CN109632168A - 一种基于gps定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪及方法，包括设置在基杆塔的导线悬挂点的开口滑车，所述开口滑车的滑轮轴支撑上设有用于测量导线钢丝绳压力的压力应变传感器，开口滑车上安装了精确定位系统；用于获得导线悬挂点的三维位置，开口滑车上安装两个倾角传感器分别测量悬点两侧输电导线与水平方向的倾角。本发明具有如下优点：1、工作人员应用系统测量悬点的应力矢量，现场分析并调整测量精度，避免了人工紧线施工的盲目用力，并提高了施工的安全性和精确度；2、与现有的张力传感器相比，基于GPS定位系统的拉线应力测量仪可实现投资少，前期准备时间短，操作方便快捷，提供信息量大，数据精确，提高施工安全和质量。

Description

一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪及方法

技术领域

本发明涉及一种基于GPS定位系统的超高压架线施工中的拉线应力弧垂测量仪。具体涉及在超高压架线施工紧线作业过程中，一种基于GPS定位系统的对导线悬挂点应力的测量装置。

背景技术

在超高压输电线路张力架线工程紧线施工过程中，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。架空线路的应力过大,将对杆塔、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倒塔事故；而过大的弧垂可能导致与低处的导体或其他物体接触,产生相地短路，引发停电事故。因此，架空线的弧垂应力过大过小都会带来很多安全隐患。

本发明结合该问题提出在架线过程中，通过测量应力计算线轴方向拉力，得到导线悬挂点应力与弧垂之间的动态关系，可以更好地指导架线施工，提高施工的安全性和质量。

在本发明中，我们分析输电线路应力，考虑高压输电线路的特点，以及精确定位系统在测距中的应用，提出合理的充分考虑超高压输电线路特点，以及气候与地理环境等因素的应力分析方案。

本发明综合考虑电气和机械方面的原因，根据不同的气象条件，严格按照工程规范设计架空线的应力和弧垂关系方程，保证高压输电线路架线人员与设备的安全，确保投运后输电线路的安全稳定运行。

计算出的各气象条件下的应力和弧垂，采用曲线拟合绘制函数绘制应力弧垂曲线。为架线施工紧线作业提供指导，提高施工的安全性。

架线过程有单跨距和多跨距架线(一般高压输电线路的紧线不超过5基杆塔)，每基杆塔的导线悬挂点有一台开口滑车，压力传感器安装在开口滑车的滑轮轴支开口滑车上安装了精确定位系统。用于获得导线悬挂点的三维位置。

开口滑车上安装两个倾角传感器分别测量两端导线与水平线之间的角度。

数据通过处理无线传递到系统终端，计算分析得到单跨距或多跨距之间的弧垂高度，根据与预设安全值的对比确定是否发出预警信号。弧垂高度将随紧线过程动态变化，指导施工人员完成紧线任务。

本发明也可用于输电线路运行过程中的安全性分析与检测，简化张力弧垂计算过程。实现应力弧垂合乎规程要求。

基于GPS定位系统的拉线应力弧垂测量仪可使工作人员在导线悬挂点附近实时了解紧线施工时弧垂变化的情况，从而监控操作并及时调整，避免人工紧线施工的盲目，提高了施工的安全性和精确度。

发明内容：

本发明针对上述问题，提供一种基于GPS定位系统的拉线应力弧垂测量仪。

本发明利用软件编程，根据计算所得导线比载、精确定位系统测量所得导线高差、现场温度，以及悬点应力，编程求解获得导线悬挂点应力与弧垂的对应关系。

本发明根据计算所得导线悬挂点应力与弧垂对应关系，绘制等高悬点导线应力弧垂曲线。

本发明研究档距一定时，水平应力、悬点轴向应力、弧垂、悬点轴向应力与水平方向夹角随线长变化的曲线；

本发明研究弧垂随着悬挂点轴向应力变化的曲线。

根据计算所得导线悬挂点应力与弧垂对应关系，绘制不等高悬点导线应力弧垂曲线。研究档距一定时，水平应力、较高悬点轴向应力、弧垂、两个轴向应力与水平方向夹角随线长变化的曲线；弧垂随较高悬点轴向应力变化的曲线。

本发明将压力传感器安装在开口滑车的滑轮轴支撑上，用于测量轴压力。同时每个开口滑车上安装了精确定位系统。用于获得导线悬挂点的三维位置。另外还有两个倾角传感器分别测量导线悬挂点两端与水平的角度，使其能够精确测得张力与水平线的夹角。这些数据通过处理无线传递到系统终端，计算分析得到单跨距或多跨距之间的弧垂高度。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。

