CN109870633A - 一种适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，包括：导线缩比模块，包括长绳、固定长绳两端的固定支架、以及固定支架之间用于悬吊所述长绳的牵引支架；脱冰控制模块，包括继电器和电磁铁；拉力测量模块，包括拉力传感器和动态应变仪；单目摄像模块，包括高速摄像机、标定板和标记物；计算处理模块，包括连接所述摄像机和动态应变仪的处理器。本发明的有益效果是：多参数可调，适用研究范围广；实现该领域基于缩尺模型试验研究从无到有的突破，对相关研究有着较大促进意义；可于室内搭建，安装便捷，组件易于加工置备，实用性强。

Description

一种适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统

技术领域

本申请属于输配电技术领域，尤其是涉及一种适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统。

背景技术

输电线覆冰是指空气中的水分或降雨因冻结而成冰霜的一种自然现象。在特定的温度和风等自然条件下，输电线覆冰的脱落会引起电线的上下振动和横向摆动，工程中亦称“冰跳”。输电线脱冰跳跃过程中，各相导线之间以及导线和地线之间的间隙可能小于相应的绝缘间隙要求，从而导致相间闪络、跳闸、烧伤电线等电气事故，甚至由于电线张力的剧烈变化引起输电杆塔折损、倒塔、断线和金具损坏等机械事故，严重影响输电线路的安全运行。

针对导线脱冰故障，大多学者采用数值模拟进行研究，基于试验的研究很少。现有针对导线脱冰跳跃问题的研究主要基于理论及有限元数值模拟，缺乏广泛性的试验研究。真型线路的试验存在着成本高昂、可操作性差等诸多局限。基于有限元数值模拟，虽然可以较好的模拟脱冰跳跃的整个过程，但其计算所得结果是否真实仍需实测试验加以验证。鲜有学者在真型输电线路上进行脱冰跳跃试验，因为不便操作且成本高昂，不利于广泛的参数研究。因此，开发一种能够具有很好可操作性，能够在室内的进行的、适用于多档线路脱冰跳跃故障研究的缩比模型试验系统显得尤为必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种多参数可调、可操作性强、实用价值大的适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，包括：

导线缩比模块，包括长绳、固定长绳两端的固定支架、以及固定支架之间用于悬吊所述长绳的牵引支架，牵引支架至少有一个并将所述长绳分隔成至少两段，其中，所述长绳至少包括一悬挂有若干覆冰重物的覆冰段；

脱冰控制模块，包括继电器和电磁铁，电磁铁固定在所述长绳上，所述覆冰重物悬挂在所述电磁铁下方，所述继电器连接所述电磁铁并控制所述电磁铁的电流以控制所述覆冰重物的吸附或脱落；

拉力测量模块，包括拉力传感器和动态应变仪，拉力传感器连接在所述不同段长绳的端部，所述拉力传感器测量所述长绳的张力变化数据并输送至所述动态应变仪；

单目摄像模块，包括高速摄像机、标定板和标记物，标记物固定在所述长绳上，所述标定板标定所述摄像机，摄像机拍摄并记录所述标记物的位移数据；

计算处理模块，包括连接所述摄像机和动态应变仪的处理器，处理器接收所述摄像机记录的位移数据并计算出所述长绳的最大冰跳高度，处理器接收所述动态应变仪输出的张力变化数据并计算出所述长绳对所述固定支架的最大冲击力和对所述牵引支架的最大不平衡张力。

在其中一个实施例中，所述牵引支架具有两个并将所述长绳分隔成三段，分别包括位于中部的覆冰段和位于覆冰段两侧的非覆冰段。

在其中一个实施例中，所述长绳为直径小于cm的钢丝绳。

在其中一个实施例中，所述长绳上还间隔固定有若干配重块。

在其中一个实施例中，所述配重块重量相同。

在其中一个实施例中，所述配重物为不锈钢空心圆管，不锈钢空心圆管套设在所述长绳上。

在其中一个实施例中，所述长绳的两端通过花篮螺丝挂设于所述固定支架上。

在其中一个实施例中，所述长绳通过吊环悬挂于所述牵引支架上。

本发明的有益效果是：

(1)多参数可调，适用研究范围广。本发明系统可针对档距、高差、初始张力、覆冰厚度、脱冰率等参数展开输电线路脱冰跳跃故障(包括冰跳高度和不平衡张力等)研究，可适用范围较广。

(2)实现该领域基于缩尺模型试验研究从无到有的突破，对相关研究有着较大促进意义。

(3)本发明系统可于室内搭建，安装便捷，组件易于加工置备，实用性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请实施例的结构示意图；

图2是本申请实施例的长绳及配重块结构关系示意图；

图3是本申请实施例的长绳及配重块结构关系剖视图；

图4是本申请实施例的脱冰控制模块结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

一种适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，利用多个模块组合实现对输电线路脱冰的模拟，请参考图1，包括：

