CN102042885B - 一种输电线路塔线体系状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路塔线体系状态监测装置，充分利用光纤传感器耐腐蚀、工作温度范围大、抗电磁干扰、无源、测量距离长、工作可靠、寿命长等优点，将光纤传感器以准分布式结构配置在输电导线和塔杆上，用于检测输电导线温度、应变、加速度以及杆塔上的多点应力变化并传输到光调制解调仪解调后，送入计算机分析处理系统进行计算，得到输电导线覆冰质量、舞动幅度、微风振动幅度和频率、弧垂以及塔杆倾斜角度，从而实现对输电线路覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及杆塔倾斜状态的同时监测，并能够满足现场恶劣环境条件、长时间可靠地工作。

Description

一种输电线路塔线体系状态监测装置

技术领域

本发明属于输电线路塔线体系状态监测技术领域，更为具体地讲，涉及一种对输电线路覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及杆塔倾斜状态进行监测的装置。

背景技术

输电导线覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及杆塔倾斜状态(以下统称塔线体系状态)有可能导致输电线路相间闪络、损坏导地线、跳闸停电甚至断线倒塔，从而造成巨大的经济损失和严重的社会影响。

输电导线覆冰可能导致输电线路过负载事故、不均匀覆冰或不同期脱冰事故以及覆冰导线舞动，从而导致金具损坏、导线断股、杆塔损折、绝缘子串翻转、撞裂等机械事故；也可能使弧垂增大，造成闪络和烧伤、烧断导线的电气事故。输电导线舞动轻则造成相间闪络、损坏地线和导线、金具及部件，重则线路跳闸停电、断线倒塔。输电导线疲劳断股有可能导致断线，而微风振动是造成这一事故的主要原因。输电导线弧垂事关线路运行安全，过大的弧垂不但会造成事故隐患，而且也将限制线路的输送能力。在输电线路动态增容中，线路弧垂是一个重要的监测指标。此外，在煤矿采空区、地震带、以及山区等地质灾害频发的区域，输电线路容易发生杆塔倾斜的事故，这也将严重威胁输电线路的安全。由此可见，研究输电线路塔线体系状态监测技术对于输电线路的安全运行具有极其重要的意义。

以2008年1-2月我国南方大范围冰雪灾害为例。据统计，2008年1-2月，全国电网因冰灾停运线路36740条，停运变电站2018座，563236基杆塔倒塌损坏，断线353731处。500kV变电站停运12座；500kV输电线路停运107条、受损80条，倒塔957基，局部受损189基。葛南直流线路、江兴线、兴咸线长江大跨越因覆冰发生导线舞动。云南220kV大盐线被覆冰脱冰舞动巨大拉力拉断，江西500千伏南乐II回线因舞动导致11铁塔处左相绝缘子串底部瓷瓶钢脚球头断裂，最终使得南昌500千伏变电站事故报警，南乐II回断路器三相跳闸，江西500kV电网基本瘫痪。湖南、贵州、浙江电网出现了大范围的冰闪跳闸和断线倒塔，造成大面积停电和部分电网解列运行。总的来说，这次冰灾持续时间长，影响范围广，危害程度深，仅国家电网公司的直接经济损失就达到了104.5亿元。在国际上，由于特殊的地理条件，俄罗斯、美国、加拿大、日本、英国、芬兰、冰岛等数十个国家均存在输电线路覆冰或舞动事故，导致重大电网事故，造成了巨大的经济损失。如1998年1月5日至9日，加拿大魁北克西南部电网遭受了严重的冰暴袭击，发生了该地区历史上最严重的冰灾，共有3200公里的输电线路处于暴风雪气候条件下，其中900公里线路发生破坏。这场冰暴使得10条735kV线路发生倒塔150基，各电压等级线路倒塔(杆)累计1000多基，约450万的人口电力供应中断，受灾人数超过加拿大人口总数的16％，事故造成直接经济损失达54亿多美元。因此，研究输电线路塔线状态监测技术具有显著的经济价值和社会意义。

传统的输电导线覆冰的监测主要有人工巡视检测、观冰站、模拟覆冰导线等，这些方法存在着劳动强度大、投资高，检测结果和实际出入大等问题。现在国内外现有技术主要分为3种。一种是对倾角-弧垂进行实时测量，然后反推线路覆冰程度；另一种是通过视频图像来实现；第三种则是测量绝缘子串应力变化的称重法。

