CN109580067A - 一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法。具体涉及这样一种方法，它在超高压架线施工紧线作业过程中，当实时弧垂超过安全值范围时发出预警信号。本发明将基于应力弧垂曲线设计一套高电压输电线路紧线预警方法，该方法采用张力传感器监测拉线过程中的导线应力，通过应力弧垂关系曲线分析拉线过程中的实时导线弧垂，通过与由相关规程要求给出的弧垂安全值进行比较，做出安全与否的判断，在实时弧垂超过安全值范围的情况下发出预警信号。同时，系统在首末两端设置的传感器也会将实时轴向拉力数据传给上位机，并将两个拉力数据水平分量作差，如果发现两端拉力变化相差较大，也会发出预警信号。

Description

一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法

技术领域

本发明涉及一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法。具体涉及 这样一种方法，它在超高压架线施工紧线作业过程中，当实时弧垂超过安全值范 围时发出预警信号。

背景技术

在超高压输电线路的设计以及紧线施工作业过程中，导线的应力与弧垂的大 小对输电线路的安全供电以及运行至关重要。架空线的应力过大,会对杆塔、横 担以及绝缘子串产生过大的拉力,超过最大许用应力时可能发生断线或者倒塔事 故；而过大的弧垂可能会与低处的某些导体或其他物体接触,产生相地短路引发 停电事故。可以看出，架空线的弧垂应力过大或者过小都会带来许多安全隐患。

架空线在运行的过程中，由于各种因素会导致线长的变化，这个变化一般 很微小，但是会造成弧垂和应力很大的改变。因此合理地设计架空线的弧垂，对 保证超高压输电线路的安全稳定运行非常重要。架空线运行过程中的导线应力应 保证无论气象条件怎样变化，都不超过最大许用应力。而在整个架线施工过程中， 紧线耐张段较高悬挂点处的应力是架空线应力最大值。

传统的紧线观测档原则是：在耐张段的连续档内，应选择一个适当档距作 为观测弧垂；选择的条件宜为整个耐张段的中间或接近中间的较大弧垂,并且以 悬挂点高差较小者作为观测弧垂；若在一个耐张段的档数为7-15档时，应在两端 分别选择两个观测档；15档以上的耐张段，应分别选择三个耐张段。

目前在输电线路的紧线作业过程中，主要存在以下四个问题：

一是当前配电网输电线路的紧线施工过程中，基本上都是根据施工人员的经 验进行紧线操作的。虽然这样做方便快捷，但是判断失误造成的后果却很严重， 因为在输电线路中架空线的弧垂值的大小非常重要，过大或过小的弧垂都会造成 严重的后果。如果不对拉线过程中的弧垂进行准确监控，极有可能出现拉线绷断， 导致铁塔、导线和人员安全问题。

二是在常规张力架线工程紧线施工作业过程中，都是通过设立观测点计算观 测弧垂来控制架线应力的大小，但是观测或计算存在不可避免的误差，在有些情 况下甚至无法观测。

三是现有的研究对超高压输电线路缺少精确的仿真，在具体的施工项目中无 法精确地计算出输电线路张力架线施工过程中架空线各点的张力大小。所以在具 体的工程项目中，架线施工主要根据施工人员的经验来进行，给架线工程的质量 和安全带来了不少隐患。

四是当前的架线施工中，对放线处和紧线处的应力值关系缺少分析，如果 中间滑动线夹发生堵死，放线处应力值变化和紧线处应力值变化不同步，导致紧 线过程一直进行最后发生断线事故。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明将基于应力弧垂曲线设计一套 高电压输电线路紧线预警系统，该系统采用张力传感器监测拉线过程中的导线应 力，通过应力弧垂关系曲线分析拉线过程中的实时导线弧垂，通过与由相关规程 要求给出的弧垂安全值进行比较，做出安全与否的判断，在实时弧垂超过安全值 范围的情况下发出预警信号。同时，系统在首末两端设置的传感器也会将实时轴 向拉力数据传给上位机，并将两个拉力数据水平分量作差，如果发现两端拉力变 化相差较大，也会发出预警信号。

