CN109405881B - 基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置，包括左基座、右基座、基准导体Ⅰ、基准导体Ⅱ、融冰电阻丝、轴承、锥形连接体、滑动连接器、重力传感器Ⅰ、重力传感器Ⅱ、安装支架、中央控制系统和固定横杆；本装置基于冰层的介电特性，两个可旋转的基准导体构成两个电极，在基准导体覆冰以后，两个电极间的介质发生变化，因此其介电特性会发生变化，在电极的两端施加变频电源，利用皮安电流表测量电极之间的微小电流，当覆冰类型和厚度发生变化时，电极之间的电流也会发生变化，通过建立电极间电流随频率、覆冰类型和厚度的关系，可以获得基准导体上的覆冰状态。

Description

基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置

技术领域

本发明涉及输电线路在线监测技术领域，尤其涉及一种基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置。

背景技术

电网覆冰是一种严重的自然灾害，我国是受覆冰灾害最为严重的国家之一。随着全球气候变暖，全球极端气候频繁，其中大范围的覆冰灾害时有发生，尤其是在2008年1-2月，我国南方大部分区域遭受了有气象记录以来，最为严重的一次覆冰灾害，导致湖南、贵州、广东、云南、江西等省输电线路大面积、长时间停运，给国民经济和人民生活造成了巨大损失，直接经济损失超过1000亿元人民币。

电网覆冰可能造成输电线路过荷载、导线舞动、覆冰倒塔、绝缘子串覆冰闪络等故障，破坏电网结构，威胁电网安全，甚至使电网瘫痪。电网覆冰问题由来已久，它伴随着电力系统的出现而随之出现，尤其是在当前各大电网的互联和全球低温极端气候频发的背景下，输电线路覆冰问题也愈发严重。针对电网覆冰问题，国内外的学者开展了广泛和深入的研究，经过不懈的探索，也获得许多重要的成果。我国的研究学者在1976年，全国首次覆冰线路设计运行交流会议上，就提出了“避，抗，融，改，防”的五字方针，并成为重要的电网覆冰防治原则。为防止电网覆冰灾害的发生或扩大，从原理上将可分为电网防冰和除冰。不管是防冰，还是除冰，再采取这两种措施时，首先因掌握电网覆冰的状态，准确的获取电网覆冰的状态信息，是科学的进行电网防冰和除冰的前提条件。目前在电网覆冰监测中，采用视频监控，称重法和人工测量方法是电力系统中最为常见的方法。视频监控方法具有实时监测的功能，但难以准确的测量覆冰厚度，监控摄像头容易被覆冰或大雾覆盖，难以获取准确的电网覆冰状态信息。人工测量的方法虽然比较准确，但难以实现在线监测，不但效率较低，而且安全风险较高。称重方法通过拉力传感器可以实时的获取监测系统的拉力，并通过一定的算法获取等效的覆冰厚度，具有较强的可操作性，但受外力，如风的影响较大，尤其是对于长线路。电网覆冰易受风速、风向、降雨量和湿度等影响，导致其覆冰形状具有较大差异，给电网覆冰状态的评估带来一定难度。电网设备在设计时，均是以设备能承受的等效的覆冰厚度来设计。目前多采用等效覆冰厚度的获取方法主要有经验公式和旋转导体监测方法。其中经验公式是一种估算方法，估算精度不高，而旋转导体的监测方法是直接测量，具有较高的精度。旋转导体的监测方法采用了一般采用电动机作为驱动装置，使圆形的监测导体以一定的速度旋转，可以使旋转导体上的覆冰为圆形或接近圆形。这种方法需要提供一个电动机，需要提供一定的功率，同时旋转设备的可靠性也会影响到整个装置的可行性，同时电机的旋转速度对旋转导体的覆冰也有一定的影响，也会给覆冰的监测带来一定的测量误差。

发明内容

针对上述现有输电线路覆冰在线装置的不足，本发明提供了一种基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置，包括左基座、右基座、基准导体Ⅰ、基准导体Ⅱ、融冰电阻丝、轴承、锥形连接体、滑动连接器、重力传感器Ⅰ、重力传感器Ⅱ、安装支架、中央控制系统和固定横杆；