在输电导线舞动监测技术领域，早期是依靠人工手持秒表或手表进行肉眼观察。后期发展到用摄像机拍摄图像，然后人工进行分析，从而得到导线舞动的幅值和频率等信息。显然，这两种方法均存在耗时费力不精确的缺点，在恶劣气象条件下也难以实施。近两年来，国内学者提出了基于先进微加速度传感器方法或者将摄像机拍摄图像的方法与多种力学、气象传感器结合在一起成为监测分机并安装在杆塔上的导线舞动监测系统。

至于输电导线微风振动，有人利用加拿大ROCTEST公司生产的微风振动检测仪连续记录(比如18天)导线与线夹最后接触点外约89mm处导线相对于线夹的弯曲振幅值(峰峰值)及振动频率，然后取下该仪器，利用专门的计算机软件对测量数据进行分析，得到导线振动的频率、强度以及振动的时间等运行数据，从而确定了输电导线微风振动的特征。还有人利用光纤传感器测量沿输电导线的应力分布，然后分析风速与振动频率之间的关系，从而实现了微风振动的在线实时监测。

至于输电导线的弧垂，目前国内外已开发生产的测量装置为通过导线应力、角度、倾角或图像分辨来实时测量弧垂。

至于杆塔倾斜，有人通过在杆塔顶部安装倾角传感器测量塔顶的角位移，然后利用GPRS将测量的倾角数据发回控制中心来监测，也有人通过在塔身上安装光纤应变传感器，通过测量杆塔的变形来监测倾斜。

总的来说，现有输电线路塔线状态监测相关技术的特点表现在下面四个方面：

1)每种监测装置监测功能单一。一个监测对象对应一个监测装置。覆冰监测装置只能监测覆冰，舞动监测装置只能用于监测舞动。

2)在通信手段方面，现有技术采用了基于GPRS/GSM/CDMA/3G等通信网络。但在某些情况下，输电走廊会经过地质、气象条件比较恶劣的区域，甚至无人区。这些地区通信的基础设施落后，在发生冰雪灾害的时候通信基站的供电本身就可能存在问题。

3)监测装置的供电和设备的可靠性问题。监测装置位于输电线路杆塔上，长时间工作在恶劣环境中，同时不仅要采集信号，还需要利用无线通信的方式将数据发送到控制中心。虽然某些监测方案中提出了采用太阳能板+免维护蓄电池的供电方式，这种方式的优点在于利用了太阳能，但是阴雨季节一般只能提供10天的电能。特别是在某些地方，由于冬季持续大雾和低温，现有的供电方式甚至只能工作5天。此外，由于输电线路周围强电磁干扰，也对这些基于电测量原理的装置屏蔽设计提出了考验。

4)用上述技术构建的监测系统存在成本较高的缺点，这为大规模推广应用制造了障碍。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种能够满足现场恶劣环境条件、长时间可靠工作的、可对输电线路覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及杆塔倾斜状态同时进行监测的输电线路塔线体系状态监测装置

为实现上述发明目的，本发明的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，包括：

一个或多个测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对，光纤应变、温度传感器对中光纤温度传感器布置在光纤应变传感器的附近，光纤应变、温度传感器对安装在输电导线上，用于测量安装处输电导线的应力和温度；

一小型气象站，安装在杆塔上，用于测量杆塔及附近的风速风向；

一个或多个测量弧垂的光纤应变、温度传感器对，安装在输电导线上，用于测量安装处输电导线的应力和温度；

一个或多个测量舞动的光纤加速度传感器，安装在输电导线上，用于测量安装处输电导线的加速度；

一个或多个测量微风振动的光纤加速度传感器，安装在输电导线与线夹最后接触点外约89mm处，用于测量该处输电导线的加速度；

多个测量杆塔倾斜的光纤应变传感器，分别安装在杆塔的不同位置，用于测量杆塔上多点的应力变化；

一光缆，与各光纤传感器以及小型气象站连接，将不同位置的各光纤传感器检测的输电导线温度、应变、加速度、杆塔上的多点应力变化以及小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传输到光调制解调仪；

一光调制解调仪，用于通过光缆向各光纤传感器提供检测光源，并对反射回来的光信号进行处理，从而得到不同位置的各光纤传感器检测的输电导线温度、应变、加速度、杆塔上的多点应力变化，并连同接收到的小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传送给计算机分析处理系统；