为实现上述目的，本发明提供了一系列设备和方法用于测量和分析应力与弧 垂的关系，具体布置如下：

本发明在首端放线处设置一组复合传感器，包含张力传感器和角度传感器； 在连续档中寻找最大档距的两个直线杆塔，在两杆塔靠近最大档距侧各设置一组 复合传感器，包含有改进型压力传感器，位移传感器以及精确定位系统。

本发明在首末两端设置的传感器用于测量放线和紧线的拉力变化，这种变化 是通过接收到的两端水平应力差值来反映的。而每个传感器本身测量的轴向应力 也具有一定参考值范围。

本发明在档距最大两侧直线杆塔近最大档距侧设置的两组复合传感器，用于 测量轴向应力，获得导线悬挂点的三维位置以及导线悬挂点两端与水平的角度。 这些数据通过处理无线传递到系统终端，计算分析得到最大档距之间的弧垂高度。 该高度将随紧线过程动态变化，可以监测弧垂高度的变化，指导施工人员完成紧 线任务。

本发明主要适用于连续档中包含的档数为5-9档的输电线路紧线工程，如果 档数高于9档，则设置至少2个观测档，每个观测档增加两组传感器。

方法包括：

监测连续档放线和紧线应力，并测量连续档最大档距两悬点处应力，任意发 生以下两种判断结果均判定发生故障：

判定一，即首末两端应力判定：

根据放线和紧线水平应力大小判断是否接近拉断应力，根据二者水平分量之 差的变化情况判断拉线过程是否遭遇故障；

判定二，即最大档距弧垂值判定：

弧垂与档距之比小于0.2～0.3时，根据最大档距的最低点水平应力计算最大 连续档弧垂；

弧垂与档距之比大于0.2～0.3时，对连续档内所有档距进行分析；

根据首末两端应力和最大档距弧垂值的联合判据，判断是否在安全值范围。

根据首末两端应力和最大档距弧垂值的联合判据，目的在于从导线应力和弧 垂两个方面来对紧线过程进行监测。应力监测设备置于首末两端是因为以往多次 事故发生末端紧线的位置。弧垂监测是本系统的关键，其大小对输电线路的安全 供电以及运行至关重要。

在上述的一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，弧垂与档距 之比的判断阈值为0.25。

在上述的一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，采用复合传 感器监测连续档放线和紧线应力，包括：分别置于线路首段放线处和线路末端紧 线处的应力传感器和倾角传感器，获得应力数据可直接和线路参考应力值作比较， 超出参考值则发出预警信号；二者水平应力之差可由轴向应力的水平分量作差求 得。依据这个差值的变化，当变化超出安全值范围时，很有可能是连续档线路紧 线过程遭遇阻塞，系统因此发出预警信号。

在上述的一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，采用复合传 感器测量连续档最大档距两悬点处应力时，弧垂与档距比值在0.25以下时，观 测档要求安排在最大档距处，具体是：参考模型为斜抛物线情况下，架空线的比 载沿斜档距均匀分布。最大弧垂与档距的平方成正比，所以其他条件相同，档距 越大弧垂越大，通过测量最大档距的弧垂，使其满足设计要求则能保证连续档其 他位置弧垂满足要求；任一点弧垂与高差h没有直接关系，因此对于同样大小的 档距，在档距中央弧垂相等的情况下，等高悬点和不等高悬点架空线对应点的弧 垂相等。

如果最大弧垂在安全值范围，则连续档所有弧垂均满足设计要求，紧线过程 可以继续进行。

最大档距最低处水平应力由以下公式计算：

式中，σ₀为最大档距最低处水平应力，σ_A，σ_B为最大档距两侧近最大档距 侧悬点轴向应力，θ_A，θ_B为两轴向应力与水平方向的夹角。

应力与弧垂的关系，由最大弧垂公式：

式中，l,γ,σ₀,β分别为档距，线路比载，线路最低处水平应力，斜档距与水 平面的夹角。

在上述的一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，采用复合传 感器测量连续档最大档距两悬点处应力时，弧垂与档距比值在0.25以上时，对 连续档内所有档距进行分析：优先选择整个耐张段的中间或接近中间的较大弧垂 作为备用观测档；相同高差的，选择档距最大的一档作为备用观测档，相同档距 的，选择高差最小的一档作为备用观测档。对于不同档距不同高差。这种筛选并 不能筛选出唯一的一组，但是从剩下的备用观测档选择出最后的观测档，只需要 代入前述悬链线公式最大弧垂几个备选档的数据，通过比较大小得出最后的观测 档。

