CN103323167B - 一种输电线路导线应力与弧垂监测方法 - Google Patents

一种输电线路导线应力与弧垂监测方法 Download PDF

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吕玉祥
赵晓龙
丁龙
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国家电网公司
山西省电力公司阳泉供电分公司
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Abstract

本发明一种输电线路导线应力与弧垂监测方法,属于输电线路导线应力与弧垂监测技术领域;所要解决的技术问题是:提供一种能从整体上精确反映输电线路导线的应力与弧垂的监测方法;采用的技术方案是:包括以下步骤:在输电线路导线上安装光纤拉力传感器,在输电线路导线上安装可移动式超声波发生器,在输电线路导线两端的杆塔上分别安装第一超声波接收器和第二超声波接收器,计算得出多组应力值 和弧垂值,通过应力值利用最小二乘法得出应力拟合曲线,通过弧垂值利用最小二乘法得出弧垂拟合曲线;本发明适用于电力部门。

Description

一种输电线路导线应力与弧垂监测方法
技术领域
[0001] 本发明一种输电线路导线应力与弧垂监测方法,属于输电线路导线应力与弧垂监 测技术领域。
背景技术
[0002] 架空输电线路设计、施工、运行中所要面对的主要问题就是对输电导线应力与弧 垂的监测问题,导线和避雷线长度的微小变化,会引起导线和避雷线相应弧垂和应力的较 大变化,外界环境如温度、外部荷载(结冰、风刮等)的变化,均能引起导线和避雷线伸长或 缩短;这些条件导致导线伸长或缩短的长度与导线的实际长度相比微乎其微,但是它所引 起的导线弧垂和应力的变化却相当明显,这在施工紧线调整弧垂时能明显地反映出来,所 以监视和测量导线的应力与弧垂很有意义。
[0003] 目前测应力所采用的方法主要为在导线上贴装应变片,而应变片易受高压输电线 所产生的强磁场的干扰,此种方法测量的精度不高,其他方法有使用温度倾角传感器,配合 图像识别技术测量,但此方法测量数据为瞬时值,存在测量精度不高,与真实值相差较大, 以及不能从整体上反映所测架空线所在线路的运行状况,此外其测量成本也过于昂贵。
发明内容
[0004] 本发明克服现有技术存在的不足,所要解决的技术问题是:提供一种能从整体上 精确反映输电线路导线的应力与弧垂的监测方法。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种输电线路导线应力与弧 垂监测方法,所述方法包括以下步骤:
[0006] 步骤一:在输电线路导线上安装光纤拉力传感器,通过光纤拉力传感器测得输电 线路导线的拉力Fa;
[0007] 步骤二:通过步骤一中测得的输电线路导线的拉力Fa计算输电线路导线的应力 σΑ,并通过输电线路导线的应力σΑ计算输电线路导线的弧垂fA;
[0008] 步骤三:在输电线路导线上安装可移动式超声波发生器,在输电线路导线两端的 杆塔上分别安装第一超声波接收器和第二超声波接收器,测得第一超声波接收器和第二超 声波接收器接收超声波发生器声纳信号的接收时间τ JP τ 2,并通过接收时间τ JP τ 2计算出各自与超声波发生器的距离rdPr2;输电线路导线两端的杆塔上还安装有倾角传感 器,通过倾角传感器测得输电线路导线的方位角θ1;
[0009] 步骤四:通过双基地超声波定位法依靠步骤三中测得的第一超声波接收器和第二 超声波接收器接收超声波发生器的接收时间Tp 12和各自与超声波发生器的距离^、!^还 有倾角传感器测得的方位角Θ i计算输电线路导线的弧垂fB,并通过输电线路导线的弧垂 fB计算输电线路导线的应力〇 B;
[0010] 步骤五:通过步骤二中得出的应力值σΑ和步骤四中得出的应力值〇 B,计算二者 的算术平均数应力值σ c; toon] 步骤六:通过步骤二中得出的弧垂值fA和步骤四中得出的弧垂值f B,计算二者的 算术平均数弧垂值