本发明具体是采用如下方案：

一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，其特征在于，包括设置在基杆塔的导线悬挂点的开口滑车，所述开口滑车的滑轮轴支撑上设有用于测量导线钢丝绳压力的压力应变传感器，开口滑车上安装了精确定位系统；用于获得导线悬挂点的三维位置，开口滑车上安装两个倾角传感器分别测量悬点两侧输电导线与水平方向的倾角。

在上述的一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，开口滑车包括挂在钢丝绳上的受力轮以及设置在两侧的四个导向滑轮。

在上述的一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，受力轮用固定轴固定在侧板上；导向滑轮所在的直杆通过4个等长的连杆与竖直轨道上的轴承连接，能够上下活动。

在上述的一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，竖直轨道两端均配有倾角传感器；由于装置本身重力作用，且连杆活动性好，滑轮会在架空线紧线过程中始终保持和架空线的良好接触，因为每个直杆连接的两个滑轮完全一样，故可以保证直杆的倾角与导线的自然倾角大小一样；该装置测量时需要紧线过程暂停，获得一组数据后可以继续实施紧线；倾角以及应力和GPS数据会通过GPRS发送给下位机处理。

一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量方法，其特征在于，定义：α₁表示悬点左侧导线与水平线的夹角，也是倾角传感器能够直接测得的角度；θ₁表示悬点左侧导线与铅垂线的夹角；α₂表示悬点右侧导线与水平线的夹角，倾角传感器测的是负值，判断角度小于零则取反；θ₂表示悬点右侧导线与铅垂线的夹角；T₁，T₂分别为悬点左侧导线的轴向张力，悬点右侧导线的轴向张力；而当导线穿过该装置后，导向轮出线处与导线在与滑轮接触点切线方向形成一个角度，对中间的受力轮产生一个竖直向下的压紧力P，这个力通过电阻应变式传感器可测得大小；

整个装置实现的功能和过程包括：

步骤1、采集应变传感器、倾角传感器的数据，并将采集的模拟量转换为数字量；

步骤2、根据步骤1得到的应变传感器和倾角传感器测量的数据，计算悬点两侧轴载力，具体计算过程：

当导线穿过该装置后，导向轮出线处与导线在与滑轮接触点切线方向形成一个角度，对中间的受力轮产生一个竖直向下的压紧力P，这个力通过电阻应变式传感器可测得大小；

由力的平衡的平行四边形法则；则

由几何关系可以得到

代入，得到

电阻应变式传感器可以测得压力P，由上式就可以得到导线在悬挂点的轴向应力T；

由之前得到的仿真结果经过曲线拟合可以得到在紧线施工过程中的弧垂f_m的变化，即f_m；＝F₂(T)

步骤3、根据权利要求1所述的一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，其装载的GPS模块用于测量杆塔悬点处的三维坐标，与同一档距邻近杆塔装载的同一测量仪测量数据一起提供档距的精确值以及应力测量点的精确坐标值；获得档距l的精确值，可以计算弧垂大小，计算过程:

导线内最大弧垂为：

式中，H为导线最低点水平张力,w为导线单位长度的自重力(荷载)；所以通过实时测量导线张力测得实时弧垂在理论上是比较方便；

悬挂点A、B处导线的倾斜角分别为:

θ_A＝arctan(lw/2Hcosβ-h/l)

θ_B＝arctan(lw/2Hcosβ+h/l) 公式5

将公式2代入公式1，得到：

f＝(l/4)(tanθ_B-h/l)

或者

f＝(l/4)(tanθ_B-h/l) 公式6

综合，只要获得档距两侧导线倾角θ_A,θ_B和档距l，弧垂大小可由：

f＝(l/8)(tanθ_A+tanθ_B) 公式7

求得。

因此，本发明具有如下优点：1、工作人员应用系统测量悬点的应力矢量，现场分析并调整测量精度，避免了人工紧线施工的盲目用力，并提高了施工的安全性和精确度；2、与现有的张力传感器相比，基于GPS定位系统的拉线应力测量仪可实现投资少，前期准备时间短，操作方便快捷，提供信息量大，数据精确，提高施工安全和质量。