在上述的一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，联合判据是 当首末两端应力监测和最大档距弧垂监测都满足安全值范围，系统不发出预警， 施工可以继续。

在上述的一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，复合传感器 包含有改进型压力传感器，位移传感器以及精确定位系统，分别测量轴向应力， 轴向应力的水平倾角以及悬点位置的三维坐标。

因此，本发明具有如下优点：

1、可以节省人力；本发明可以减少此前工作人员在塔上的逗留时间。

2、可使测量更准确；本发明可以减少人为误差。

3、增加线路和人员的安全因素。本发明能在架线过程中防止断线事故，降 低工作人员的危险。

附图说明

图1绘制导线悬挂点应力和弧垂曲线的程序框图(高差为0时)。

图2绘制导线悬挂点应力和弧垂曲线的程序框图(高差为h时)。

图3是输电线路施工紧线预警系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下进行本发明的详 细说明：

实际的输电线路架线过程中，架空线的一端通过耐张绝缘子串固定在一端的 耐张杆塔上，中间各杆塔上暂时用滑轮托起架空线，在另一端的紧线杆塔上进行 紧线，同时观测弧垂，调整至设计值；然后进行划印；最后把导线由各滑轮移入 线夹中。也有施工方式是首端放线，末端进行紧线。首末两端的拉线承载着直接 的轴向应力，如果超出可承载的应力值便会发生断线，产生事故。因此有必要在 首末两端放线和紧线位置各安装一组复合传感器。

进一步地，本发明采用包含改进型张力传感器以及角度传感器的复合传感器 测量获得输电线路放线位置和紧线位置的轴向应力σ_f，σ_j和对地倾角θ_f，θ_j， 单片机将各个传感器和模块的数据处理编码，通过安装在下位机处蓝牙模块，将 处理过的数据传输出去。

进一步地，信号接收蓝牙模块无线接收由现场硬件部分发送来的数据，即悬 挂点处输电导线导线的倾角信号、应力信号以及GPS数据，并将这些数据传输给 手机APP。

Android端的App接收数据后，进行计算，计算得到的水平应力的差值： σ_f0-σ_j0。

本发明终端给出首末两端水平应力差值，由于正常拉线工程中，应力变化具 有一定的正相关性，首末两端水平应力的差值应该在一个合适的范围，这个范围 通过多次正常拉线紧线过程可以测得，设为(σ1，σ2)。如果σ_f0-σ_j0偏离这个范 围，可能是连续档内某个滑动线夹发生卡死等情况导致的，系统将会通过手机端 发出报警信号，架线施工应暂停。

置于放线和紧线位置的传感器测量的轴向应力值本身也是预警输入信号的 一部分，在终端会设置有相应导线的拉断应力参考值，一旦超出参考值，系统同 样会发出预警信号。

本发明在档距最大两侧直线杆塔近最大档距侧设置两组复合传感器。用于测 量轴向应力，获得导线悬挂点的三维位置以及导线悬挂点两端与水平的角度。下 面说明在最大档距两侧设置传感器的原因。

高压架空线输电线路的悬垂绝缘子串一般较长，偏斜时对架空线应力的补偿 能力较强，在均布荷载下耐张段内各档水平应力差很小，趋于相等。在实际架线 的过程中，如果拉线紧线速率较缓，也认为各档水平应力趋于相等。

