CN105258664A

CN105258664A - 输电线路等值覆冰厚度获得方法

Info

Publication number: CN105258664A
Application number: CN201510765526.3A
Authority: CN
Inventors: 范松海; 刘益岑; 吴天宝; 龚奕宇
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2035-11-11
Also published as: CN105258664B

Abstract

一种输电线路等值覆冰厚度获得方法，包括：测量输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力、输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力以及悬垂绝缘子串的风偏角；根据获得输电线路等值覆冰厚度，其中，D_i为输电线路等值覆冰厚度，F_o为输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力，F_i为输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力，α为悬垂绝缘子串的风偏角，σ_c为输电线路的导线线密度，ρ_i为覆冰密度，R_c为输电线路的导线半径，g为重力加速度。本发明提供的输电线路等值覆冰厚度获得方法计算结果准确、具有通用性。

Description

输电线路等值覆冰厚度获得方法

技术领域

本发明涉及输电线路监测技术领域，特别涉及一种输电线路等值覆冰厚度获得方法。

背景技术

近年来，输电线路覆冰引发的大面积闪络、金具损坏、线路舞动、倒杆(塔)、断线甚至大范围停电等事故对电网的安全运行造成了严重的威胁。我国是输电线路覆冰情况严重的国家之一，2008年初我国南方大范围冰雪灾害中，全国直接经济损失超过了1000亿元，因而有效地进行冰灾防治是保证我国电网稳定运行发展的首要问题。

目前，国内外学者在输电线路覆冰机理、导线次风荷载的计算方面，取得了大量的理论成果。在覆冰在线监测及预警技术方面，也研制出了一些装置并得以挂线运行。但从国内实际运行情况来看，现有装置还存在许多不足，远没有达到大规模推广应用的程度。拉力在线监测是掌握输电线路覆冰状况的重要手段和技术，该技术通过覆冰在线拉力监测装置实时监测输电线路悬垂绝缘子悬垂拉力的变化以反映导线覆冰状况。然而，目前各拉力传感器生产厂家自行开发的覆冰厚度计算公式不统一，适用环境不同，同等条件下的计算结果相差较大。并且，现有的计算公式过于复杂，所需参数较多，部分参数难以获取，给计算结果带来较大的误差，其工程应用性较差。

发明内容

本发明所要解决的是输电线路覆冰厚度的计算公式复杂、通用性差、计算结果误差大的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种输电线路等值覆冰厚度获得方法，包括：测量输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力、输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力以及悬垂绝缘子串的风偏角；根据获得输电线路等值覆冰厚度，其中，D_i为输电线路等值覆冰厚度，F_o为输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力，F_i为输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力，α为悬垂绝缘子串的风偏角，σ_c为输电线路的导线线密度，ρ_i为覆冰密度，R_c为输电线路的导线半径，g为重力加速度。

通过测量输电线路覆冰前后对悬垂绝缘子串的拉力，对输电线路覆冰前后对悬垂绝缘子串的拉力进行分解，二者在垂直方向上的分力之差即为覆冰重力。而覆冰呈圆柱形均匀分布在导线表面，覆冰重力还可以根据覆冰密度获得。根据覆冰重力的两种获得方式，可以建立以等值覆冰厚度为未知数的方程式，求解该方程式即可以获得等值覆冰厚度。与现有技术中通过测量输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力计算覆冰厚度不同，本发明通过测量输电线路覆冰前后对悬垂绝缘子串的拉力和悬垂绝缘子串的风偏角，计算公式简单，获得等值覆冰厚度所需参数少，因而采用该方法更具通用性。

可选的，输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力、输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力以及悬垂绝缘子串的风偏角通过在线监测装置测量。

可选的，输电线路的导线线密度、输电线路的导线半径以及覆冰密度通过输电线路台账获得。

可选的，输电线路覆冰为雨凇覆冰。

可选的，覆冰密度为0.9克/立方厘米。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的输电线路等值覆冰厚度获得方法，提出了一种简化的等值覆冰厚度计算模型，依据该模型只需知道输电线路覆冰前后对悬垂绝缘子串的拉力、悬垂绝缘子串的风偏角以及导线型号就可以计算出准确性高的等值覆冰厚度，因而该计算模型更具有通用性。