所述基准导体Ⅰ和基准导体Ⅱ的两端部分别通过轴承安装在左基座和右基座上，所述基准导体Ⅰ和基准导体Ⅱ呈上下布置；所述基准导体Ⅰ和基准导体Ⅱ为中空结构，所述基准导体Ⅰ和基准导体Ⅱ的中空腔内分别布置融冰电阻丝；

所述基准导体Ⅰ和基准导体Ⅱ的两端面分别固定安装有锥形连接体，所述锥形连接体由绝缘材料制成，且为空心结构；

每个锥形连接体的锥顶对应一个滑动连接器，所述滑动连接器包括金属凹型底座和导电的圆球滑动体，所述圆球滑动体安装在金属凹型底座的凹槽内并与凹槽壁滑动配合；左侧的滑动连接器的金属凹型底座安装在左基座上并与左基座绝缘连接，右侧的滑动连接器的金属凹型底座安装在右基座上并与右基座绝缘连接；所述锥形连接体的锥顶与对应的滑动连接器的圆球滑动体固定连接，所述融冰电阻丝的两端分别通过穿过对应的锥形连接体空心的融冰导线与对应的圆球滑动体连接；所述基准导体Ⅰ和基准导体Ⅱ还分别通过信号电缆与左基座上对应的圆球滑动体连接；

所述中央控制系统包括电源系统、电压电流测量单元和继电器开关组；所述电源系统包括调压变频电源和融冰电源；所述电压电流测量单元包括介电测量电流表A₁、融冰电流A₂、调压变频测量电压表V₁和融冰电压表V₂；所述继电器开关组包括介电测量开关K₁、融冰旁路开关K₂和融冰开关K₃；所述调压变频电源S₁的一端通过导线与介电测量电流表A₁的一端连接，介电测量电流表A₁的另一端通过导线与左基座上的一个滑动连接器的金属凹型底座连接，所述调压变频电源S₁的另一端通过导线与介电测量开关K₁的一端连接，所述介电测量开关K₁的另一端通过导线与左基座上的另一个滑动连接器的金属凹型底座连接，所述调压变频测量电压表V₁的两端并联在调压变频电源S₁的两端上，所述融冰旁路开关K₂的两端并联在介电测量电流表A₁的另一端和调压变频电源S₁的另一端上；所述融冰电源S₂的一端通过导线与融冰电流表A₂的一端连接，融冰电流表A₂的另一端通过导线与右基座上的一个滑动连接器的金属凹型底座连接，所述融冰电源S₂的另一端通过导线与融冰开关K₃的一端连接，所述融冰开关K₃的另一端通过导线与右基座上的另一个滑动连接器的金属凹型底座连接，所述融冰电压表V₂的两端并联在融冰电源S₂的两端上；

所述重力传感器Ⅰ和重力传感器Ⅱ的顶端分别连接在安装支架上，重力传感器Ⅰ的底部与左基座的顶端连接，所述重力传感器Ⅱ的底部与右基座的顶端连接；

所述固定横杆的两端分别穿过左基座和右基座的顶部，所述固定横杆的两端分别通过紧固螺母固定在左基座和右基座上。

作为本发明的一种优选方案，所述基准导体Ⅰ和基准导体Ⅱ的外径为20mm、30mm或40mm，且由金属铝或不锈钢制成的空心的圆柱体，所述基准导体Ⅰ和基准导体Ⅱ的长度为400mm、500mm或600mm。

作为本发明的另一种优选方案，所述基准导体Ⅰ和基准导体Ⅱ的间距应大于200mm。

作为本发明的一种改进方案，所述融冰电阻丝为带绝缘层的电阻丝，电阻丝采用“之”字形或“螺旋”形。

本发明的技术效果是：本装置基于冰层的介电特性，两个可旋转的基准导体构成两个电极，在基准导体覆冰以后，两个电极间的介质发生变化，因此其介电特性会发生变化，在电极的两端施加变频电源，利用皮安电流表测量电极之间的微小电流，当覆冰类型和厚度发生变化时，电极之间的电流也会发生变化，通过建立电极间电流随频率、覆冰类型和厚度的关系，可以获得基准导体上的覆冰状态；本装置同时装设了重力传感器，也可对覆冰重量进行测量，进一步的在基准导体内部装设了融冰电阻丝，可以对基准导体进行融冰；本装置的基准导体利用覆冰不均匀时产生的偏心力进行自转，无需增加旋转机械装置，即降低了装置的耗能，也增强了其可靠性；本装置结构简单，安装方便，可实现对输电线路覆冰状态的实时在线监测。

