CN103791874A - 导线覆冰厚度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导线覆冰厚度监测方法，包括步骤S01：根据导线倾角计算覆冰厚度b；步骤S02：根据视频画面计算覆冰厚度b₂；步骤S03：比较覆冰厚度b和b₂，如差值△b超出一定范围，在视频画面保持一预定清晰度的前提下再次截取视频画面重新根据步骤S02计算导线覆冰厚度值b₂；如视频画面低于一预定清晰度，则以所述步骤S01的计算值作为最终结果；步骤S04：将重新计算的厚度值b₂再次与b进行对比，如差值仍超过一预定范围，在给定范围内修正导线覆冰密度值b'和冰载荷值λ'；步骤S05：在原导线倾角值和修正导线冰载荷值的基础上修正导线张力计算值σ。本发明可以更准确的判断导线覆冰厚度，并对因测量误差和环境因数导致的导线张力计算值进行修正。

Description

导线覆冰厚度监测方法

技术领域

本发明涉及导线覆冰厚度测量技术领域，特别是一种导线覆冰厚度监测方法。

背景技术

国内外现有导线覆冰厚度监测技术包括两种，一是通过导线张力计算导线覆冰厚度；二是通过视频画面计算导线覆冰厚度，其中通过导线张力计算覆冰厚度又包括通过导线倾角计算导线张力以及导线串联式测量导线张力，后一种测量张力方式对导线的供电存在不安全因数，主要采用通过倾角测量导线张力。两种测量导线覆冰厚度的方法都存在干扰因数，如通过导线张力计算导线覆冰厚度计算公式中有假定覆冰的密度值一定，而通过视频画面计算导线覆冰厚度受环境以及监测面大小的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种导线覆冰厚度监测方法，可以更准确的判断导线覆冰厚度，并对因测量误差和环境因数导致的导线张力计算值进行修正。

本发明采用以下方案实现：一种导线覆冰厚度监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S01：根据导线倾角计算覆冰厚度b；

步骤S02：根据视频画面计算覆冰厚度b₂；

步骤S03：比较覆冰厚度b和b₂，如差值△b超出一定范围，在视频画面保持一预定清晰度的前提下再次截取视频画面重新根据步骤S02计算导线覆冰厚度值b₂；如视频画面低于一预定清晰度，则以所述步骤S01的计算值作为最终结果；

步骤S04：将重新计算的厚度值b₂再次与b进行对比，如差值仍超过一预定范围，在给定范围内修正导线覆冰密度值b'和冰载荷值λ'；

步骤S05：在原导线倾角值和修正导线冰载荷值的基础上修正导线张力计算值σ。

本发明通过同时使用两种计算导线覆冰厚度方法，并将计算结果相互比对，互为校核，提高导线覆冰厚度值和导线张力计算的准确度。

具体实施方式

本实施例提供一种导线覆冰厚度监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S01：根据导线倾角计算覆冰厚度b；

步骤S02：根据视频画面计算覆冰厚度b₂；

步骤S03：比较覆冰厚度b和b₂，如差值△b超出一定范围，在视频画面保持一预定清晰度的前提下再次截取视频画面重新根据步骤S02计算导线覆冰厚度值b₂；如视频画面低于一预定清晰度，则以所述步骤S01的计算值作为最终结果；

步骤S04：将重新计算的厚度值b₂再次与b进行对比，如差值仍超过一预定范围，在给定范围内修正导线覆冰密度值b'和冰载荷值λ'；

步骤S05：在原导线倾角值和修正导线冰载荷值的基础上修正导线张力计算值σ。

在本发明的较佳实施例中，所述步骤S01采用以下方式实现：导线荷载是指导线悬挂中作用其上的冰、风及其自身质量引起的重力和水平风荷载，它与导线顺线路水平张力一起作用于杆塔的导线悬挂点处。

导线自重力单位荷载P1是导线单位长度的质量q（kg/m）与当地重力加速度g（m/s²）之积，工程中统一取g=9.80665（m/s²）。因此P1的计算式为

P₁=9.80665q（N/m）     (2-1)

导线自重力比载γ1为导线单位截面上的自重力单位荷载，若导线总截面为A（mm²），则'γ1的计算式可写为

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{P_1}{A}(N/m\·{\mathrm{mm}}^2)---(2-2)$