导线缩比模块，包括长绳1、固定长绳1两端的固定支架2、以及固定支架2之间用于悬吊长绳1的牵引支架3，牵引支架3至少有一个并将长绳1分隔成至少两段，其中，长绳1至少包括一悬挂有若干覆冰重物5的覆冰段。

请继续参考图4，脱冰控制模块，包括继电器10和电磁铁4，电磁铁4固定在长绳1上，具体的，电磁铁4固定在上述覆冰段，覆冰重物5悬挂在电磁铁4下方，每个电磁铁4分别与继电器10连接，继电器10控制电磁铁4的电流以控制覆冰重物5的吸附或脱落，通过对继电器10编程来控制电磁铁4的电流变化，从而控制脱冰的时序等。在其中一个实施例中，电磁铁4为微型电磁铁4，不影响导线脱冰后的振动过程。可以根据需要添加不同数量的电磁铁4，电磁铁4数量越多，越能反映更均匀的覆冰状态。试验时，先将电磁铁4通电使其具有吸附力，再将覆冰重物5吸附在电磁铁4上，模拟实际线路的覆冰状态。通过对继电器10的编程，可以实现不同时序的均匀与非均匀脱冰过程，脱冰时，释放相应电磁铁4的电流，覆冰重物5瞬间脱落，长绳1发生反弹振动。

拉力测量模块，包括拉力传感器和动态应变仪6，拉力传感器串联连接在不同段长绳1的端部，拉力传感器测量脱冰过程中长绳1的张力变化数据并输送至动态应变仪6，从而获得不平衡张力和脱冰张力冲击系数等。

单目摄像模块，包括高速摄像机8、标定板和标记物，标记物固定在长绳1上用于设置一个DIC(Digital Image Correlation数字图像相关)标记点，标定板标定摄像机8的位置，摄像机8拍摄标记点的运动从而拍摄并记录标记物的位移数据，在其中一个实施例中，使用MATLAB软件对标记点的运动进行分析来得到脱冰过程中标记物位移的变化，从而获取长绳1的最大冰跳高度。试验时，摄像机8置于适当位置处，首先利用标定板对相机进行标定，然后录制脱冰过程。

还包括计算处理模块，包括连接摄像机8和动态应变仪6的处理器7，处理器7接收摄像机8记录的位移数据并计算出长绳1的最大冰跳高度，处理器7接收动态应变仪6输出的张力变化数据并计算出长绳1对固定支架2的最大冲击力和对牵引支架3的最大不平衡张力。处理器7可用于搭载上述MATLAB软件。

拉力测量模块用于测量几脱冰过程中张力的变化情况，从而获得不平衡张力和脱冰张力冲击系数等；单目测量模块则用于得到脱冰冲击后位移的变化，从而获取最大冰跳高度。本发明系统能够很好地根据原型线路参数配置试验模型，具备良好的可操作性与实用性。

为了模拟真实输电线路，在其中一个实施例中，牵引支架3具有两个并将长绳1分隔成三段，分别包括位于中部的覆冰段和位于覆冰段两侧的非覆冰段。

为了模拟真实输电线路，在其中一个实施例中，长绳1为直径小于1cm的钢丝绳。在不同实施例中，直径为数毫米甚至小于1mm的钢丝绳作为上述长绳1构成导线缩比模块的主体，亦即导线模型主体。

请继续参考图2、图3，在其中一个实施例中，长绳1上还间隔固定有若干配重块9，配重块9均匀布置，用于满足缩尺比以构建缩尺子导线模型。

为了便于调整配重，在其中一个实施例中，配重块9重量相同。

为了便于调整配重，稳定配重效果，在其中一个实施例中，配重物为不锈钢空心圆管，不锈钢空心圆管套设在长绳1上。

固定支架2提供给长绳1竖向支承及水平张力，同时其高度满足模型长绳1的垂度要求，其作用相当于实际线路中的耐张塔。在其中一个实施例中，长绳1的两端通过花篮螺丝挂设于固定支架2上，方便调整长绳1的弧垂，对实际输电导线进行仿真模拟。

牵引支架3相当于实际线路的直线塔，在其中一个实施例中，长绳1通过吊环悬挂于牵引支架3上，吊环可以左右偏摆，以模拟实际输电导线的左右偏摆。

综上所述，本发明的有益效果是：

(1)多参数可调，适用研究范围广。本发明系统可针对档距、高差、初始张力、覆冰厚度、脱冰率等参数展开输电线路脱冰跳跃故障(包括冰跳高度和不平衡张力等)研究，可适用范围较广。

(2)实现该领域基于缩尺模型试验研究从无到有的突破，对相关研究有着较大促进意义。

(3)本发明系统可于室内搭建，安装便捷，组件易于加工置备，实用性强。

本发明应用于分裂导线翻转故障研究的步骤如下：

步骤10：根据原型线路结构参数、原型与模型导线材料参数，结合试验场地条件，通过相似性理论确定试验模型各相似系数。

原型线路结构参数包括导线型号、档距、高差、弧垂、覆冰厚度、脱冰形式等。

根据模型试验场地条件先行确定模型导线的档距及弧垂参数，进而确定几何相似系数；而后选定模型导线材质及规格，通过拉力试验机测得模型导线的杨氏模量，进而确定密度比，再通过相似性原理，确定其余相似系数。然后利用相似系数，根据电磁铁4个数及各档的附件(配重块9)质量、个数，确定脱冰档(覆冰段)和非脱冰档(非覆冰段)每个附件的重量，以及覆冰重物5的重量。

