所述导线覆冰厚度计算模块，连接所述导线覆冰总质量计算模块，结合导线覆冰总质量、导线自重，计算导线覆冰厚度。

根据本发明的输电线路导线覆冰厚度检测装置的一实施例，所述导线倾角是指在输电线路任一档内，导线悬挂点处导线切线方向与水平方向的夹角。

根据本发明的输电线路导线覆冰厚度检测装置的一实施例，所述初始状态所含的因素包括气候、地理环境。

根据本发明的输电线路导线覆冰厚度检测装置的一实施例，所述导线总比载是指导线上所承受的荷载。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的方案是在输电线路上的一些危险点安装导线倾角监测装置，实时监测导线倾角的变化量，然后此模型计算导线实际的覆冰厚度和导线张力变化情况，用户可以根据计算结果提前采取除冰、融冰等措施。

附图说明

图1示例性的示出了本发明的输电线路导线覆冰厚度检测方法的实施例的流程图。

图2示例性的示出了本发明的输电线路导线覆冰厚度检测装置的实施例的结构图。

图3示出了本发明的输电线路导线覆冰厚度检测装置的应用场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

输电线路导线覆冰厚度检测方法的实施例

图1示出了本发明的输电线路导线覆冰厚度检测方法的实施例的详细步骤。请参见图1，本实施例的输电线路导线覆冰厚度检测方法详述如下。

步骤S10：计算导线在初始状态下的初始导线倾角。

导线倾角是指在输电线路任一档内，导线悬挂点处导线切线方向与水平方向的夹角。

输电线路设计初状态是指输电线路在架设时，电力设计院会根据线路所在地区的气候、地理环境等因素，规定放线时让导线保持合适的驰度。指导工人放线的标准参量有环境温度、导线应力、导线弧垂。即工人可根据架设时的环境温度，选择合适的弧垂进行放线。把用于指导工人放线时的多组参数(每组均包含环境温度、导线应力、导线弧垂)称为设计初状态。该设计初状态可由线路所在工区或线路设计单位查得。

任取一组导线初状态数值(主要是环境温度、导线水平应力)，计算在该初状态下的导线初始倾角，计算方式通过以下例子说明：

假设一孤立档档距为800米，一侧悬挂点(命名为A点)高度海拔高240米，另一侧悬挂点(命名为B点)海拔高250米，导线型号LGJ_630/45，一组设计初状态为：环境温度为15℃，导线水平应力为54N/mm²。

在输电线路中，导线是以杆塔为支持物而悬起来的，对于悬挂在两固定点A、B的一根柔软的(指不承受弯曲应力)且荷载沿线长均匀分布的绳索，所形成的形状为“悬链线”。因此，在忽略导线材料的刚性影响后，可以选用以下悬链线方程来进行导线比载的研究，悬链线形态如下：

悬链线方程有很多组，这里选用以下两组。

式中l_OA——导线悬挂点A点到导线最低点的水平距离，单位为米；

l——档距(两悬挂点之间的水平距离)，单位为米；

θ_A——导线悬挂点A处的导线倾角，单位为度；

h——高差(两悬挂点之间的垂直距离)，单位为米；

联立方程式-1，2，在两方程中：

σ_总＝54N/mm²；(初状态水平应力值)

h＝250米-240米＝10米

l＝800米

γ_总＝(2.06*9.80665)/666.55＝0..3.3N/m·mm²

其中，2.06为该型号导线单位长度上质量(导线基本属性，可查)，9.80665为重力加速度，666.55mm²为该型号导线截面积(导线基本属性，可查)。

将以上数值代入方程1，2，可求得：

θ_A＝12.0627°

步骤S12：用步骤S10的初始导线倾角对实测导线倾角进行修正。

之所以要对导线初始倾角进行修正，主要是该计算模型中对导线倾角的准确性要求非常高，要求测量倾角与实际倾角误差在0.05度范围内，但实际中，由于安装、设计等原因，误差范围不可能达到如此搞的要求。但装置安装完成后，测得倾角的变化量是准确的，即如果装置测得导线的测量值变化了0.01度，那么导线的实际倾角也一定变化了0.01度。