[0012] 步骤七:重复上述步骤一至步骤六,得出多组应力值〇。和弧垂值fc,通过应力值 Oc利用最小二乘法得出应力拟合曲线,通过弧垂值fjlj用最小二乘法得出弧垂拟合曲线。
[0013] 所述步骤二中通过输电线路导线的拉力Fa计算输电线路导线的应力σ 4的计算公 式为:
[0014]
Figure CN103323167BD00051
[0015] 其中:s为输电线路导线的横截面积。
Figure CN103323167BD00052
[0016] 所述步骤二中通过输电线路导线的应力〇 Α计算输电线路导线的弧垂匕的计算公 式为:
[0017]
[0018] 其中:〇 C1为输电线路导线最低点应力,g为输电线路导线的比载。
[0019] 所述步骤四中通过双基地超声波定位法计算输电线路导线的弧垂&包括以下步 骤:
[0020] 步骤A,建立直角坐标系,以第一超声波接收器和第二超声波接收器两点的连线为 X轴,方向由第一超声波接收器指向第二超声波接收器;以第一超声波接收器和第二超声 波接收器两点连线的中点为原点,在原点做垂线为Y轴,方向指向地面;
[0021] 步骤B,假设第一超声波接收器的坐标为(Xl,yi),第二超声波接收器的坐标为 (X2, y2),超声波发生器的坐标为(X,y),通过坐标建立方程组:
[0022]
Figure CN103323167BD00053
[0023] 其中:Γι为第一超声波接收器与超声波发生器的距离,r 2为第二超声波接收器到 超声波发生器的距离;
[0024] 步骤C,通过步骤B中的方程组计算弧垂fB,
[0025] 步骤B中的方程组变换可得
[0026]
Figure CN103323167BD00054
[0027] 将上式代入rf = (X1 - X)2 + (h _ y)2 则有:
Figure CN103323167BD00055
[0028]
[0029]
[0030]
[0031] 进而得出:
[0032]
Figure CN103323167BD00061
[0033] 将上式带入
[0034]
Figure CN103323167BD00062
[0035] 可得两组解:(xsl,ysl)和(xs2, ys2),把两组解分别代入定位方程中可得
[0036]
Figure CN103323167BD00063
[0037] 应用方位角Θ ^乍出判定:
[0038] 若I Θ sl- Θ J 彡I Θ s2- Θ J ,则取 S = (X sl,ysl)
[0039] 若I Θ sl- Θ J > I Θ s2- Θ J ,则取 S = (X s2, ys2)
[0040] 通过弧垂计算公式
[0041] fB= s*sin Θ i
[0042] 求出输电线路导线的弧垂fB。
[0043] 所述步骤四中通过输电线路导线的弧垂fB计算输电线路导线的应力〇 3的计算公 式为:
[0044] 〇 B= σ o+fBg
[0045] 其中:%为输电线路导线最低点应力,g为输电线路导线的比载。
[0046] 本发明与现有技术相比具有的有益效果是:
[0047] -、本发明通过光纤拉力传感器和超声波收发装置,通过两种不同的方法,结合最 小二乘法得出的多数值拟合曲线,能从整体上精确反映输电线路导线的应力与弧垂,实现 了输电线路导线的应力与弧垂的精确监控。
[0048] 二、本发明利用光纤拉力传感器监测输电线路导线应力可以减小电磁干扰,测量 的输电线路导线的应力数据精确;利用超声波收发装置,通过测得多组数据计算其算术平 均数可得到一个更加精确,更加接近真实值的导线弧垂数值。
附图说明
[0049] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明:
[0050] 图1是本发明中输电线路导线应力与弧垂监测装置的电路结构示意图;
[0051] 图中为光纤拉力传感器、2为超声波发生器、3为第一超声波接收器、4为第二超 声波接收器、5为倾角传感器、6为温度传感器、7为风速传感器、8为监测控制器、9为输电线 路基站服务器、10为监控中心计算机、11为第一无线传输模块、12为电源、13为第二无线传 输模块、14为第一 GPRS通讯模块、15为第二GPRS通讯模块。