附图说明

图1是本发明实施例采用在线监测装置测量输电线路覆冰的结构示意图；

图2是本发明实施例的输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力分解示意图；

图3是本发明实施例的输电线路覆冰后的横截面结构示意图；

图4是本发明实施例采用塑料管模拟输电线路覆冰进行验证的结构示意图。

具体实施方式

拉力在线监测是掌握输电线路覆冰状况的重要手段，目前普遍采用的输电线路等值覆冰厚度的计算公式为：

D_{i} = \frac{1}{2} \times \sqrt{\frac{4 \times (F_{i} \times c o s α - σ_{c} \times g \times L_{o})}{π \times g \times ρ_{i} \times L_{i}} + D^{2}} - \frac{1}{2} \times D

公式(1)。

其中，D_i为输电线路等值覆冰厚度，F_i为输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力，α为悬垂绝缘子串的风偏角，σ_c为输电线路的导线线密度，g为重力加速度，L_o为覆冰前垂直档距内的线路长度，L_i为覆冰后垂直档距内的线路长度，ρ_i为覆冰密度，D为输电线路的导线直径。从公式(1)可以看出，现有输电线路等值覆冰厚度的计算需要获得覆冰前垂直档距内的线路长度和覆冰前后垂直档距内的线路长度差，此两个参数在工程中难以准确获取。并且，公式(1)的计算模型仅适用于特定杆塔，其通用性很差。基于此，本发明通过对拉力监测数据的长期跟踪分析，提出了一种简化的等值覆冰厚度计算模型。该模型依据覆冰重力的两种获得方式，建立以等值覆冰厚度为未知数的方程式以求解获得输电线路的等值覆冰厚度。依据该计算模型，只需知道输电线路覆冰前后对悬垂绝缘子串的拉力、悬垂绝缘子串的风偏角以及导线型号就可以计算出准确性高的等值覆冰厚度，因而该计算模型更具有通用性。

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例提供的输电线路等值覆冰厚度获得方法包括：

步骤S1：测量输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力、输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力以及悬垂绝缘子串的风偏角。具体地，输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力、输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力以及悬垂绝缘子串的风偏角可以通过在线监测装置测量。以测量输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力为例，图1是输电线路覆冰后的结构示意图。输电线路覆冰后，采用拉力传感器11获得输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串12的拉力F_i。测量输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串12的拉力与测量输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串12的拉力F_i类似，悬垂绝缘子串的风偏角也可以采用现有的风偏角监测装置获得。为方便描述，在本发明实施例中输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串12的拉力用F_o表示，悬垂绝缘子串的风偏角用α表示，覆冰后垂直档距内的线路长度用L_i表示。

步骤S2：根据获得输电线路等值覆冰厚度，其中，D_i为输电线路等值覆冰厚度，σ_c为输电线路的导线线密度，ρ_i为覆冰密度，R_c为输电线路的导线半径，g为重力加速度。

图2是本发明实施例的输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串12的拉力分解示意图。根据力平衡关系，有：

G_i＝F_i×cosα公式(2)。

其中，G_i为输电线路覆冰后的重力，即输电线路覆冰后的重力G_i与输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串12的拉力F_i在垂直方向上的分力大小相等。同理，有：

G_o＝F_o×cosα公式(3)。

其中，G_o为输电线路覆冰前的重力，即输电线路覆冰前的重力G_o与输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串12的拉力F_o在垂直方向上的分力大小相等。结合公式(2)和公式(3)，有：

G_ice＝G_i-G_o＝(F_i-F_o)×cosα公式(4)。

其中，G_ice为覆冰重力。

与现有的等值覆冰厚度计算模型相同，本发明实施例也是基于以下条件获得输电线路等值覆冰厚度：覆冰呈圆柱形均匀分布在导线表面；拉力监测装置相邻档的导线为均匀覆冰；忽略悬垂绝缘子串的重量、金具重量以及金具的覆冰重量。因此，可以用图3表示本发明实施例的输电线路覆冰后的横截面结构。根据圆柱体的质量计算方式，有：