附图说明

图1是张力传感器工作原理示意图。

图2是紧线预警系统示意图。

图3是本发明的测力原理示意图。

图4是本发明的结构主视图的示意图。

图5是等高悬点架空线示意图。

图6是不等高悬点空线示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

下面结合附图和实施例详细说明：

图中：1.钢丝绳，2.固定轴，3.导向滑轮，4.倾角传感器，5.连接直杆，6.活动连杆，7.电阻式应变传感器，8.竖直轨道，9.活动侧板，10.受力轮。

本发明的方法主要包括以下两个内容：

1.张力传感器的工作方法。如图1，架空线上作用的应力大小与输电线路悬点水平应力、输电线路比载、输电线路杆塔高差、档距和线长有关；水平应力和悬挂点轴向应力与架空线的比载、线长和档距有关。根据输电线路比载、档距、线长求得悬点水平应力，配合输电线路杆塔高差，即可求得输电线路悬点应力理论值。

本发明采用改进型张力传感器测量获得输电线路悬点应力测量值，并将其与输电线路悬点应力理论值进行分析比较，从而对张力传感器的改进进行理论指导并验证改进型张力传感器的可靠性。

通过软件编程，获得求解输电线路悬点应力弧垂关系的程序，输入输电线路悬点应力，以及测量获得相对应的输电线路比载、现场温度、输电线路杆塔高差四组数据求解获得输电线路悬点应力弧垂关系。

基于精确定位系统的输电线路应力弧垂监测系统。如图2，本发明设计一组开口滑车，每辆滑车上包含有压力传感器，倾角传感器以及精确定位系统。其中压力传感器用于测量滑车轴载力，倾角传感器用于测量滑轮两端线路与水平之间的夹角变化，精确定位系统测量滑车所处位置。这三组数据采集后通过无线传输输送到系统终端。

本发明设计一台系统终端，使用精确定位系统结果计算相邻两台开口滑车的相对高度差，直线距离。通过高端的线路角度，滑车轴载力计算内拉线应力。从而计算出该应力与弧垂之间的动态变化关系。

在图3所示的本发明测力原理示意图中：α₁表示悬点左侧导线与水平线的夹角，也是倾角传感器能够直接测得的角度。θ₁表示悬点左侧导线与铅垂线的夹角。α₂表示悬点右侧导线与水平线的夹角，倾角传感器测的是负值，判断角度小于零则取反。θ₂表示悬点右侧导线与铅垂线的夹角。T₁，T₂分别为悬点左侧导线的轴向张力，悬点右侧导线的轴向张力。而当导线穿过该装置后，导向轮出线处与导线在与滑轮接触点切线方向形成一个角度，对中间的受力轮产生一个竖直向下的压紧力P，这个力通过电阻应变式传感器可测得大小。

在图4所示的本发明结构主视图的示意图中，1.钢丝绳，2.固定轴，3.导向滑轮，4.倾角传感器(两侧各一个)，5.连接直杆，6.活动连杆，7.电阻式应变传感器，8.竖直轨道，9.活动侧板，10.受力轮。其中2.固定轴用于将整个装置固定在9.活动侧板上，9.活动侧板有两个，可以将整个装置包含在内，防止导线左右晃动对测量造成影响。3.导向滑轮，有两个完全一样的滑轮，与钢丝绳接触良好，用来保证连接两滑轮的直杆倾角等于架空线自然倾角。4.倾角传感器选用双轴倾角传感器模块。由单极5V供电，模拟比例电压输出，可精确检测±90°的倾角范围。6.活动连杆铰接并且可以灵活运动，与3.导向滑轮配合，保证该测量模块可以跟踪架空线倾角变化。7.电阻式应变传感器，应变是由被测压力施加在应变片产生的。当应变片产生压缩应变时，它的电阻值减小；当应变片产生拉伸应变时，它的电阻值增加。

由力的平衡的平行四边形法则。则

由几何关系可以得到

代入，得到

电阻应变式传感器可以测得压力P，而α₁,α₂由倾角传感器测得，由上式就可以得到导线在悬挂点左右两侧轴向应力T₁，T₂。由之前得到的仿真结果经过曲线拟合可以得到在紧线施工过程中的弧垂f_m的变化，即

f_m＝F₂(T)

以下公式中：l为档距，γ为比载，σ₀为架空线的水平轴向应力，h为悬挂点A、B的高度差，a为悬挂点A到原点O的水平距离，为档距中央弧垂，L为整档架空线的线长，L_h＝0为等高悬点架空线的档内悬链线长度。架空线弧垂的计算公式：

(1)如图5，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：

(2)如图6，设原点位于左侧悬挂点A处，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，工程中为了减少计算工作量，以中央弧垂近似作为最大弧垂，精度完全能够满足工程需要。通常也可认为最大弧垂位于档距中央，所以有