对于导线上的覆冰荷载，工程上将导线上附着的各种类型及不同断面外形的覆冰均折算为密度为900（kg/m³）的圆形雨凇断面。当已知导线的外径D（mm）和覆冰厚度b（mm）时，其单位冰荷载P₂为

P₂=0.9πgb(b+D)×10^-3(N/m)     (2-3)

覆冰时的比载γ₂为

${\mathrm{\γ}}_2=\frac{P_2}{A}(N/m\·{\mathrm{mm}}^2)---(2-4)$

导线上单位水平风荷载是指水平风向与导线轴线成θ角时在导线上产生与导线轴线成正交的单位长度上的风压。假定风速为V，单位风荷载和比载可写为

$P_3=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_o{V}^2(D+2b){\mathrm{\α}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{sc}}{\mathrm{\μ}}_z{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\θ}}\×{10}^{-3}(N/m)---(2-5)$

${\mathrm{\γ}}_3=\frac{P_3}{A}(N/m\·{\mathrm{mm}}^2)---(2-6)$

式中标准空气密度ρ₀=1.25kg/m³，α₀、μ_sc、μ_z、μ_θ分别为风压不均匀系数、电线体形系数、风压高度变化系数、风向与导线轴线间的夹角为θ引起风压随风向的变化系数，μ_θ=sin2θ。

导线单位综合荷载及比载是其上述垂向分量与水平分量的向量和，可写为

$P={({(P_1+P_2)}^2+{P_3}^2)}^{\frac{1}{2}}(N/m)---(2-7)$

$\mathrm{\γ}={({({\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2)}^2+{{\mathrm{\γ}}_3}^2)}^{\frac{1}{2}}(N/m\·{\mathrm{mm}}^2)---(2-8)$

当无风时，风荷载为零，导线上仅作用有铅垂向下的垂直比载。当导线受到横向风荷载时，导线各点自垂直面内沿风向移动，直至偏移到综合比载的作用线上，导线风偏角是以综合比载作用线与铅垂线间的夹角η来表示，它有如下关系：

$\begin{array}{ccc}\sin \mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\γ}}_3}{\mathrm{\γ}}& \cos \mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2}{\mathrm{\γ}}& \tan \mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\γ}}_3}{{\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2}---(2-9)\end{array}$

注：关于风偏参数的取值：

风压不均匀系数α₀----当风速V<20m/s时，α₀=1.0；当20<=V<30时，α₀=0.85；当30<=V<35时，α₀=0.75；当V>=35时，α₀=0.7。

电线体型系数μ_sc----覆冰电线及电线外径小于17mm无冰电线，μ_sc=1.2；外径等于或大于17mm无冰电线μ_sc=1.1。

风压高度变化系数μ_z----μ^A _z=0.7936Z^0.24，μ^B _z=0.4786Z^0.32，μ^C _z=0.284Z^0.4。其中Z为导线架设高度，A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇及大城市郊区，C类指密集建筑群和大城市市区。

风压随风向的变化系数μ_θ----μ_θ=sin²θ，θ为风向与电线轴线间的夹角，一般取为90°。

导线覆冰预警的目的是通过一些测量参数计算得出导线的实际覆冰厚度，根据公式（2-3）和（2-4）可得到覆冰厚度计算公式为

$b=\sqrt{{\left(\frac{D}{2}\right)}^2+\frac{1000A{\mathrm{\&gamma;}}_2}{0.9\mathrm{\&pi;g}}}-\frac{D}{2}\left(\mathrm{mm}\right)---(2-21)$

由式（2-21）可见关键是求得导线的覆冰比载γ₂。

当导线覆冰时，导线的垂直比载为覆冰比载与自重比载之和，即

γ_v=γ₁+γ₂     (2-22)

根据公式（2-13），将参数转化为垂直投影面的参数，可得到垂直投影面内导线悬挂点处切线斜率为

$\begin{array}{cc}\tan {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{vA}}=\tan \mathrm{\&beta;}-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{v}l}{{2\mathrm{\&sigma;}}_o\cos \mathrm{\&beta;}};& \tan {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{vB}}=\tan \mathrm{\&beta;}+\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{v}l}{{2\mathrm{\&sigma;}}_o\cos \mathrm{\&beta;}}---(2-23)\end{array}$