进一步地，设原点位于档距中央弧垂最低点，等高悬点弧垂：

任一点弧垂：

最大弧垂：

设原点位于左侧悬挂点A处，B处比A处海拔更高。不等高悬点弧垂：

任一点弧垂：

最大弧垂：

上式中括号内的数值均为正值且很小，前者略大于后者，所以最大弧垂大于 档距中央弧垂，但二者非常接近。工程上认为二者相等：

架空线应力的计算公式：

任一点轴向应力：

悬挂点A、B处的应力：

角度：

(2)不等高悬点应力：

任一点轴向应力：

悬挂点A、B处的应力：

悬挂点A、B处的应力与水平方向夹角的正切值：

由此发现以下两点结论：

一是等高悬点具体形状完全由比值σ₀/γ决定，如果比载一定，架空线的水 平应力σ₀是决定悬链线形状的唯一因素，所以架线时的水平张力对架空线的空 间形状有着决定性影响。

二是不等高悬点具体形状与σ₀/γ和h/l以及h/L_h＝0决定。

优选的是，本发明可以在档距最大处两内侧设置两组复合传感器，这些传感 器得到的数据经计算将得到最大弧垂，同时也是本连续档最大的弧垂。

本发明依据的架空线路模型是上述悬链线模型的简化。因为在工程实际中， 架空线的线长与斜档距(两悬点间的距离)非常接近，前者比后者约长千分之 几，因而假定架空线的比载沿斜档距均匀分布不会产生大的误差。在这种假定下， 有以下结论：

最大弧垂：

任一点弧垂：

由此看出，最大弧垂与档距的平方成正比，所以其他条件相同，档距越大弧 垂越大；任一点弧垂与高差h没有直接关系，因此对于同样大小的档距，在档距 中央弧垂相等的情况下，等高悬点和不等高悬点架空线对应点的弧垂相等。

对弧垂公式的精度分析，取h/l、f₀/l为变量，采用下式计算斜抛物线弧垂 误差。

误差公式：

斜抛物线弧垂在任何情况下均偏小，施工时架空线偏于拉紧，使应力偏大。 在弧垂与档距之比不高于0.25时，斜抛物线公式具有足够的精度，满足一般工 程计算需求。

本发明结合掌握的数据，事先对连续档中可能的观测档进行估测，在弧垂与 档距之比不高于0.25时，采用斜抛物线公式计算。选择最大档距两侧悬点近最 大档距侧作为传感器布置点是可以测量连续档内最大弧垂的。基于此，具体步骤 如下：

如图，以不等高斜抛物线为例，置于悬点近最大档距侧的两组传感器分别测 得A、B两点的轴向应力σ_A,σ_B以及倾角θ_A,θ_B，连同A、B两悬点的三维坐标精 确值通过蓝牙发送模块发送给地面接收模块。以上三组数据会通过软件编程形式 进行计算处理。

已知导线的轴向应力表达式：

优选的是，本发明为了减小数据的误差，可以取两端的平均值，表达式如下：

斜档距与水平面的夹角：β＝arctan(h/l)，而h,l都由定位系统可以测得。

至此，l,γ,σ₀,β均已得，代入前面的最大弧垂公式即可求的弧垂大小。

而当弧垂与档距之比大于0.25时，使用斜抛物线公式会造成比较大的误差， 为了提高架线施工安全性，使用悬链线公式。本发明对应力与弧垂进行了仿真， 得到如下结论：

一是相同高差时，档距越大，水平应力σ₀、悬挂点轴向应力σ_B和弧垂f_m越 大；相同档距时，高差越大，水平应力σ₀和悬挂点轴向应力σ_B越大，弧垂f_m越 小。

二是相同高差时，档距越大，悬挂点B的轴向应力与水平方向的夹角θ_B越 大；相同档距时，高差越大，悬挂点B的轴向应力与水平方向的夹角θ_B越大。

在弧垂与档距之比大于0.25时，对连续档内所有档距进行分析：优先选择 整个耐张段的中间或接近中间的较大弧垂作为备用观测档；相同高差的，选择档 距最大的一档作为备用观测档，相同档距的，选择高差最小的一档作为备用观测 档。对于不同档距不同高差。这种筛选并不能筛选出唯一的一组，但是从剩下的 备用观测档选择出最后的观测档，这时只需要代入前述悬链线公式最大弧垂几个 备选档的数据，通过比较弧垂大小得出弧垂最大的档距，作为最后的观测档。