因此只需要在装置一段时间的导线倾角测量值中，取与第(1)步计算中同等环境温度下的导线倾角测量值，并与第一步中的导线倾角计算中进行比较、修正。比如装置在环境温度为15度时，测得导线倾斜值为13.50度，那么修正值为：

△θ＝12.0627度(第一步计算所得)－13.50度＝－1.4373度

在实际应用中，对导线倾角的测量值加上以上修正值后，再代入模型计算。

步骤S14：根据经过步骤S12修正后的实测导线倾角计算导线总比载。

导线所受单位荷载是指导线单位长度(每米)上受到的外部综合作用力称为单位荷载(N/m)，一般由导线自身质量与覆冰所受重力及风形成的作用力共同构成。单位长度的导线质量所受到的重力称为导线自重荷载，计算公式mg(m:导线单位长度上的质量，此参量为导线基本属性之一，广泛见于各设计手册或导线说明书；g：重力加速度，约取9.8)。导线单位长度上覆冰质量受到的重力，称为导线冰荷载，计算公式类似于导线自重荷载计算方式。导线比载是指导线单位长度截面上的荷载，单位为N/m·mm²。

假设实际测得导线温度为－1度时，导线已经覆冰，此时导线倾角测量值为13.6373度，按照第(2)步进行修正后，得到修正后导线倾角值12.20度。

联立第一步中的两个悬链线方程式，如下：

(式中参数含义见步骤S10，这里不再赘述)

分析：式中

θ_A＝12.20°

h＝250米-240米＝10米

l＝800米

σ_总为覆冰后导线受到的水平应力，为待求量；

γ_总为覆冰后导线总比载，为待求量；

l_OA为中间状态量，也未知，2个方程不能解出3个未知量。因此至少还需要联立一个方程式才可以求解，这里我们选用悬挂点不等高的电线状态方程：

选用悬挂点不等高的电线状态方程主要针对导线变化前与变化后的两种状态建立方程，式中左边为某一条件下的已知状态(这里选择设计初状态)，其中：

σ₀――已知状态下导线最低点的水平应力，可采用该线路的设计值，N/mm²；这里取设计初状态中的54N/mm²

t₀――已知状态下导线的导线温度，可采用该线路的设计值，℃；这里取设计初状态中的15℃

γ₀――为已知状态下导线比载，初状态下导线未覆冰，即为导线自重比载，计算方式同步骤1：(2.06*9.80665)/666.55＝0.0303N/m·mm²

α――导线的温度伸长系数，1/℃；可查得该型号导线的该参数值为2.09*10-⁵1/℃

E――导线的弹性系数，N/mm²；可查得该型号导线的该参数值为63000N/mm²

式中右边为条件发生改变时的另一状态，其中：

β――该档距内高差角，°(度)；其值可根据三角函数求得，为：

t――为实际状态下的导线温度值，为-1℃

联立以上方程(1)，(2)，(3)，可求解得到γ_总，如下：

γ_总＝0.04843N/m·mm²

步骤S16：根据步骤S14的导线总比载计算导线覆冰总质量。

把导线单位长度单位面积上所承受的荷载称为导线比载，因此在覆冰后，导线总比载可以分别表示为：

式中g――重力加速度常数，约取9.8

γ_总――导线覆冰后的总比载，在步骤3中求得0.04843N/m·mm²；

S――导线截面积，该型号导线截面积为666.55mm²；

代入方程式(4)，求得：

p₃＝3.2940kg/m；(导线每米覆冰后的总质量，kg/m)

步骤S18：结合步骤S16的导线覆冰总质量、导线自重，计算导线覆冰厚度。

导线覆冰厚度是指覆冰成空心圆柱形的厚度，然而实际的覆冰断面可能是各种不规则形状，计算中可将导线近视认为均匀覆冰，并将导线上任意一单位长度作为研究对象。

其中，2.06为该型号导线单位长度上质量(导线基本属性，可查)，9.80665为重力加速度，666.55为该型号导线截面积(导线基本属性，可查)。

将以上数值代入方程1，2，可求得：

设导线覆冰后单位长度上冰与导线的总质量p₃，可用以下公式来计算出覆冰厚度δ：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\left(\frac{d}{2}\right)+\frac{(p_3-p_1)}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_i}*{10}^6}-\frac{d}{2}$     (式-5)