一计算机分析处理系统，用于根据测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线温度、应变以及小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向，计算出输电导线覆冰的质量；根据测量弧垂的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线应力和温度计算出输电导线的最大弧垂；根据测量舞动的光纤加速度传感器检测得到的输电导线的加速度，计算得到输电导线舞动的幅值和频率；根据测量微风振动的光纤加速度传感器检测得到的加速度值计算得到输电导线相对于线夹的弯曲振幅值及振动频率；根据杆塔上的多点应力变化，计算得到杆塔倾斜角度。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明充分利用光纤传感器耐腐蚀、工作温度范围大、抗电磁干扰、无源、测量距离长、工作可靠、寿命长等优点，将光纤传感器以准分布式结构配置在输电导线和塔杆上，用于检测输电导线温度、应变、加速度以及杆塔上的多点应力变化并传输到光调制解调仪解调后，送入计算机分析处理系统进行计算，得到输电导线覆冰质量、舞动幅度、微风振动幅度和频率、弧垂以及塔杆倾斜角度，从而实现对输电线路覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及杆塔倾斜状态的同时监测，并能够满足现场恶劣环境条件、长时间可靠地工作。

附图说明

图1是本发明输电线路塔线体系状态监测装置一种具体实施方式结构示意图；

图2是计算输电导线覆冰质量的示意图；

图3是计算输电导线最大弧垂的示意图；

图4是本发明输电线路塔线体系状态监测装置一种具体实施方式下的监测流程图。

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是本发明输电线路塔线体系状态监测装置一种具体实施方式结构示意图。

1、输电导线覆冰质量的监测

如图1所示，在本实施例中，输电线路塔线体系状态监测装置在一个档距内包括有两个测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对1，光纤应变、温度传感器对1中光纤温度传感器布置在光纤应变传感器的附近，在图中用一个图标和附图标记表示。光纤应变、温度传感器1对安装在输电导线上，用于测量安装处输电导线的应力和温度；

小型气象站2，安装在杆塔上，用于测量杆塔及附近的风速风向；

光缆3将温度传感器对1及小型气象站2连接，将光纤应变、温度传感器1对检测得到的输电导线温度、应变以及小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传输到光调制解调仪4；

光调制解调仪4通过光缆3向光纤应变、温度传感器1提供检测光源，并对反射回来的光信号进行处理，从而得到光纤应变、温度传感器1检测的输电导线温度、应变，并连同接收到的小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传送给计算机分析处理系统5；

计算机分析处理系统5用于根据测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器1对检测得到的输电导线温度、应变以及小型气象站2检测的杆塔及附近的风速风向，计算出输电导线覆冰的质量。

图2是计算输电导线覆冰质量的示意图，为了方便描述和阅读，图中省略了其他传感器、光缆以及光调制解调仪、计算机分析处理系统并只给出了一个光纤应变、温度传感器1。如果安装多个光纤应变、温度传感器1，则可分别计算，然后，求平均得到输电导线覆冰质量。在本实施中，输电导线覆冰质量的计算为：

(1)、根据光纤应变、温度传感器1对检测得到的输电导线应变，获得输电导线应变增量，然后进行滤波，得到其中的输电导线应变稳态分量ξ；

(2)、根据光纤应变、温度传感器1对检测得到的输电导线温度t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)、小型气象站2检测的杆塔及附近的风速v和风向，风向为风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、风与输电导线无风情况下所在平面的夹角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为输电导线安装光纤应变、温度传感器对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为输电导线安装光纤应变、温度传感器对时刻的温度；

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σ₀′，线长L₃，得到光纤应变、温度传感器对所在位置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是光纤应变、温度传感器对相对杆塔的水平坐标；

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与光纤应变、温度传感器对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、输电导线弧垂的监测

如图1所示，在本实施例中，输电线路塔线体系状态监测装置在一个档距内安装了一个测量弧垂的光纤应变、温度传感器对6，安装在输电导线上，用于测量安装处输电导线的应力。然后根据测量弧垂的光纤应变、温度传感器对6检测得到的输电导线应力计算出输电导线的最大弧垂。图3是计算输电导线最大弧垂的示意图，为了方便描述和阅读，图中省略了其他传感器、光缆以及光调制解调仪、计算机分析处理系统并只给出了一个光纤应变、温度传感器对6。如果安装光纤应变、温度传感器对6，则可分别计算，然后，求平均得到输电导线最大弧垂。需要说明的是光纤应变、温度传感器对6与光纤应变、温度传感器对1可以共用。

