CN102288281B

CN102288281B - 基于振动发电的高压线微风振动在线监测装置及方法

Info

Publication number: CN102288281B
Application number: CN2011101732821A
Authority: CN
Inventors: 李智; 张莹; 秦旭; 刘辉
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2011-06-25
Filing date: 2011-06-25
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2031-06-25
Also published as: CN102288281A

Abstract

本发明提出一种精确测量高压线微风振动的在线监测装置及方法，由矩形金属壳体和内部振动检测电路组成。振动检测电路包括振动传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、数据存储电路、时钟电路、MCU和无线通讯电路和微型振动发电机电路，振动检测电路由微型振动发电机电路供电。传感器定时采集振动数据，经信号放大、A/D转换，交给MCU，做相应运算后，将数据无线发送至监测人员，并存储。如果振动检测电路检测到振动幅值或频率过大，超过预先设定的阈值，则也会传输相应的信号给监测人员，以示预警，监测人员好根据具体情况提前采取补救措施，以尽量减少损失，适用于高压线路在线监测。

Description

基于振动发电的高压线微风振动在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种精确测量高压线路微风振动的监测装置，其特征在于该监测装置适用于高压输电线路。

背景技术

电线振动现象可以根据引起电线振动的起因和电线振动的形式，分为几种类型，其中，电线微风振动发生的最常见最频繁，它常常导致电线疲劳断股。

架空导线的微风振动是当0.5~10m/s的稳定风速（即层流风）横侧吹向电线时，在电线背风侧产生的上下交替的旋涡（即Karman涡街），引起上下交变的力作用于电线上，使电线产生垂向振动。当旋涡出现频率与电线的固有频率一致时，会在谐振下产生较大振幅的持续振动。电线微风振动的频率约为3~120Hz，最大双振幅不大于导线直径的2倍，振动持续时间一般达数小时，有时可达数日而不止。

影响微风振动的因素主要有：

1）引起导线产生微风振动的均匀自然风, 风速0.5~10 m/s 左右, 风向与导线的夹角大于30°,夹角越接近90°越易于产生微风振动；

2）线的自阻尼特性: 与导线本身的结构有关, 自阻尼特性好的导线可以减轻微风振动；

3）线的分裂根数及间隔棒设计: 通常分裂导线的振动次数及在悬垂线夹处的振动应力均比单导线小, 并随分裂根数增多而减少；

4）导线的平均运行应力: 应力越大则导线自阻尼吸收能量越小, 易于产生微风振动；

5）档距: 档距越大则接受到风的策动能量也越大, 易于产生微风振动；

6）环境: 有利于发生均匀风速的环境为经过河流、湖泊、海峡、旷野上空的开阔地带以及导线的悬挂点很高时；

7)天气: 导线覆冰、雪之后则吸收风能增大, 易于产生强烈的微风振动；雨天容易在大风下产生不规则的低频率的振动。

目前国际上关于导线振动的判定标准有2种，一是振动角判定标准，这是前苏联习惯采用的；另一个是采用弯曲幅值(线夹出口89 mm处弯曲峰峰值)判定标准，这是北美国家常采用的标准。要了解导线受到的振动应力采用后一种标准是最适宜的。

微风振动监测技术是防振工作中不可缺少的重要环节，是非常必要的。

目前几乎所有的高压送电线路都受到微风振动的影响，尤其在线路大跨越上，因具有档距大、悬挂点高和水域开阔等特点，使风输给导地线的振动能量大大增加，导地线振动强度远较普通档距严重。一旦发生疲劳断股，将给电网安全运行带来严重危害。

现场进行微风振动监测，可以对实施的优选防振方案进行验证，对防振效果加以进行评估和改进。同时通过现场振动监测可以及时发现问题，促进防振方案的改进，以避免振动危害电线事故的出现。微风振动对输电线路的危害隐蔽性较强，只有通过现场振动监测，采用精度高、抗干扰、质量轻、自动化程度高的振动监测仪，经过较长时间的全天候监测，才能判断出微风振动对电线的危害程度。