假定测量得到倾角θ_vB，则有

$\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_v}{{\mathrm{\&sigma;}}_o}=\frac{2(\tan {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{vB}}-\tan \mathrm{\&beta;})\cos \mathrm{\&beta;}}{l}---(2-24)$

假定线路安装时的初始条件已知，即初始张力为σ_m，垂直比载为γ_vm，覆冰厚度为零，风速为V_m，气温为t_m；待求线路状态的参数分别设为σ_n、γ_vn、b、V_n和t_n，其中可测量得到V_n、t_n以及垂直投影面内导线悬挂点处倾角θ_vB。根据公式（2-20）可得到

${\mathrm{\&sigma;}}_n-\frac{E{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{vn}}}^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\&beta;}}{24{{\mathrm{\&sigma;}}_n}^2}(1+\frac{{\tan }^2{\mathrm{\&eta;}}_n}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}})={\mathrm{\&sigma;}}_m-\frac{E{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{vm}}}^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\&beta;}}{24{{\mathrm{\&sigma;}}_m}^2}(1+\frac{{\tan }^2{\mathrm{\&eta;}}_m}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}})-\mathrm{\&alpha;}E\cos \mathrm{\&beta;}(t_n-t_m)$ $(2-25)$

等式右边可通过已知参数求出，并将公式（2-24）代入等式左边，可将（2-25）写成如下形式

${\mathrm{\&sigma;}}_n-A(1+\frac{{\tan }^2{\mathrm{\&eta;}}_n}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}})=B---(2-26)$

其中，令 $\frac{2(\tan {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{vB}}-\tan \mathrm{\&beta;})\cos \mathrm{\&beta;}}{l}=A_1,$

$\frac{{\mathrm{El}}^2{\cos }^3\mathrm{\&beta;}}{24}{A_1}^2=A,$

${\mathrm{\&sigma;}}_m-\frac{E{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{vm}}}^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\&beta;}}{24{{\mathrm{\&sigma;}}_m}^2}(1+\frac{{\tan }^2{\mathrm{\&eta;}}_m}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}})-\mathrm{\&alpha;}E\cos \mathrm{\&beta;}(t_n-t_m)=B$

当风速较小时，式（2-26）中的tanη_n可忽略不计，则可直接求出σ_n为

σ_n=A+B     (2-27)

结合公式（2-22）及（2-24），即可得冰比载为

γ_2n=A₁(A+B)-γ_1n     (2-28)

代入公式（2-21）即可求得覆冰厚度b（mm）。

当风速较大导致tanη_n不可忽略时，将

代入公式（2-26），结合式（2-24），整理得到

${({\mathrm{\&gamma;}}_{1n}+{\mathrm{\&gamma;}}_{2n})}^3-A_1(A+B){({\mathrm{\&gamma;}}_{1n}+{\mathrm{\&gamma;}}_{2n})}^2-\frac{{\mathrm{AA}}_1}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}}{{\mathrm{\&gamma;}}_{3n}}^2=0---(2-29)$

结合比载计算公式（2-1、2-4、2-6）可知，公式（2-29）可转化为以覆冰厚度b为未知数的高阶方程，可通过牛顿逐渐趋近求解法进行求解得到。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种导线覆冰厚度监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S01：根据导线倾角计算覆冰厚度b；

步骤S02：根据视频画面计算覆冰厚度b₂；

步骤S03：比较覆冰厚度b和b₂，如差值△b超出一定范围，在视频画面保持一预定清晰度的前提下再次截取视频画面重新根据步骤S02计算导线覆冰厚度值b₂；如视频画面低于一预定清晰度，则以所述步骤S01的计算值作为最终结果；

步骤S04：将重新计算的厚度值b₂再次与b进行对比，如差值仍超过一预定范围，在给定范围内修正导线覆冰密度值b'和冰载荷值λ'；

步骤S05：在原导线倾角值和修正导线冰载荷值的基础上修正导线张力计算值σ。

2.根据权利要求1所述的导线覆冰厚度监测方法，其特征在于：所述步骤S01的实现方式是：

导线自重力单位荷载P1是导线单位长度的质量q（kg/m）与当地重力加速度g（m/s²）之积，工程中统一取g=9.80665（m/s²），因此P1的计算式为

P₁=9.80665q（N/m）     (2-1)