公式(5)。

其中，M_ice为覆冰质量。因此，覆冰重力又可以表示为：

公式(6)。

根据公式(4)和公式(6)获得：

公式(7)。

对公式(7)进行变形：

\frac{π \times [{(R_{c} + D_{i})}^{2} - {R_{c}}^{2}] \times ρ_{i} \times L_{i} \times g}{F_{o}} = \frac{(F_{i} - F_{o}) \times c o s α}{F_{o}}

公式(8)。

忽略覆冰前后垂直档距内的线路长度变化，有：

\frac{π \times [{(R_{c} + D_{i})}^{2} - {R_{c}}^{2}] \times ρ_{i} \times L_{i} \times g}{σ_{c} \times L_{i}} = \frac{(F_{i} - F_{o}) \times c o s α}{F_{o}}

公式(9)。

以输电线路等值覆冰厚度D_i为未知数求解公式(9)，就可以获得输电线路等值覆冰厚度的计算公式：

D_{i} = \sqrt{\frac{(F_{i} - F_{o}) \times c o s α \times σ_{c}}{F_{o} \times π \times ρ_{i} \times g} + {R_{c}}^{2}} - R_{c}

公式(10)。

需要说明的是，输电线路的导线线密度σ_c、输电线路的导线半径R_c以及覆冰密度ρ_i可以通过输电线路台账获得。输电线路的覆冰类型不一样，覆冰密度ρ_i也不相同。例如，若在本实施例中将输电线路覆冰等效为雨凇覆冰，则计算时覆冰密度ρ_i为0.9克/立方厘米。

为更好地说明本发明实施例的效果，发明人采用塑料管模拟输电线路覆冰进行实验，模拟输电线路覆冰的结构示意图如图4所示。具体地，以内径为25mm、外径为33mm、线密度为0.472kg/m的塑料管模拟输电线路，在中间杆塔固定拉力计41，并将塑料管中部适当位置悬挂于拉力计41的挂钩处以模拟覆冰在线监测装置及其工作状态。其中，D1为小号侧档距，D2为大号侧档距，L1为D1档距内导线长度，L2为D2档距内导线长度，H1、H2和H3为悬挂点高度，41为拉力计。本次实验步骤如下：

一、设置档距以及悬挂点高度，采用拉力计41测量塑料管原始拉力F0；

二、向塑料管中注水表示覆冰，采用拉力计41测量注水后拉力F1；

三、将塑料管的线密度和水密度代入公式(10)计算得到塑料管的内径值R1(塑料管的内径值即模拟的覆冰厚度)，并将计算得到塑料管的内径值R1与塑料管的实际内径值R2相比较以获得测量误差；

四、改变档距以及悬挂点高度，重复步骤一～步骤三。

需要说明的是，以常用的LGJ-400/35导线为例，在覆冰20mm、风速10m/s时，导线风荷载(即横向荷载)为4.9N/m，垂直荷载为自重加冰重荷载，为39.2N/m。假设某直线杆塔与前后杆塔高程一致，则悬垂绝缘子串的风偏角约为7.2°，则cosα＝0.992，可看到风偏给拉力测量带来的误差不超过0.8％。因此，在此次验证中忽略风偏角的影响。本次实验结果如表一所示：

表一

F0/N	F1/N	R1/mm	R2/mm	相对误差
					17.0	34.8	12.5456	12.5	0.36％
15.2	30.9	12.4605	12.5	-0.32％
					15.5	31.8	12.5729	12.5	0.58％
12.1	24.4	12.3804	12.5	-0.96％
					11.2	22.8	12.4372	12.5	-0.50％
11.5	23.7	12.5855	12.5	0.68％
					15.1	30.5	12.3816	12.5	0.36％
15.8	32.0	12.4147	12.5	-0.32％
					19.5	40.0	12.5709	12.5	0.58％
18.2	36.9	12.4277	12.5	-0.96％
					22.3	45.6	12.5323	12.5	-0.50％
20.5	42.2	12.6142	12.5	0.68％