选定好观测档后，其他步骤如前所述。

优选的是，本发明结合导线单位长度的重量，气象条件等因素，在紧线过 程中动态计算最大弧垂高度，因为传感器获得的都是实时数据，工作人员在地面 获得是通过软件编程计算得到的数据，也在随着紧线的过程不断变动，系统会将 实时弧垂数据与标准弧垂高度实时比较，在达到预警值时发出报警信号提醒施工 人员暂停工作。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技 术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用 类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的 范围。

Claims (7)

1.一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，其特征在于，包括：监测连续档放线和紧线应力，并测量连续档最大档距两悬点处应力，任意发生以下两种判断结果均判定发生故障：

判定一，即首末两端应力判定：

根据放线和紧线水平应力大小判断是否接近拉断应力，根据二者水平分量之差的变化情况判断拉线过程是否遭遇故障；

判定二，即最大档距弧垂值判定：

弧垂与档距之比小于0.2～0.3时，根据最大档距的最低点水平应力计算最大连续档弧垂；

弧垂与档距之比大于0.2～0.3时，对连续档内所有档距进行分析；

根据首末两端应力和最大档距弧垂值的联合判据，判断是否在安全值范围。

2.根据权利要求1所述的一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，其特征在于，弧垂与档距之比的判断阈值为0.25。

3.根据权利要求1所述的一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，其特征在于，采用复合传感器监测连续档放线和紧线应力，包括：分别置于线路首段放线处和线路末端紧线处的应力传感器和倾角传感器，获得应力数据可直接和线路参考应力值作比较，超出参考值则发出预警信号；二者水平应力之差可由轴向应力的水平分量作差求得；依据这个差值的变化，当变化超出安全值范围时，很有可能是连续档线路紧线过程遭遇阻塞，系统因此发出预警信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，其特征在于，采用复合传感器测量连续档最大档距两悬点处应力时，弧垂与档距比值在0.25以下时，观测档要求安排在最大档距处，具体是：参考模型为斜抛物线情况下，架空线的比载沿斜档距均匀分布；最大弧垂与档距的平方成正比，所以其他条件相同，档距越大弧垂越大，通过测量最大档距的弧垂，使其满足设计要求则能保证连续档其他位置弧垂满足要求；任一点弧垂与高差h没有直接关系，因此对于同样大小的档距，在档距中央弧垂相等的情况下，等高悬点和不等高悬点架空线对应点的弧垂相等；

如果最大弧垂在安全值范围，则连续档所有弧垂均满足设计要求，紧线过程可以继续进行；

最大档距最低处水平应力由以下公式计算：

式中，σ₀为最大档距最低处水平应力，σ_A，σ_B为最大档距两侧近最大档距侧悬点轴向应力，θ_A，θ_B为两轴向应力与水平方向的夹角；

应力与弧垂的关系，由最大弧垂公式：

式中，l,γ,σ₀,β分别为档距，线路比载，线路最低处水平应力，斜档距与水平面的夹角。

5.根据权利要求1所述一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，其特征在于，采用复合传感器测量连续档最大档距两悬点处应力时，弧垂与档距比值在0.25以上时，对连续档内所有档距进行分析：优先选择整个耐张段的中间或接近中间的较大弧垂作为备用观测档；相同高差的，选择档距最大的一档作为备用观测档，相同档距的，选择高差最小的一档作为备用观测档；对于不同档距不同高差；这种筛选并不能筛选出唯一的一组，但是从剩下的备用观测档选择出最后的观测档，只需要代入前述悬链线公式最大弧垂几个备选档的数据，通过比较大小得出最后的观测档。

6.根据权利要求1所述一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，其特征在于，联合判据是当首末两端应力监测和最大档距弧垂监测都满足安全值范围，系统不发出预警，施工可以继续。

7.根据权利要求1所述一种基于精确定位的高压输电线路施工紧线预警方法，其特征在于，复合传感器包含有改进型压力传感器，位移传感器以及精确定位系统，分别测量轴向应力，轴向应力的水平倾角以及悬点位置的三维坐标。