而对于高压线在线监测装置，目前比较难以解决的问题，就是线上监测装置的供电问题，一般的电池仅能维持监测装置短时间内的供电，而更换电池等维护工作严重影响了在线监测的实用性，而本发明应对于此，利用微风振动发电机很好的解决了这个问题。

发明内容

该发明是采用新型能源、电磁屏蔽、嵌入式系统、无线传感网络、网络通信等技术而开发的先进适用装置，通过数据处理分析，判断微风振动的水平，以指导相关人员采取补救措施；

该发明旨在监测电线的微风振动，了解电线的实际振动水平，判断振动是否合格；评价安装在线路上的防振装置的效果，为正确选择和确定防振方案提供依据。一旦发现振动水平超标，可以采用相应的补救措施，将微风振动的幅值降低到一定程度，阻止导地线产生或加剧疲劳断股，延长导线的使用寿命，同时验证防振设计和振动理论；

为实现上述目的，该发明采用了如下技术方案：该微风振动监测装置包括矩形金属壳体和内部振动检测电路；所述振动检测电路包括振动传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、数据存储电路、时钟电路、MCU、无线通讯电路和微型振动发电机电路，振动检测电路由微型振动发电机电路供电。传感器定时采集振动数据，经信号放大、A/D转换，交给MCU，做相应运算后，将数据无线发送至监测人员，并存储；

所述的微型振动发电电路包括振动感应电路、控制器和蓄电池组成，其中振动感应电路的主要部分是共鸣磁铁和线圈；

所述的传感器电路采用高精度三轴加速度传感器，通过一定的处理，可以得到所监测单元的振动幅值和频率；

所述的数据存储电路对所采集处理后的信息进行有效存储，保证监测装置在意外掉电后不至于数据丢失；

对微风振动进行在线监测，不但能实现长期连续测量，获取准确的测量数据，而且便于进行故障诊断，分析查找原因，研究电线振动水平与气象条件的关系，及早发现电线振动隐患，及时排除故障，大大提高电线运行的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的振动检测电路组成结构示意图；

图2是本发明的振动发电电路的组成示意图；

图3是本发明的安装结构示意图；

图4是本发明的工作过程数据流程图。

具体实施方式

该微风振动监测装置包括矩形金属壳体和内部振动检测电路。

如图1和图2所示，所述振动检测电路包括振动传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、数据存储电路、时钟电路、MCU和无线通讯电路和微型振动发电机电路，振动检测电路由微型振动发电机电路供电。传感器定时采集振动数据，经信号放大、A/D转换、滤波等处理后，交给MCU，做相应运算后，将数据无线发送至监测人员，并存储。如果振动检测电路检测到振动幅值或频率过大，超过预先设定的阈值，则也会传输相应的信号给监测人员，以示预警，监测人员好根据具体情况提前采取补救措施，以尽量减少损失。

所述的矩形金属壳体（3）具备防水、防电磁干扰的性能。装置固定在导地线上,典型位置一般有阻尼线夹头、防震锤夹头、间隔棒夹头、悬垂线夹出口、护线条端部和接续金具端部。装置外壳下端有固定端口（4），穿过并固定在高压线上。

所述的微型振动发电电路包括振动感应电路、控制器和蓄电池组成，其中振动感应电路的主要部分是共鸣磁铁和线圈。当导线产生振动时，微型振动发电电路中线圈和共鸣磁铁的相对位置随之发生规律性变化，产生电动势，将机械振动转化为电力，从而为整个振动检测电路提供动力，同时为蓄电池充电，以备振动不足时供电电池使用。

所述的传感器电路采用高精度三轴加速度传感器，通过一定的处理，可以得到所监测单元的振动幅值和频率。

所述的数据存储电路对所采集处理后的信息进行有效存储，数据可以保存三年以上。

如图3所示，本发明在应用时，矩形金属壳体（3）下端的固定端口（4）穿过导地线（1），端口上有螺孔（5），用于插入特制螺钉固定在导线上，其中（2）为阻尼线夹，（6）为防振锤。

本发明的工作过程是：

振动发电电路利用电磁感应，将机械振动转化为电能，对振动检测电路提供电能，同时为蓄电池充电。当振动发电不足以提供检测电路的电能时，可以自动调整为蓄电池供电，蓄电池足以持续供电30天以上。