在本实施中，计算输电导线的最大弧垂的方法为：

1)输电导线上存在覆冰，并假设是均匀覆冰

在这种情况下，最大弧垂f_max和档距l，高差角β，输电线路比载(含覆冰)γ、输电线路覆冰后最低点的水平应力σ有关，γ、σ可根据光纤应变、温度传感器对6测得的应力变量计算得出，其计算方法与输电导线覆冰质量的监测中的输电线路比载γ₄、输电线路覆冰后最低点的水平应力σ_b0相同。最大弧垂计算公式为：

$f_{\max }=\frac{{\mathrm{rl}}^2}{8\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\β}}$

2)输电导线上不存在覆冰

在这种情况下，弧垂变化是由温度变化引起的。而且，温度变化不仅引起导线膨胀或收缩(忽略由此引起的自重比载γ₀的变化)，而且导线的这种变形进一步引起导线最低点水平应力变化，从而造成线路的弧垂进一步改变。这时候的计算步骤如下：

(1)、测量弧垂的光纤应变、温度传感器对6测量输电导线获得导线应力变增量，然后进行滤波，得到其中的导线应变稳态分量ξ；

(2)、光纤应变、温度传感器对6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水平应力变化的原因而产生的应变量Δξ＝ξ-Δξ_t；

(3)根据被测的线路应变改变量Δξ，利用下边的式子计算线路最低点的水平应力σ_b0。

$-\mathrm{E\Δ\ξ}=\sqrt{1+{\left(\frac{h}{l}\right)}^2}[({\mathrm{\σ}}_{b0}-{\mathrm{\σ}}_0)+\frac{r^2{(l-2x)}^2}{8}(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{b0}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_0})]$

其中，l为档距，σ₀为输电导线安装光纤应变、温度传感器对6时刻的最低点的水平应力，E为输电线路的弹性系数，r为输电线路的自重比载。这些值是线路设计的时候即可确定。x为光纤应变、温度传感器对6安装的横坐标，在安装光纤应变、温度传感器对6的时候即可确定；

(4)计算输电线路的最大弧垂：

$f_{\max }=\frac{{\mathrm{rl}}^2}{8{\mathrm{\σ}}_{b0}\cos \mathrm{\β}}$

3、输电导线舞动与微风振动的监测

如图1所示，在本实施例中，输电线路塔线体系状态监测装置在一个档距内安装了一个测量舞动的光纤加速度传感器7，检测得到的输电导线的加速度，计算机分析处理系统5根据测得到的输电导线的加速度计算得到输电导线舞动的幅值和频率。

在本实施例中，输电线路塔线体系状态监测装置在一个档距内安装了一个测量微风振动的光纤加速度传感器8，安装在输电导线与线夹最后接触点外约89mm处，用于测量该处输电导线的加速度；然后，计算机分析处理系统5根据测量微风振动的光纤加速度传感器8检测得到的加速度值计算得到输电导线相对于线夹的弯曲振幅值及振动频率。

根据加速度计算输电导线舞动的幅值和频率、输电导线相对于线夹的弯曲振幅值及振动频率的计算属于物理学上的常规计算，是公知技术，在此不再赘述。

4、杆塔倾斜角度

如图1所示，在本实施例中，输电线路塔线体系状态监测装置在杆塔上安装了多个光纤应变传感器9。首先，通过计算或者实验的方式先确定杆塔倾斜角度与应力分布变化之间的关系表，然后根据测量杆塔倾斜的光纤应变传感器9所测应变分布以查表的方式确定倾斜的角度。

如图1所示，各个光纤传感器之间用通信光缆3连接起来构成光信息传输通道。各光纤传感器和通信光缆的外壳防护都需要考虑输电线路所处的恶劣的自然环境。通信的光缆3每隔30厘米左右就与输电线路、铁塔用夹具固定，避免掉落。在通信光缆和铁塔连接下地的时候，需要在光缆和铁塔之间采用光绝缘子串联接，这样可以防止光缆的电腐蚀。

光纤调制解调仪4、计算机分析处理系统5安装在监测现场，其电源可以采用在线取电、太阳能供电或者蓄电池供电等多种方式，或者这些方式的组合。

在具体实施过程中，也可以将计算机分析处理系统5安装在电网的调度中心，这样，光纤调制解调仪的数据可以通过光缆或者无线方式传回调度中心后再由计算机分析处理系统5进行分析处理。现场的光纤调制解调仪需要布置在一个温度、湿度可调的封闭房间里面。