附图说明

图1为基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置的结构示意图；

图2为基准导体Ⅱ与右基座配合的结构示意图；

图3为冰层介电特性测量和融冰系统接线原理示意图。

图中：1—左基座；2—右基座；3—基准导体Ⅰ；4—基准导体Ⅱ；5—融冰电阻丝；6—轴承；7—锥形连接体；8—滑动连接器；81—金属凹型底座；82—圆球滑动体；9—重力传感器Ⅰ；10—重力传感器Ⅱ；11—安装支架；12—中央控制系统；13—固定横杆；14—紧固螺母；15—冰层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置包括左基座1、右基座2、基准导体Ⅰ3、基准导体Ⅱ4、融冰电阻丝5、轴承6、锥形连接体7、滑动连接器8、重力传感器Ⅰ9、重力传感器Ⅱ10、安装支架11、中央控制系统12和固定横杆13。

基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的两端部分别通过轴承6安装在左基座1和右基座2上，基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4呈上下布置。基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4为中空结构，基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的中空腔内分别布置融冰电阻丝5。基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的外径为20mm、30mm或40mm，为减轻基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的重量以减少其转动惯性，同时便于布置融冰电阻丝5，基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4由金属铝或不锈钢制成的空心的圆柱体，基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的长度为400mm、500mm或600mm。为减少基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4对空气流动的影响，从而导致基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4相互影响，改变基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的上的覆冰状况，基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的间距应大于200mm。

融冰电阻丝5为带绝缘层的电阻丝，电阻丝的发热功率应根据基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的质量，融冰的速度等决定，融冰电阻丝5为带绝缘层的电阻丝，电阻丝采用“之”字形或“螺旋”形，基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4均需装设融冰电阻丝5。

左基座1和右基座2由金属或绝缘材料制成，其机械强度应能满足能支撑该装置的重量和装置覆冰以后的重量。轴承6为滚动轴承，本装置包含4个参数相同的轴承，轴承的尺寸应与基准导体Ⅰ3、基准导体Ⅱ4、左基座1和右基座2的安装孔尺寸配合，为减小基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的转动惯性，滚动轴承应尽可能的小。

基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4的两端面分别固定安装有锥形连接体7，锥形连接体7由绝缘材料制成，且为空心结构，以便于安装融冰和测量导线。

每个锥形连接体7的锥顶对应一个滑动连接器8，滑动连接器8包括金属凹型底座81和导电的圆球滑动体82，圆球滑动体82安装在金属凹型底座81的凹槽内并与凹槽壁滑动配合，如图2所示。左侧的滑动连接器8的金属凹型底座81安装在左基座1上并与左基座1绝缘连接，右侧的滑动连接器8的金属凹型底座81安装在右基座2上并与右基座2绝缘连接，在本实施例中，左基座1和右基座2为绝缘型，若左基座1和右基座2为金属材料，则需要将左基座1和右基座2与凹型底座绝缘连接。锥形连接体7的锥顶与对应的滑动连接器8的圆球滑动体82固定连接，融冰电阻丝5的两端分别通过穿过对应的锥形连接体7空心的融冰导线与对应的圆球滑动体82连接；基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4还分别通过信号电缆与左基座1上对应的圆球滑动体82连接。