架空线应力的计算公式：

(1)如图5，等高悬点应力的大小与角度：

任一点轴向应力：

悬挂点A、B处的应力：

角度：

(2)如图6，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，可以实现对超高压输电线路张力架线工程紧线施工阶段的弧垂变化的掌控，提供指导，有利于提高施工安全和质量。

本发明可以得到紧线段首档靠近张力机侧导线悬挂点导线应力与弧垂之间关系，对安全施工，保证施工质量有很大的益处。

本发明可以绘制弧垂关于紧线段首档靠近张力机侧弧垂最高点导线应力的曲线，将为架线施工工程提供更明确的指导，提高施工效率和施工安全性。

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弧垂高度，并与规程规定的标准弧垂高度实时比较，为施工人员提供现场技术支撑。同时，也可用于相关工程投运后运行安全性分析与检测，简化张力弧垂计算过程。

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 (5)

1.一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，其特征在于，包括设置在基杆塔的导线悬挂点的开口滑车，所述开口滑车的滑轮轴支撑上设有用于测量导线钢丝绳压力的压力应变传感器，开口滑车上安装了精确定位系统；用于获得导线悬挂点的三维位置，开口滑车上安装两个倾角传感器分别测量悬点两侧输电导线与水平方向的倾角。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，其特征在于，开口滑车包括挂在钢丝绳上的受力轮以及设置在两侧的四个导向滑轮。

3.根据权利要求1所述的一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，其特征在于，受力轮用固定轴固定在侧板上；导向滑轮所在的直杆通过4个等长的连杆与竖直轨道上的轴承连接，能够上下活动。

4.根据权利要求1所述的一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，其特征在于，竖直轨道两端均配有倾角传感器；由于装置本身重力作用，且连杆活动性好，滑轮会在架空线紧线过程中始终保持和架空线的良好接触，因为每个直杆连接的两个滑轮完全一样，故可以保证直杆的倾角与导线的自然倾角大小一样；该装置测量时需要紧线过程暂停，获得一组数据后可以继续实施紧线；倾角以及应力和GPS数据会通过GPRS发送给下位机处理。

5.一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量方法，其特征在于，定义：α₁表示悬点左侧导线与水平线的夹角，也是倾角传感器能够直接测得的角度；θ₁表示悬点左侧导线与铅垂线的夹角；α₂表示悬点右侧导线与水平线的夹角，倾角传感器测的是负值，判断角度小于零则取反；θ₂表示悬点右侧导线与铅垂线的夹角；T₁，T₂分别为悬点左侧导线的轴向张力，悬点右侧导线的轴向张力；而当导线穿过该装置后，导向轮出线处与导线在与滑轮接触点切线方向形成一个角度，对中间的受力轮产生一个竖直向下的压紧力P，这个力通过电阻应变式传感器可测得大小；

整个装置实现的功能和过程包括：

步骤1、采集应变传感器、倾角传感器的数据，并将采集的模拟量转换为数字量；

步骤2、根据步骤1得到的应变传感器和倾角传感器测量的数据，计算悬点两侧轴载力，具体计算过程：

当导线穿过该装置后，导向轮出线处与导线在与滑轮接触点切线方向形成一个角度，对中间的受力轮产生一个竖直向下的压紧力P，这个力通过电阻应变式传感器可测得大小；

由力的平衡的平行四边形法则；则

由几何关系可以得到

代入，得到

电阻应变式传感器可以测得压力P，由上式就可以得到导线在悬挂点的轴向应力T；

由之前得到的仿真结果经过曲线拟合可以得到在紧线施工过程中的弧垂f_m的变化，即f_m＝F₂(T)；

步骤3、根据权利要求1所述的一种基于GPS定位系统的超高压架线应力弧垂测量仪，其装载的GPS模块用于测量杆塔悬点处的三维坐标，与同一档距邻近杆塔装载的同一测量仪测量数据一起提供档距的精确值以及应力测量点的精确坐标值；获得档距l的精确值，可以计算弧垂大小，计算过程:

导线内最大弧垂为：

式中，H为导线最低点水平张力,w为导线单位长度的自重力(荷载)；所以通过实时测量导线张力测得实时弧垂在理论上是比较方便；

悬挂点A、B处导线的倾斜角分别为:

θ_A＝arctan(lw/2Hcosβ-h/l)

θ_B＝arctan(lw/2Hcosβ+h/l) 公式5

将公式2代入公式1，得到：

f＝(l/4)(tanθ_B-h/l)

或者

f＝(l/4)(tanθ_B-h/l) 公式6

综合，只要获得档距两侧导线倾角θ_A,θ_B和档距l，弧垂大小可由：

f＝(l/8)(tanθ_A+tanθ_B) 公式7

求得。