式中p₃――导线每米覆冰后的总质量，kg/m；在步骤4中计算为3.294kg/m

p₃――无冰时导线每米自重，kg/m；可查得该型号导线每米自重为2.06kg/m

ρ_i――覆冰密度，计算时折算成标冰密度900kg/m³；

d――无冰时导线外径，mm；可查得该型号导线外径为33.60mm

δ――导线覆冰厚度，mm；

将数值代入方程式(5)，可计算得到导线覆冰厚度：

δ＝9.995mm

注：以上式中，p₃-p₁反映的就是导线单位长度上的覆冰质量。

输电线路导线覆冰厚度检测装置的实施例

图2示出了本发明的输电线路导线覆冰厚度检测装置的实施例的结构。请参见图2，本实施例的装置包括如下的模块：初始导线倾角计算模块10、实测导线倾角修正模块12、导线总比载计算模块14、导线覆冰总质量计算模块16、导线覆冰厚度计算模块18。

这些模块之间的连接关系是：初始导线倾角计算模块10、实测导线倾角修正模块12、导线总比载计算模块14、导线覆冰总质量计算模块16、导线覆冰厚度计算模块18是依序连接的关系。

初始导线倾角计算模块10计算导线在初始状态下的初始导线倾角。

导线倾角是指在输电线路任一档内，导线悬挂点处导线切线方向与水平方向的夹角。

输电线路设计初状态是指输电线路在架设时，电力设计院会根据线路所在地区的气候、地理环境等因素，规定放线时让导线保持合适的驰度。指导工人放线的标准参量有环境温度、导线应力、导线弧垂。即工人可根据架设时的环境温度，选择合适的弧垂进行放线。把用于指导工人放线时的多组参数(每组均包含环境温度、导线应力、导线弧垂)称为设计初状态。该设计初状态可由线路所在工区或线路设计单位查得。

任取一组导线初状态数值(主要是环境温度、导线水平应力)，计算在该初状态下的导线初始倾角，计算方式通过以下例子说明：

假设一孤立档档距为800米，一侧悬挂点(命名为A点)高度海拔高240米，另一侧悬挂点(命名为B点)海拔高250米，导线型号LGJ_630/45，一组设计初状态为：环境温度为15℃，导线水平应力为54N/mm²。

在输电线路中，导线是以杆塔为支持物而悬起来的，对于悬挂在两固定点A、B的一根柔软的(指不承受弯曲应力)且荷载沿线长均匀分布的绳索，所形成的形状为“悬链线”。因此，在忽略导线材料的刚性影响后，可以选用以下悬链线方程来进行导线比载的研究，悬链线形态如下：

悬链线方程有很多组，这里选用以下两组。

式中l_OA——导线悬挂点A点到导线最低点的水平距离，单位为米；

l——档距(两悬挂点之间的水平距离)，单位为米；

θ_A——导线悬挂点A处的导线倾角，单位为度；

h——高差(两悬挂点之间的垂直距离)，单位为米；

联立方程式-1，2，在两方程中：

σ_总＝54N/mm²；(初状态水平应力值)

h＝250米-240米＝10米

l＝800米

γ_总＝(2.06*9.80665)/666.55＝0.0303N/m·mm²

其中，2.06为该型号导线单位长度上质量(导线基本属性，可查)，9.80665为重力加速度，666.55mm²为该型号导线截面积(导线基本属性，可查)。

将以上数值代入方程1，2，可求得：

θ_A＝12.0627°

实测导线倾角修正模块12用初始导线倾角对实测导线倾角进行修正。

之所以要对导线初始倾角进行修正，主要是该计算模型中对导线倾角的准确性要求非常高，要求测量倾角与实际倾角误差在0.05度范围内，但实际中，由于安装、设计等原因，误差范围不可能达到如此搞的要求。但装置安装完成后，测得倾角的变化量是准确的，即如果装置测得导线的测量值变化了0.01度，那么导线的实际倾角也一定变化了0.01度。