从表一可以看出，采用本发明实施例的输电线路等值覆冰厚度获得方法，获得的覆冰厚度误差小、准确性高。本次实验还验证了档内导线长度以及杆塔高度对覆冰厚度的影响。

具体地，移动支架位置并改变塑料管长度，实验结果如表二所示：

表二

L1/m	L2/m	F0/N	F1/N	R1/mm	R2/mm	相对误差
							3.99	4.27	17.0	34.8	12.5456	12.5	0.36％
3.99	2.8	15.2	30.9	12.4605	12.5	-0.32％
							2.78	4.27	15.5	31.8	12.5729	12.5	0.58％
2.78	2.8	12.1	24.4	12.3804	12.5	-0.96％
							2.53	2.66	11.2	22.8	12.4372	12.5	-0.50％
2.53	2.8	11.5	23.7	12.5855	12.5	0.68％

实验结果表明，相对误差的绝对值不超过1％，个别误差可视为非系统误差。改变档内导线长度对测量结果的影响非常小，可忽略。因此，可忽略覆冰前后垂直档距内的线路长度变化。

通过改变支架高度模拟杆塔高差变化，实验结果如表三所示：

表三

H1/m	H2/m	H3/m	F0/N	F1/N	R1/mm	R2/mm	相对误差
								210	168	252	15.1	30.5	12.3816	12.5	-0.95％
252	168	210	15.8	32.0	12.4147	12.5	-0.68％
								210	210	210	19.5	40.0	12.5709	12.5	0.57％
168	210	252	18.2	36.9	12.4277	12.5	-0.58％
								168	252	210	22.3	45.6	12.5323	12.5	0.26％
210	210	168	20.5	42.2	12.6142	12.5	0.91％

实验结果表明，相对误差的绝对值不超过1％，个别误差可视为非系统误差。因此，改变杆塔高差对测量结果影响非常小，可忽略。

为了开展现场数据验证，发明人选取了具有典型覆冰过程的500kV月普一线、城沐二线的观冰数据计算等值覆冰厚度。杆塔详细参数如表四所示：

表四

线路名称	月普一线	城沐二线
			杆塔号	64	51
导线单位自重kg/m	2.058kg/m	1.68kg/m
			导线分裂数	4	4
导线直径mm	33.6	30
			导线温度系数	2.09E-05	2.05E-05
小号侧挂点高差m	134.9	159
			小号侧档距m	396	546
大号侧挂点高差m	53.3	65.7
			大号侧档距m	197	198
挂点绝缘子串总重量kg	592.8	756.08

采用本发明实施例提供的方法计算等值覆冰厚度的结果如表五所示：

表五

同时，发明人将杆塔信息以及监测到的拉力、风偏以及杆塔基本参数发给三个覆冰在线监测装置厂家进行计算，厂家返回的计算结果如表六所示：

表六

从表五和表六可以看出，采用本发明实施例提供的方法获得覆冰厚度的相对误差不超过20％，而厂家计算值则出现很大的偏差。尽管现场覆冰类型多样(包括雨凇、混合淞、雾凇等)，观冰手段大多通过模拟导线等效或目测，观冰值存在一定误差。但经过现场试验验证，本发明实施例提供的输电线路等值覆冰厚度获得方法，计算结果与现场观冰值之间的平均相对误差为0.92％，最大相对偏差为17.89％，远低于各厂家的计算返回值。因此，本发明提供的输电线路等值覆冰厚度获得方法计算结果准确、更具有通用性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种输电线路等值覆冰厚度获得方法，其特征在于，包括：

测量输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力、输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力以及悬垂绝缘子串的风偏角；

根据获得输电线路等值覆冰厚度，其中，D_i为输电线路等值覆冰厚度，F_o为输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力，F_i为输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力，α为悬垂绝缘子串的风偏角，σ_c为输电线路的导线线密度，ρ_i为覆冰密度，R_c为输电线路的导线半径，g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的输电线路等值覆冰厚度获得方法，其特征在于，输电线路覆冰前对悬垂绝缘子串的拉力、输电线路覆冰后对悬垂绝缘子串的拉力以及悬垂绝缘子串的风偏角通过在线监测装置测量。

3.根据权利要求1所述的输电线路等值覆冰厚度获得方法，其特征在于，输电线路的导线线密度、输电线路的导线半径以及覆冰密度通过输电线路台账获得。

4.根据权利要求1所述的输电线路等值覆冰厚度获得方法，其特征在于，输电线路覆冰为雨凇覆冰。

5.根据权利要求4所述的输电线路等值覆冰厚度获得方法，其特征在于，覆冰密度为0.9克/立方厘米。