步骤20：确定导线模型在覆冰后的水平应力和弧垂。

首先依据力相似系数及原型导线初始水平张力、线密度参数，确定模型导线(长绳1)在无覆冰状态下的初始水平张力及自重，然后根据覆冰后导线线长改变量与弹性变形量相等，可以计算得到覆冰后导线的水平应力和弧垂。

步骤30：试验导线系统的搭建。

附件是不锈钢空心圆管，圆管内径比模型导线直径略大，方便将附加质量串在导线上。试验过程中，首先将附加质量和电磁铁4按一定间距等间隔的方式串在导线上，利用电熔胶枪将其固定在导线上，使其与导线不会发生相对的滑动；将拉力传感器串在导线端部，连接上吊环螺母，然后挂在两端支架上；绝缘子串连接两档端部，然后把绝缘子串悬挂在中间两个支架上。

连接电磁铁4与控制器并将电磁铁4通电，把覆冰重物5吸附在电磁铁4上。

然后通过吊环螺母调节导线的水平张力与弧垂到预订值，可以通过拉力传感器和悬垂串是否完全垂直来检查弧垂是否调整正确。

步骤40：开展试验。

首先将摄像机8放在适当位置并对相机进行标定，同时开始录制。

利用脱冰控制模块使按照预先设定方式对相应的电磁铁4进行一定时序的断电，从而模拟均匀或非均匀脱冰过程。同时，拉力传感器和摄像机8同时记录脱冰反弹过程中导线不同位置张力和标记点位移的变化，直到导线达到稳定状态。

步骤50：数据处理。

将录制得到的视频拷贝到计算机(处理器)中，利用MATLAB软件进行图像分析，得到标记点位移变化时程，从而得到模型的最大冰跳高度。将不同位置的拉力传感器取出，分析脱冰冲击过程中导线对固定支架的最大冲击力和牵引支架附近的最大不平衡张力。

根据几何相似比和张力比，将上面得到的模型数据反推到原型线路上，从而去判断该脱冰形式下，导线绝缘间隙和不平衡张力以及导线冲击系数等。从而指导输电线路的设计。

步骤60：重复上述步骤，可以获取针对不同参数、不同工况下最大冰跳高度和导线不平衡张力情况，据此分析不同参数条件下导线绝缘间隙以及导线、杆塔的强度问题。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，其特征在于，包括：

导线缩比模块，包括长绳、固定长绳两端的固定支架、以及固定支架之间用于悬吊所述长绳的牵引支架，牵引支架至少有一个并将所述长绳分隔成至少两段，其中，所述长绳至少包括一悬挂有若干覆冰重物的覆冰段；

脱冰控制模块，包括继电器和电磁铁，电磁铁固定在所述长绳上，所述覆冰重物悬挂在所述电磁铁下方，所述继电器连接所述电磁铁并控制所述电磁铁的电流以控制所述覆冰重物的吸附或脱落；

拉力测量模块，包括拉力传感器和动态应变仪，拉力传感器连接在所述不同段长绳的端部，所述拉力传感器测量所述长绳的张力变化数据并输送至所述动态应变仪；

单目摄像模块，包括高速摄像机、标定板和标记物，标记物固定在所述长绳上，所述标定板标定所述摄像机，摄像机拍摄并记录所述标记物的位移数据；

计算处理模块，包括连接所述摄像机和动态应变仪的处理器，处理器接收所述摄像机记录的位移数据并计算出所述长绳的最大冰跳高度，处理器接收所述动态应变仪输出的张力变化数据并计算出所述长绳对所述固定支架的最大冲击力和对所述牵引支架的最大不平衡张力。

2.根据权利要求1所述的适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，其特征在于，所述牵引支架具有两个并将所述长绳分隔成三段，分别包括位于中部的覆冰段和位于覆冰段两侧的非覆冰段。

3.根据权利要求1所述的适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，其特征在于，所述长绳为直径小于1cm的钢丝绳。

4.根据权利要求1所述的适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，其特征在于，所述长绳上还间隔固定有若干配重块。

5.根据权利要求4所述的适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，其特征在于，所述配重块重量相同。

6.根据权利要求5所述的适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，其特征在于，所述配重物为不锈钢空心圆管，不锈钢空心圆管套设在所述长绳上。

7.根据权利要求1所述的适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，其特征在于，所述长绳的两端通过花篮螺丝挂设于所述固定支架上。

8.根据权利要求1所述的适用于多档输电导线脱冰故障研究的试验系统，其特征在于，所述长绳通过吊环悬挂于所述牵引支架上。