中央控制系统12包括电源系统、电压电流测量单元和继电器开关组。电源系统包括调压变频电源和融冰电源。电压电流测量单元包括介电测量电流表A₁、融冰电流A₂、调压变频测量电压表V₁和融冰电压表V₂。继电器开关组包括介电测量开关K₁、融冰旁路开关K₂和融冰开关K₃，如图3所示。调压变频电源S₁的一端通过导线与介电测量电流表A₁的一端连接，介电测量电流表A₁的另一端通过导线与左基座1上的一个滑动连接器8的金属凹型底座81连接，调压变频电源S₁的另一端通过导线与介电测量开关K₁的一端连接，介电测量开关K₁的另一端通过导线与左基座1上的另一个滑动连接器8的金属凹型底座81连接，调压变频测量电压表V₁的两端并联在调压变频电源S₁的两端上，融冰旁路开关K₂的两端并联在介电测量电流表A₁的另一端和调压变频电源S₁的另一端上。融冰电源S₂的一端通过导线与融冰电流表A₂的一端连接，融冰电流表A₂的另一端通过导线与右基座2上的一个滑动连接器8的金属凹型底座81连接，融冰电源S₂的另一端通过导线与融冰开关K₃的一端连接，融冰开关K₃的另一端通过导线与右基座2上的另一个滑动连接器8的金属凹型底座81连接，融冰电压表V₂的两端并联在融冰电源S₂的两端上。

安装支架11为金属材质制成，能承受装置的重量以及覆冰后的重量，安装支架11固定于输电线路地铁或其他建筑物上，安装高度要求与其所监测的输电线路或需要监测的构筑物在同等高度。

重力传感器Ⅰ9和重力传感器Ⅱ10的顶端分别连接在安装支架11上，重力传感器Ⅰ9的底部与左基座1的顶端连接，重力传感器Ⅱ10的底部与右基座2的顶端连接。在本实施例中，重力传感器Ⅰ9和重力传感器Ⅱ10的信号输出线分别通过同轴信号电缆与中央控制系统12相连。

固定横杆13的两端分别穿过左基座1和右基座2的顶部，固定横杆13的两端均有一定长度的螺纹，固定横杆13的两端分别通过紧固螺母14固定在左基座1和右基座2上。

本装置有两种工作模式，即覆冰测量模式和融冰模式，当处于覆冰测量模式时，需闭合介电测量开关K₁，同时打开融冰旁路开关K₂和融冰开关K₃，两个基准导体构成两个电极，通过调压变频电源S₁输出不同频率和不同电压信号，并通过调压变频电源电压表V₁进行监测，介电测量电流表A₁检测流过两个电极的电流，获得两个电极间介质的介电特性，当基准导体上有覆冰时，将改变两个电极间的介质，从而影响其介电特性的变化，通过检测这样的变化，从而推算出覆冰的厚度和类型。当装置处于融冰模式时，需断开介电测量开关K₁，同时闭合融冰旁路开关K₂和融冰开关K₃，由融冰电源S₂提供融冰电流，融冰电流表A₂监测融冰电流的大小，融冰电源S₂的电压可调，从而调节融冰电流的大小，融冰电源电压由融冰电压表V₂进行监测。

本装置基于冰层的介电特性，可旋转的基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4构成两个电极，在基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4覆冰以后，两个电极间的介质发生变化，因此其介电特性会发生变化，在电极的两端施加变频电源，利用皮安电流表测量电极之间的微小电流，当覆冰类型和厚度发生变化时，电极之间的电流也会发生变化，通过建立电极间电流随频率、覆冰类型和厚度的关系，可以获得基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4上的覆冰状态。本装置同时装设了重力传感器Ⅰ9和重力传感器Ⅱ10，也可对冰层15的重量进行测量，进一步的在基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4内部装设了融冰电阻丝5，可以对基准导体Ⅰ3和基准导体Ⅱ4进行融冰；本装置的基准导体利用覆冰不均匀时产生的偏心力进行自转，无需增加旋转机械装置，即降低了装置的耗能，也增强了其可靠性；本装置结构简单，安装方便，可实现对输电线路覆冰状态的实时在线监测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置，其特征在于：包括左基座(1)、右基座(2)、基准导体Ⅰ(3)、基准导体Ⅱ(4)、融冰电阻丝(5)、轴承(6)、锥形连接体(7)、滑动连接器(8)、重力传感器Ⅰ(9)、重力传感器Ⅱ(10)、安装支架(11)、中央控制系统(12)和固定横杆(13)；