光纤调制解调仪4、计算机分析处理系统5组成分析控制中心。分析控制中心的光调制解调仪包括光源、光纤耦合器、信号检测处理单元等，用于提供光纤传感器的检测光源并对反射回来的光信号进行处理，从而得出被测量温度、应变、加速度等的变化值。这些检测出的被测状态量，可以在本地进行处理，然后将结果上传给电网运行管理部门，也可以用光纤或无线通信的方式将被测数据传回电网管理部门，由这些地方的计算机分析处理系统5进行分析处理。由于光纤调制解调仪4、计算机分析处理系统5不能运行在恶劣的环境里面，所以需要建一个温度、湿度可控的封闭的小房间，小房间的选址需要注意安全。所有这些设备的供电可以考虑来自在线取电装置、太阳能电池板或者蓄电池组。

分析控制中心的计算机分析处理系统5根据所测的数据，对测量数据进行分析和处理，判断出塔线体系的状态并显示在人机界面上。如果塔线状态处于危险情况，则报警。此外，还可以根据所测量的历史数据和气象数据，进行状态演变趋势的预测。

图4是本发明输电线路塔线体系状态监测装置一种具体实施方式下的监测流程图。

如图4所示，在本实施例中，监测流程为：

首先是根据某次所监测的各点光纤传感器的波长数据，根据传感器的位置和类型将其转换成为塔线体系上各点的温度、应变和加速度。

第二步，根据杆塔上多点的应变数据，结合杆塔的几何参数、力学参数和传感器的布置位置，分析铁塔的受力情况，从而判断铁塔的倾斜是否在正常范围内。如果铁塔倾斜过大，则进一步判断铁塔倾斜的方向和角度，并调整导线的计算档距；

第三步，根据安装在导线与线夹最后接触点外约89mm处的光纤加速度传感器(或应变传感器)计算出导线微风振动的幅值和频率。该数据可直接用于导线振动状态的评估，长期的观测数据还可用于导线疲劳寿命的预测；

第四步，根据在其余位置安装的加速度传感器或者应变传感器，分析输电线路舞动的幅值和频率。要注意传感器的安装位置不一定是舞动幅值出现的位置，但可以根据多个加速度传感器的值或者应变传感器的值分析舞动的幅值。

第五步，根据导线上多点的应变数据及温度数据，结合风载信息、输电线路状态方程、导线的几何参数、力学参数等，计算输电线路上的覆冰；

第六步，根据导线上多点的应变数据及温度数据，结合输电线路状态方程、导线的几何参数、力学参数(包括覆冰质量数据)等，计算输电线路上的最大弧垂；

第七步，判断输电线路各状态是否有危险情况，如有，则声光报警。有关结果显示在人机界面上。

第八步，将状态数据和报警信息作为实测数据记入数据库。并将这些实测数据和预测的状态演变数据进行比较，如果二者差别超过了允许值，则调整预测的数学模型或者预测的方法。比如覆冰预测里面的雨淞增长数学模型有Goodwin模型、Makkonen模型等。预测方法有神经网络、专家系统、支持向量机等。在实际应用中，考虑到计算机的计算能力，可以用多种模型和方法进行预测，根据预测的结果与实测的数据，选择最合适的数学模型和预测方法用于状态的预警。

第九步，根据第八步所确定的数学模型和预测方法，结合最新的气象观测信息，预测状态的演变趋势。如果状态有危险的趋势，则应报警，以便有关人员采取措施。

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 (5)

1.一种输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，包括：

一个或多个测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对，光纤应变、温度传感器对中光纤温度传感器布置在光纤应变传感器的附近，光纤应变、温度传感器对安装在输电导线上，用于测量安装处输电导线的应力和温度；

一小型气象站，安装在杆塔上，用于测量杆塔及附近的风速风向；

一个或多个测量弧垂的光纤应变、温度传感器对，安装在输电导线上，用于测量安装处输电导线的应力和温度；

一个或多个测量舞动的光纤加速度传感器，安装在输电导线上，用于测量安装处输电导线的加速度；

一个或多个测量微风振动的光纤加速度传感器，安装在输电导线与线夹最后接触点外约89mm处，用于测量该处输电导线的加速度；

多个测量杆塔倾斜的光纤应变传感器，分别安装在杆塔的不同位置，用于测量杆塔上多点的应力变化；

一光缆，与各光纤传感器以及小型气象站连接，将不同位置的各光纤传感器检测的输电导线温度、应变、加速度、杆塔上的多点应力变化以及小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传输到光调制解调仪；