具体实施方式
[0052] 本发明一种输电线路导线应力与弧垂监测方法,所述方法包括以下步骤:
[0053] 步骤一:在输电线路导线上安装光纤拉力传感器1,通过光纤拉力传感器1测得输 电线路导线的拉力fa;
[0054] 步骤二:通过步骤一中测得的输电线路导线的拉力Fa计算输电线路导线的应力 σΑ,并通过输电线路导线的应力σΑ计算输电线路导线的弧垂fA;
[0055] 步骤三:在输电线路导线上安装可移动式超声波发生器2,在输电线路导线两端 的杆塔上分别安装第一超声波接收器3和第二超声波接收器4,测得第一超声波接收器3和 第二超声波接收器4接收超声波发生器2声纳信号的接收时间τ JP τ 2,并通过接收时间 、和τ 2计算出各自与超声波发生器2的距离输电线路导线两端的杆塔上还安 装有倾角传感器5,通过倾角传感器5测得输电线路导线的方位角Θ 1;
[0056] 步骤四:通过双基地超声波定位法依靠步骤三中测得的第一超声波接收器3和第 二超声波接收器4接收超声波发生器2的接收时间τ i、τ 2和各自与超声波发生器2的距 离!^、!^还有倾角传感器5测得的方位角Θ i计算输电线路导线的弧垂fB,并通过输电线路 导线的弧垂fB计算输电线路导线的应力σ B;
[0057] 步骤五:通过步骤二中得出的应力值〇A和步骤四中得出的应力值σ B,计算二者 的算术平均数应力值σ c;
[0058] 步骤六:通过步骤二中得出的弧垂值fA和步骤四中得出的弧垂值fB,计算二者的 算术平均数弧垂值
[0059] 步骤七:重复上述步骤一至步骤六,得出多组应力值σ。和弧垂值f c,一般选择20 组到30组数据,通过应力值〇 c利用最小二乘法得出应力拟合曲线,通过弧垂值fc利用最 小二乘法得出弧垂拟合曲线。
[0060] 所述步骤二中通过输电线路导线的拉力Fa计算输电线路导线的应力σ 4的计算公 式为:
[0061]
Figure CN103323167BD00071
[0062] 其中:s为输电线路导线的横截面积。
[0063] 所述步骤二中通过输电线路导线的应力σ Α计算输电线路导线的弧垂匕的计算公 式为:
[0064]
Figure CN103323167BD00072
[0065] 其中:%为输电线路导线最低点应力,g为输电线路导线的比载。
[0066] 所述步骤四中通过双基地超声波定位法计算输电线路导线的弧垂&包括以下步 骤:
[0067] 步骤A,建立直角坐标系,以第一超声波接收器3和第二超声波接收器4两点的连 线为X轴,方向由第一超声波接收器3指向第二超声波接收器4 ;以第一超声波接收器3和 第二超声波接收器4两点连线的中点为原点,在原点做垂线为Y轴,方向指向地面;
[0068] 步骤B,假设第一超声波接收器3的坐标为(Xl,yi),第二超声波接收器4的坐标为 (X2, y2),超声波发生器2的坐标为(X,y),通过坐标建立方程组:
Figure CN103323167BD00073
[0069]
[0070]
[0071] 其中A为第一超声波接收器3与超声波发生器2的距离,r 2为第二超声波接收 器4到超声波发生器2的距离;
[0072] 步骤C,通过步骤B中的方程组计算弧垂fB,
[0073] 步骤B中的方程组变换可得
[0074]
Figure CN103323167BD00081
[0075] 将上式代入η2 = O1 - X)2 + O1 - y)2则有:
[0076] a = (X1-X2)^(Y1-Y2)2
[0077] b = k0 (yry2) +y! (X1-X2) ^x1 (X1-X2) (yry2)
[0078] c = {xl+yl - TlXx1 - x2)2 - 2Zc0X1 (X1 - X2) + kl
[0079] 进而得出:
[0080]
Figure CN103323167BD00082
[0081] 将上式带入
[0082]
Figure CN103323167BD00083
[0083] 可得两组解:(xsl,ysl)和(xs2, ys2),把两组解分别代入定位方程中可得
[0084]
Figure CN103323167BD00084
[0085] 应用方位角Θ ^乍出判定:
[0086] 若I Qsl-Q1I 彡I Qs2-Q1I ,则取 S= (xsl,ysl)
[0087] 若I Θ sl- Θ J > I Θ s2- Θ J ,则取 s = (X s2, ys2)
[0088] 通过弧垂计算公式
[0089] fB= s*sin Θ i
[0090] 求出输电线路导线的弧垂fB。
[0091] 所述步骤四中通过输电线路导线的弧垂fB计算输电线路导线的应力〇 3的计算公 式为:
[0092] 〇 B= σ o+fBg
[0093] 其中:%为输电线路导线最低点应力,g为输电线路导线的比载。
[0094] 上述输电线路导线最低点应力%可以直接从供电部门获得,不同的导线对应有 不同的最低点应力Otl;上述输电线路导线的比载g,通过多种传感器测量计算而来,常用的 比载共有七种,如自重比载、冰重比载、导线自重和冰重总比载、无冰时风压比载、覆冰时的 风压比载、无冰有风时的综合比载和有冰有风时的综合比载,均可以通过公式计算获得。 [0095] 如图1所示,本发明可以通过输电线路导线应力与弧垂监测装置来实现,输电线 路导线应力与弧垂监测装置包括光纤拉力传感器1、超声波发生器2、第一超声波接收器3、 第二超声波接收器4、倾角传感器5、温度传感器6、风速传感器7、监测控制器8、输电线路基 站服务器9和监控中心计算机10。
[0096] 所述光纤拉力传感器1和超声波发生器2安装在输电线路导线上,光纤拉力传感 器1可以安装在输电线路导线的杆塔导线悬挂点处,测量悬挂点处输电线路导线的拉力; 所述超声波发生器2为可移动式超声波发生器,超声波发生器2可以依靠重力移动到输电 线路导线的最低点,即弧垂最大的点;所述第一超声波接收器3和第二超声波接收器4分别 安装在输电线路导线两端的杆塔上,第一超声波接收器3和第二超声波接收器4可以接收 超声波发生器2发出的声纳信号;所述倾角传感器5、温度传感器6、风速传感器7和监测控 制器8 -起安装在输电线路导线的杆塔上,倾角传感器5也可以安装在输电线路导线的杆 塔导线悬挂点处,测量悬挂点处输电线路导线的倾角。
[0097] 所述光纤拉力传感器1、超声波发生器2、第一超声波接收器3和第二超声波接收 器4均通过无线网络与监测控制器8相连进行通讯,所述倾角传感器5、温度传感器6和风 速传感器7均与监测控制器8相连,所述监测控制器8还连接有第一无线传输模块11和电 源12,所述电源12可以采用锂电池也可以采用线上取点装置,供整个装置供电;所述输电 线路导线应力与弧垂监测装置还包括有监测摄像头,所述监测摄像头安装在输电线路导线 的杆塔上与监测控制器8相连,通过监测摄像头可以观察输电线路导线的覆冰情况;上述 测量装置均将各自检测的数据发送至监测控制器8。
[0098] 所述输电线路基站服务器9连接有第二无线传输模块13,上述第一无线传输模块 11通过无线通讯方式与第二无线传输模块13相连;所述输电线路基站服务器9与安装在 电力监控中心的监控中心计算机10通过有线或者无线方式相连;所述输电线路基站服务 器9和监控中心计算机10可以通过光纤相连,所述输电线路基站服务器9和监控中心计算 机10也可以分别连接有第一 GPRS通讯模块14和第二GPRS通讯模块15,输电线路基站服 务器9和监控中心计算机10通过GPRS无线通讯网络相连;所述监测控制器8将采集的信 息发送至监控中心计算机10,监控中心计算机10通过预先设定的计算方法,计算输电线路 导线的应力与弧垂。
[0099] 本发明通过光纤拉力传感器和超声波收发装置,通过两种不同的方法,结合最小 二乘法得出的多数值拟合曲线,能从整体上精确反映输电线路导线的应力与弧垂,实现了 输电线路导线的应力与弧垂的精确监控。

Claims (5)