传感器定时采集振动数据，经信号放大、A/D转换，交给MCU，做相应运算后，将数据无线发送至监测人员，并存储。如果振动测量单元检测到振动幅值或频率过大，超过预先设定的阈值，则也会传输相应的信号给监测人员，以示预警，监测人员好根据具体情况提前采取补救措施，以尽量减少损失。

其中，该微风振动监测装置的数据流程如下：

1）对监测装置各模块进行初始化；

2）是否收到采集数据命令或定时采集时间是否到，若是，转到步骤3），若否，转到10）；

3）振动传感器电路采集数据；

4）对采集到的数据经放大、A/D转换、滤波等数据处理；

5）对数据进行分析计算等，求出所监测单元的振动幅值和频率；

6）进行综合评判，并对数据进行存储，看是否超过警阈值，若是，转7），若否，转8）；

7）进行报警，转步骤9）；

8）显示正常；

9）把数据及评判结果以无线方式传送给监测人员；

10）本次结束。

振动幅值的计算方法为：

由加速度传感器读出该方向上的加速度值，通过处理后，通过下式计算：

Figure 2011101732821100002DEST_PATH_IMAGE001

我们把其离散化为

Figure 2011101732821100002DEST_PATH_IMAGE002

而弯曲应变ε与弯曲幅值S之间的关系为

其中d为导线直径，IEEE 规定: 导线外径小于17. 8 mm( 0. 7 英寸)时, 弯曲应变不大于150με; 导线外径超过17. 8 mm( 0. 7 英寸) 时, 弯曲应变不大于300με, 这个数值很可能是安全的。

采用本方法远程监测输电线路微风振动情况，不需要人工干预，可以实现24小时不间断实时在线监测。装置通过对振动采集到的数据进行综合评判，当输电导线振幅值超过警戒值时，装置发出预警，指导专业工作人员进行及时处理。

Claims

1.一种基于振动发电的高压线微风振动在线监测装置，其特征在于：该微风振动在线监测装置包括矩形金属壳体和内部振动检测电路；所述的振动检测电路包括振动传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、数据存储电路、时钟电路、MCU、无线通讯电路和微型振动发电机电路，振动检测电路由微型振动发电机电路供电；传感器定时采集振动数据，经信号放大、A/D转换，交给MCU，做相应运算后，将数据无线发送至监测人员，并存储；如果振动检测电路检测到振动幅值或频率过大，超过预先设定的阈值，则也会传输相应的信号给监测人员，以示预警，监测人员好根据具体情况提前采取补救措施，以尽量减少损失；所述的微型振动发电机电路由振动感应电路、控制器和蓄电池组成，其中振动感应电路的主要部分是共鸣磁铁和线圈；当导线产生振动时，微型振动发电机电路中线圈和共鸣磁铁的相对位置随之发生规律性变化，产生电动势，将机械振动转化为电力，从而为整个振动检测电路提供动力，同时为蓄电池充电，以备振动不足时作为供电电池使用。

2.根据权利要求1所述的基于振动发电的高压线微风振动在线监测装置，其特征在于：所述的振动传感器电路采用三轴加速度传感器，通过处理，可以得到所监测单元的振动幅值和频率。

3. 根据权利要求1所述的基于振动发电的高压线微风振动在线监测装置，其特征在于：所述的矩形金属壳体具备防水、防电磁干扰的性能；装置通过底端固定端口固定在导地线上。

4. 根据权利要求1所述的基于振动发电的高压线微风振动在线监测装置，其特征在于：所述的微风振动在线监测装置的数据流程如下：

1）对监测装置各模块进行初始化；

3）振动传感器电路采集数据；

4）对采集到的数据经放大、A/D转换、滤波数据处理；

5）对数据进行分析计算，求出所监测单元的振动幅值和频率；

6）进行综合评判，并对数据进行存储，看是否超过预警阈值，若是，转7），若否，转8）；

7）进行报警，转步骤9）；

8）显示正常；

9）把数据及评判结果以无线方式传送给监测人员；

10）本次结束。