因此只需要在装置一段时间的导线倾角测量值中，取与第(1)步计算中同等环境温度下的导线倾角测量值，并与第一步中的导线倾角计算中进行比较、修正。比如装置在环境温度为15度时，测得导线倾斜值为13.50度，那么修正值为：

△θ＝12.0627度(第一步计算所得)－13.50度＝－1.4373度

在实际应用中，对导线倾角的测量值加上以上修正值后，再代入模型计算。

导线总比载计算模块14根据修正后的实测导线倾角计算导线总比载。

导线所受单位荷载是指导线单位长度(每米)上受到的外部综合作用力称为单位荷载(N/m)，一般由导线自身质量与覆冰所受重力及风形成的作用力共同构成。单位长度的导线质量所受到的重力称为导线自重荷载，计算公式mg(m:导线单位长度上的质量，此参量为导线基本属性之一，广泛见于各设计手册或导线说明书；g：重力加速度，约取9.8)。导线单位长度上覆冰质量受到的重力，称为导线冰荷载，计算公式类似于导线自重荷载计算方式。导线比载是指导线单位长度截面上的荷载，单位为N/m·mm²。

假设实际测得导线温度为－1度时，导线已经覆冰，此时导线倾角测量值为13.6373度，按照第(2)步进行修正后，得到修正后导线倾角值12.20度。

联立第一步中的两个悬链线方程式，如下：

(式中参数含义见初始导线倾角计算模块10，这里不再赘述)

分析：式中

θ_A＝12.20°

h＝250米-240米＝10米

l＝800米

σ_总为覆冰后导线受到的水平应力，为待求量；

γ_总为覆冰后导线总比载，为待求量；

l_OA为中间状态量，也未知，2个方程不能解出3个未知量。因此至少还需要联立一个方程式才可以求解，这里我们选用悬挂点不等高的电线状态方程：

选用悬挂点不等高的电线状态方程主要针对导线变化前与变化后的两种状态建立方程，式中左边为某一条件下的已知状态(这里选择设计初状态)，其中：

σ₀――已知状态下导线最低点的水平应力，可采用该线路的设计值，N/mm²；这里取设计初状态中的54N/mm²

t₀――已知状态下导线的导线温度，可采用该线路的设计值，℃；这里取设计初状态中的15℃

γ₀――为已知状态下导线比载，初状态下导线未覆冰，即为导线自重比载，计算方式同步骤1：(2.06*9.80665)/666.55＝0.0303N/m·mm²

α――导线的温度伸长系数，1/℃；可查得该型号导线的该参数值为2.09*10^-51/℃

E――导线的弹性系数，N/mm²；可查得该型号导线的该参数值为63000N/mm²

式中右边为条件发生改变时的另一状态，其中：

β――该档距内高差角，°(度)；其值可根据三角函数求得，为：

t――为实际状态下的导线温度值，为-1℃

联立以上方程(1)，(2)，(3)，可求解得到γ_总，如下：

γ_总＝0.04843N/m·mm²

导线覆冰总质量计算模块16根据导线总比载计算导线覆冰总质量。

把导线单位长度单位面积上所承受的荷载称为导线比载，因此在覆冰后，导线总比载可以分别表示为：

式中g――重力加速度常数，约取9.8

γ_总――导线覆冰后的总比载，在步骤3中求得0.04843N/m·mm²；

S――导线截面积，该型号导线截面积为666.55mm²；

代入方程式(4)，求得：

p₃＝3.2940kg/m；(导线每米覆冰后的总质量，kg/m)

导线覆冰厚度计算模块18结合导线覆冰总质量、导线自重，计算导线覆冰厚度。

导线覆冰厚度是指覆冰成空心圆柱形的厚度，然而实际的覆冰断面可能是各种不规则形状，计算中可将导线近视认为均匀覆冰，并将导线上任意一单位长度作为研究对象。

其中，2.06为该型号导线单位长度上质量(导线基本属性，可查)，9.80665为重力加速度，666.55为该型号导线截面积(导线基本属性，可查)。

将以上数值代入方程1，2，可求得：

设导线覆冰后单位长度上冰与导线的总质量p₃，可用以下公式来计算出覆冰厚度δ：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\left(\frac{d}{2}\right)+\frac{(p_3-p_1)}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_i}*{10}^6}-\frac{d}{2}$     (式-5)