一光调制解调仪，用于通过光缆向各光纤传感器提供检测光源，并对反射回来的光信号进行处理，从而得到不同位置的各光纤传感器检测的输电导线温度、应变、加速度、杆塔上的多点应力变化，并连同接收的小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传送给计算机分析处理系统；

一计算机分析处理系统，用于根据测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线温度、应变以及小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向，计算出输电导线覆冰的质量；根据测量弧垂的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线应力和温度计算出输电导线的最大弧垂；根据测量舞动的光纤加速度传感器检测得到的输电导线的加速度，计算得到输电导线舞动的幅值和频率；根据测量微风振动的光纤加速度传感器检测得到的加速度值计算得到输电导线相对于线夹的弯曲振幅值及振动频率；根据杆塔上的多点应力变化，计算得到杆塔倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，所述的各光纤传感器和通信光缆的外壳防护都考虑输电线路所处的恶劣的自然环境；通信的光缆每隔30厘米左右就与输电线路、铁塔用夹具固定，避免掉落；在通信光缆和铁塔连接下地的时候，需要在光缆和铁塔之间采用光绝缘子串联接，以防止光缆的电腐蚀。

3.根据权利要求1所述的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，根据测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线温度、应变以及小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向，计算出输电导线覆冰的质量为：

(1)、根据光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线应变，获得输电导线应变增量，然后进行滤波，得到其中的输电导线应变稳态分量ξ；

(2)、根据光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线温度t计算输电导线因温度改变而产生的应变增量Δξ_t＝α(t-t₀)，其中，α为温度膨胀系数，t₀为初始的输电导线温度；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)、小型气象站检测的杆塔及附近的风速v和风向，风向为风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、风与输电导线无风情况下所在平面的夹角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为输电导线安装光纤应变、温度传感器对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为输电导线安装光纤应变、温度传感器对时刻的温度；

c4、比较步骤c3新求得的线长L′₂和步骤c1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c1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，依次计算水平面内风的比载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，得到光纤应变、温度传感器对所在位置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是光纤应变、温度传感器对相对杆塔的水平坐标；

e、利用以下方程，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与光纤应变、温度传感器对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)、根据获得的输电导线覆冰厚度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。

4.根据权利要求1所述的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，所述的根据测量弧垂的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线应力和温度计算出输电导线的最大弧垂为：

1)输电导线上存在覆冰，并假设是均匀覆冰

在这种情况下，最大弧垂f_max和档距l、高差角β、输电导线比载γ、输电导线覆冰后最低点的水平应力σ有关，γ、σ根据光纤应变、温度传感器对测得的应力变量计算得出，最大弧垂计算公式为：

$f_{\max }=\frac{\mathrm{\γ}{l}^2}{8\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\β}};$

2)输电导线上不存在覆冰

在这种情况下，计算步骤如下：

(1)、测量弧垂的光纤应变、温度传感器对测量输电导线获得导线应力变增量，然后进行滤波，得到其中的导线应变稳态分量ξ；

(2)、光纤应变、温度传感器对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＝α(t-t₀)，其中，α为温度膨胀系数，t₀为初始的输电导线温度；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水平应力变化的原因而产生的应变量Δξ＝ξ-Δξ_t；

(3)根据被测的线路应变改变量Δξ，利用下边的式子计算线路最低点的水平应力σ_b0：

$-\mathrm{E\Δ\ξ}=\sqrt{1+{\left(\frac{h}{l}\right)}^2}[({\mathrm{\σ}}_{b0}-{\mathrm{\σ}}_0)+\frac{{{\mathrm{\γ}}_0}^2{(l-2x)}^2}{8}(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{b0}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_0})]$

其中，l为档距，h为高差，σ₀为输电导线安装光纤应变、温度传感器对时刻的最低点的水平应力，E为输电导线的弹性系数，γ₀为输电导线的自重比载；这些值是线路设计的时候即可确定；x为光纤应变、温度传感器对安装的横坐标，在安装光纤应变、温度传感器对的时候即可确定；

(4)计算输电导线的最大弧垂：

$f_{\max }=\frac{{\mathrm{\γ}}_0{l}^2}{8{\mathrm{\σ}}_{b0}\cos \mathrm{\β}}.$

5.根据权利要求1所述的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，所述的根据杆塔上的多点应力变化，计算得到杆塔倾斜角度为：

首先，通过计算或者实验的方式先确定杆塔倾斜角度与应力分布变化之间的关系表，然后根据测量杆塔倾斜的光纤应变传感器所测应变分布以查表的方式确定倾斜的角度。

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