导线自重力比载γ1为导线单位截面上的自重力单位荷载，若导线总截面为A（mm²），则'γ1的计算式可写为

${\mathrm{\&gamma;}}_1=\frac{P_1}{A}(N/m\&CenterDot;{\mathrm{mm}}^2)---(2-2)$

对于导线上的覆冰荷载，工程上将导线上附着的各种类型及不同断面外形的覆冰均折算为密度为900（kg/m³）的圆形雨凇断面；当已知导线的外径D（mm）和覆冰厚度b（mm）时，其单位冰荷载P₂为

P₂=0.9πgb(b+D)×10^-3(N/m)     (2-3)

覆冰时的比载γ₂为

${\mathrm{\&gamma;}}_2=\frac{P_2}{A}(N/m\&CenterDot;{\mathrm{mm}}^2)---(2-4)$

导线上单位水平风荷载是指水平风向与导线轴线成θ角时在导线上产生与导线轴线成正交的单位长度上的风压；假定风速为V，单位风荷载和比载可写为

$P_3=\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}_o{V}^2(D+2b){\mathrm{\&alpha;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{sc}}{\mathrm{\&mu;}}_z{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{\&theta;}}\&times;{10}^{-3}(N/m)---(2-5)$

${\mathrm{\&gamma;}}_3=\frac{P_3}{A}(N/m\&CenterDot;{\mathrm{mm}}^2)---(2-6)$

式中标准空气密度ρ₀=1.25kg/m³，α₀、μ_sc、μ_z、μ_θ分别为风压不均匀系数、电线体形系数、风压高度变化系数、风向与导线轴线间的夹角为θ引起风压随风向的变化系数，μ_θ=sin2θ；

导线单位综合荷载及比载是其上述垂向分量与水平分量的向量和，可写为

$P={({(P_1+P_2)}^2+{P_3}^2)}^{\frac{1}{2}}(N/m)---(2-7)$

$\mathrm{\&gamma;}={({({\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&gamma;}}_2)}^2+{{\mathrm{\&gamma;}}_3}^2)}^{\frac{1}{2}}(N/m\&CenterDot;{\mathrm{mm}}^2)---(2-8)$

当无风时，风荷载为零，导线上仅作用有铅垂向下的垂直比载；当导线受到横向风荷载时，导线各点自垂直面内沿风向移动，直至偏移到综合比载的作用线上，导线风偏角是以综合比载作用线与铅垂线间的夹角η来表示，它有如下关系：

$\begin{array}{ccc}\sin \mathrm{\&eta;}=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_3}{\mathrm{\&gamma;}}& \cos \mathrm{\&eta;}=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&gamma;}}_2}{\mathrm{\&gamma;}}& \tan \mathrm{\&eta;}=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_3}{{\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&gamma;}}_2}---(2-9)\end{array}$

导线覆冰预警的目的是通过一些测量参数计算得出导线的实际覆冰厚度，根据公式（2-3）和（2-4）可得到覆冰厚度计算公式为

$b=\sqrt{{\left(\frac{D}{2}\right)}^2+\frac{1000A{\mathrm{\&gamma;}}_2}{0.9\mathrm{\&pi;g}}}-\frac{D}{2}\left(\mathrm{mm}\right)---(2-21)$

由式（2-21）可见关键是求得导线的覆冰比载γ₂；

当导线覆冰时，导线的垂直比载为覆冰比载与自重比载之和，即

γ_v=γ₁+γ₂     (2-22)

根据公式（2-13），将参数转化为垂直投影面的参数，可得到垂直投影面内导线悬挂点处切线斜率为

$\begin{array}{cc}\tan {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{vA}}=\tan \mathrm{\&beta;}-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{v}l}{{2\mathrm{\&sigma;}}_o\cos \mathrm{\&beta;}};& \tan {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{vB}}=\tan \mathrm{\&beta;}+\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{v}l}{{2\mathrm{\&sigma;}}_o\cos \mathrm{\&beta;}}---(2-23)\end{array}$