1. 一种输电线路导线应力与弧垂监测方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤: 步骤一:在输电线路导线上安装光纤拉力传感器(1),通过光纤拉力传感器(1)测得输 电线路导线的拉力fa; 步骤二:通过步骤一中测得的输电线路导线的拉力fa计算输电线路导线的应力〇 A,并 通过输电线路导线的应力0A计算输电线路导线的弧垂fA; 步骤三:在输电线路导线上安装可移动式超声波发生器(2),在输电线路导线两端的 杆塔上分别安装第一超声波接收器(3)和第二超声波接收器(4),测得第一超声波接收器 (3)和第二超声波接收器(4)接收超声波发生器(2)声纳信号的接收时间^和t2,并通 过接收时间、和t2计算出各自与超声波发生器(2)的距离rdPr2;输电线路导线两端 的杆塔上还安装有倾角传感器(5),通过倾角传感器(5)测得输电线路导线的方位角0 1; 步骤四:通过双基地超声波定位法依靠步骤三中测得的第一超声波接收器(3)和第二 超声波接收器(4)接收超声波发生器(2)的接收时间12和各自与超声波发生器(2) 的距离^^^还有倾角传感器(5)测得的方位角0 :计算输电线路导线的弧垂fB,并通过输 电线路导线的弧垂fB计算输电线路导线的应力〇 B; 步骤五:通过步骤二中得出的应力值〇A和步骤四中得出的应力值〇 B,计算二者的算 术平均数应力值〇 c; 步骤六:通过步骤二中得出的弧垂值fA和步骤四中得出的弧垂值fB,计算二者的算术 平均数弧垂值fc; 步骤七:重复上述步骤一至步骤六,得出多组应力值〇。和弧垂值fc,通过应力值〇 c利 用最小二乘法得出应力拟合曲线,通过弧垂值4利用最小二乘法得出弧垂拟合曲线。
2. 根据权利要求1所述的一种输电线路导线应力与弧垂监测方法,其特征在于:所述 步骤二中通过输电线路导线的拉力FA计算输电线路导线的应力〇A的计算公式为:
Figure CN103323167BC00021
其中:s为输电线路导线的横截面积。
3. 根据权利要求2所述的一种输电线路导线应力与弧垂监测方法,其特征在于:所述 步骤二中通过输电线路导线的应力〇A计算输电线路导线的弧垂fA的计算公式为:
Figure CN103323167BC00022
其中:〇为输电线路导线最低点应力,g为输电线路导线的比载。
4. 根据权利要求1所述的一种输电线路导线应力与弧垂监测方法,其特征在于:所述 步骤四中通过双基地超声波定位法计算输电线路导线的弧垂fB包括以下步骤: 步骤A,建立直角坐标系,以第一超声波接收器(3)和第二超声波接收器(4)两点的连 线为X轴,方向由第一超声波接收器(3)指向第二超声波接收器(4);以第一超声波接收 器(3)和第二超声波接收器⑷两点连线的中点为原点,在原点做垂线为Y轴,方向指向地 面; 步骤B,假设第一超声波接收器(3)的坐标为(Xl,yi),第二超声波接收器(4)的坐标为 (x2,y2),超声波发生器(2)的坐标为(x,y),通过坐标建立方程组:
Figure CN103323167BC00031
其中A为第一超声波接收器(3)与超声波发生器(2)的距离,r2为第二超声波接收 器⑷到超声波发生器⑵的距离; 步骤C,通过步骤B中的方程组计算弧垂fB, 步骤B中的方程组变换可得
Figure CN103323167BC00032
将上式代入rf=Oq-x)2 + (y;! -y)2则有: a= (x1-x2)2+(y1-y2)2 b=koYi-y^y^Xi-x^^x^Xi-x;,) (yj^)
Figure CN103323167BC00033
进而得出:
Figure CN103323167BC00034
将上式带入
Figure CN103323167BC00035
可得两组解:(xsl,ysl)和(xs2,ys2),把两组解分别代入定位方程中可得
Figure CN103323167BC00036
应用方位角9 :作出判定: 若I9 sl_ 9J 彡I9s2_ 9J,则取s=(xsl,ysl) 若I9 9il>I9S2- 9il,则取s=(xs2,ys2) 通过弧垂计算公式 fB=s氺sinQx 求出输电线路导线的弧垂fB。
5.根据权利要求4所述的一种输电线路导线应力与弧垂监测方法,其特征在于:所述 步骤四中通过输电线路导线的弧垂fB计算输电线路导线的应力〇B的计算公式为: °B= 0 0+fBg 其中:〇为输电线路导线最低点应力,g为输电线路导线的比载。
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