所述基准导体Ⅰ(3)和基准导体Ⅱ(4)的两端部分别通过轴承(6)安装在左基座(1)和右基座(2)上，所述基准导体Ⅰ(3)和基准导体Ⅱ(4)呈上下布置；所述基准导体Ⅰ(3)和基准导体Ⅱ(4)为中空结构，所述基准导体Ⅰ(3)和基准导体Ⅱ(4)的中空腔内分别布置融冰电阻丝(5)；

所述基准导体Ⅰ(3)和基准导体Ⅱ(4)的两端面分别固定安装有锥形连接体(7)，所述锥形连接体(7)由绝缘材料制成，且为空心结构；

每个锥形连接体(7)的锥顶对应一个滑动连接器(8)，所述滑动连接器(8)包括金属凹型底座(81)和导电的圆球滑动体(82)，所述圆球滑动体(82)安装在金属凹型底座(81)的凹槽内并与凹槽壁滑动配合；左侧的滑动连接器(8)的金属凹型底座(81)安装在左基座(1)上并与左基座(1)绝缘连接，右侧的滑动连接器(8)的金属凹型底座(81)安装在右基座(2)上并与右基座(2)绝缘连接；所述锥形连接体(7)的锥顶与对应的滑动连接器(8)的圆球滑动体(82)固定连接，所述融冰电阻丝(5)的两端分别通过穿过对应的锥形连接体(7)空心的融冰导线与对应的圆球滑动体(82)连接；所述基准导体Ⅰ(3)和基准导体Ⅱ(4)还分别通过信号电缆与左基座(1)上对应的圆球滑动体(82)连接；

所述中央控制系统(12)包括电源系统、电压电流测量单元和继电器开关组；所述电源系统包括调压变频电源和融冰电源；所述电压电流测量单元包括介电测量电流表A₁、融冰电流A₂、调压变频测量电压表V₁和融冰电压表V₂；所述继电器开关组包括介电测量开关K₁、融冰旁路开关K₂和融冰开关K₃；所述调压变频电源S₁的一端通过导线与介电测量电流表A₁的一端连接，介电测量电流表A₁的另一端通过导线与左基座(1)上的一个滑动连接器(8)的金属凹型底座(81)连接，所述调压变频电源S₁的另一端通过导线与介电测量开关K₁的一端连接，所述介电测量开关K₁的另一端通过导线与左基座(1)上的另一个滑动连接器(8)的金属凹型底座(81)连接，所述调压变频测量电压表V₁的两端并联在调压变频电源S₁的两端上，所述融冰旁路开关K₂的两端并联在介电测量电流表A₁的另一端和调压变频电源S₁的另一端上；所述融冰电源S₂的一端通过导线与融冰电流表A₂的一端连接，融冰电流表A₂的另一端通过导线与右基座(2)上的一个滑动连接器(8)的金属凹型底座(81)连接，所述融冰电源S₂的另一端通过导线与融冰开关K₃的一端连接，所述融冰开关K₃的另一端通过导线与右基座(2)上的另一个滑动连接器(8)的金属凹型底座(81)连接，所述融冰电压表V₂的两端并联在融冰电源S₂的两端上；

所述重力传感器Ⅰ(9)和重力传感器Ⅱ(10)的顶端分别连接在安装支架(11)上，重力传感器Ⅰ(9)的底部与左基座(1)的顶端连接，所述重力传感器Ⅱ(10)的底部与右基座(2)的顶端连接；

所述固定横杆(13)的两端分别穿过左基座(1)和右基座(2)的顶部，所述固定横杆(13)的两端分别通过紧固螺母(14)固定在左基座(1)和右基座(2)上。

2.根据权利要求1所述的基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置，其特征在于：所述基准导体Ⅰ(3)和基准导体Ⅱ(4)的外径为20mm、30mm或40mm，且由金属铝或不锈钢制成的空心的圆柱体，所述基准导体Ⅰ(3)和基准导体Ⅱ(4)的长度为400mm、500mm或600mm。

3.根据权利要求1所述的基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置，其特征在于：所述基准导体Ⅰ(3)和基准导体Ⅱ(4)的间距应大于200mm。

4.根据权利要求1所述的基于冰层介电特性和旋转导体的输电线路覆冰监测装置，其特征在于：所述融冰电阻丝(5)为带绝缘层的电阻丝，电阻丝采用“之”字形或“螺旋”形。

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