假定测量得到倾角θ_vB，则有

$\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_v}{{\mathrm{\&sigma;}}_o}=\frac{2(\tan {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{vB}}-\tan \mathrm{\&beta;})\cos \mathrm{\&beta;}}{l}---(2-24)$

假定线路安装时的初始条件已知，即初始张力为σ_m，垂直比载为γ_vm，覆冰厚度为零，风速为V_m，气温为t_m；待求线路状态的参数分别设为σ_n、γ_vn、b、V_n和t_n，其中可测量得到V_n、t_n以及垂直投影面内导线悬挂点处倾角θ_vB；根据公式（2-20）可得到

${\mathrm{\&sigma;}}_n-\frac{E{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{vn}}}^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\&beta;}}{24{{\mathrm{\&sigma;}}_n}^2}(1+\frac{{\tan }^2{\mathrm{\&eta;}}_n}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}})={\mathrm{\&sigma;}}_m-\frac{E{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{vm}}}^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\&beta;}}{24{{\mathrm{\&sigma;}}_m}^2}(1+\frac{{\tan }^2{\mathrm{\&eta;}}_m}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}})-\mathrm{\&alpha;}E\cos \mathrm{\&beta;}(t_n-t_m)$

$(2-25)$

等式右边可通过已知参数求出，并将公式（2-24）代入等式左边，可将（2-25）写成如下形式

${\mathrm{\&sigma;}}_n-A(1+\frac{{\tan }^2{\mathrm{\&eta;}}_n}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}})=B---(2-26)$

其中，令 $\frac{2(\tan {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{vB}}-\tan \mathrm{\&beta;})\cos \mathrm{\&beta;}}{l}=A_1,$

$\frac{{\mathrm{El}}^2{\cos }^3\mathrm{\&beta;}}{24}{A_1}^2=A,$

${\mathrm{\&sigma;}}_m-\frac{E{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{vm}}}^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\&beta;}}{24{{\mathrm{\&sigma;}}_m}^2}(1+\frac{{\tan }^2{\mathrm{\&eta;}}_m}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}})-\mathrm{\&alpha;}E\cos \mathrm{\&beta;}(t_n-t_m)=B$

当风速较小时，式（2-26）中的tanη_n可忽略不计，则可直接求出σ_n为

σ_n=A+B      (2-27)

结合公式（2-22）及（2-24），即可得冰比载为

γ_2n=A₁(A+B)-γ_1n      (2-28)

代入公式（2-21）即可求得覆冰厚度b（mm）；

当风速较大导致tanη_n不可忽略时，将

代入公式（2-26），结合式（2-24），整理得到

${({\mathrm{\&gamma;}}_{1n}+{\mathrm{\&gamma;}}_{2n})}^3-A_1(A+B){({\mathrm{\&gamma;}}_{1n}+{\mathrm{\&gamma;}}_{2n})}^2-\frac{{\mathrm{AA}}_1}{{\cos }^2\mathrm{\&beta;}}{{\mathrm{\&gamma;}}_{3n}}^2=0---(2-29)$

结合比载计算公式（2-1、2-4、2-6）可知，公式（2-29）可转化为以覆冰厚度b为未知数的高阶方程，可通过牛顿逐渐趋近求解法进行求解得到。

3.根据权利要求2所述的导线覆冰厚度监测方法，其特征在于：关于风偏参数的取值如下：

风压不均匀系数α₀----当风速V<20m/s时，α₀=1.0；当20<=V<30时，α₀=0.85；当30<=V<35时，α₀=0.75；当V>=35时，α₀=0.7；

电线体型系数μ_sc----覆冰电线及电线外径小于17mm无冰电线，μ_sc=1.2；外径等于或大于17mm无冰电线μ_sc=1.1；

风压高度变化系数μ_z----μ^A _z=0.7936Z^0.24，μ^B _z=0.4786Z^0.32，μ^C _z=0.284Z^0.4；其中Z为导线架设高度，A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇及大城市郊区，C类指密集建筑群和大城市市区；风压随风向的变化系数μ_θ----μ_θ=sin²θ，θ为风向与电线轴线间的夹角，一般取为90°。