式中p₃――导线每米覆冰后的总质量，kg/m；在步骤4中计算为3.294kg/m

p₁――无冰时导线每米自重，kg/m；可查得该型号导线每米自重为2.06kg/m

ρ_i――覆冰密度，计算时折算成标冰密度900kg/m³；

d――无冰时导线外径，mm；可查得该型号导线外径为33.60mm

δ――导线覆冰厚度，mm；

将数值代入方程式(5)，可计算得到导线覆冰厚度：

δ＝9.995mm

注：以上式中，p₃-p₁反映的就是导线单位长度上的覆冰质量。

如图3所示，在线路现场安装微型气象站与导线倾角监测装置，分别进行环境温度与导线倾角数据的采集，然后通过有线或者无线的方式传送到用户数据中心，经过本模型的计算后，向用户提供导线覆冰厚度等数值。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现和使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的发明范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书所提到的创新性特征的最大范围。

Claims (4)

1.一种输电线路导线覆冰厚度检测方法，包括：

步骤1：基于悬链线方程计算导线在初始状态下的初始导线倾角，其中导线倾角是指在输电线路任一档内，导线悬挂点处导线切线方向与水平方向的夹角；

步骤2：用步骤1的初始导线倾角对实测导线倾角进行修正；

步骤3：根据经过步骤2修正后的实测导线倾角，基于悬链线方程和悬挂点不等高的电线状态方程计算导线总比载，所述导线总比载是指导线上所承受的荷载；

步骤4：根据步骤3的导线总比载计算导线覆冰总质量；

步骤5：结合步骤4的导线覆冰总质量、导线自重，计算导线覆冰厚度；

悬挂点不等高的电线状态方程为：

其中σ₀为已知状态下导线最低点的水平应力，t₀为已知状态下导线的导线温度，γ₀为已知状态下导线比载，α为导线的温度伸长系数，E为导线的弹性系数，β为档距内高差角，t为实际状态下的导线温度值，l为档距，γ_总为导线总比载，σ_总为导线受到的水平应力。

2.根据权利要求1所述的输电线路导线覆冰厚度检测方法，其特征在于，所述初始状态所含的因素包括气候、地理环境。

3.一种输电线路导线覆冰厚度检测装置，包括初始导线倾角计算模块、实测导线倾角修正模块、导线总比载计算模块、导线覆冰总质量计算模块、导线覆冰厚度计算模块，其中：

所述初始导线倾角计算模块，基于悬链线方程计算导线在初始状态下的初始导线倾角，其中导线倾角是指在输电线路任一档内，导线悬挂点处导线切线方向与水平方向的夹角；

所述实测导线倾角修正模块，连接所述初始导线倾角计算模块，用初始导线倾角对实测导线倾角进行修正；

所述导线总比载计算模块，连接所述实测导线倾角修正模块，根据修正后的实测导线倾角，基于悬链线方程和悬挂点不等高的电线状态方程计算导线总比载，所述导线总比载是指导线上所承受的荷载；

所述导线覆冰总质量计算模块，连接所述导线总比载计算模块，根据导线总比载计算导线覆冰总质量；

所述导线覆冰厚度计算模块，连接所述导线覆冰总质量计算模块，结合导线覆冰总质量、导线自重，计算导线覆冰厚度；

悬挂点不等高的电线状态方程为：

其中σ₀为已知状态下导线最低点的水平应力，t₀为已知状态下导线的导线温度，γ₀为已知状态下导线比载，α为导线的温度伸长系数，E为导线的弹性系数，β为档距内高差角，t为实际状态下的导线温度值，l为档距，γ_总为导线总比载，σ_总为导线受到的水平应力。

4.根据权利要求3所述的输电线路导线覆冰厚度检测装置，其特征在于，所述初始状态所含的因素包括气候、地理环境。