CN110307825A - 一种架空输电线路弧垂在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种架空输电线路弧垂在线监测系统，包括于输电线路悬挂的两端设置的倾角测量球体单元，由于悬挂点倾角的测量往往存在由于机械结构因素和传感器等导致的误差，所以还设置有于输电线路弧垂最低处设置的对地距离测量球体单元。通过结合弧垂对地的直接测量则可修正弧垂的计算结果，可有效修正由于悬挂点倾角的测量往往存在由于机械结构因素和传感器等导致的误差，大大提高了弧垂的测量精度。而且，通过弧垂对地的直接测量，可获得导线对地的实际高度，在导线下方有突发事件如违章建筑、树木生长和工程机械等时，可为线路维护提供更加有效的信息支持。
Description
技术领域
本发明涉及电力输电技术领域，尤其涉及一种架空输电线路弧垂在线监测系统。
背景技术
架空输电导线是电力系统的重要组成部分，保证线路的输送容量和安全运行是输电线路维护的关键问题。截止2018年，我国110kV及以上输电线路长度超过100万公里，其中330kV及以上线路长度达到12.05万公里。而且随着国民经济的快速发展，我国各个产业和领域对电力容量的需求越来越大。在努力增加输电线路长度的同时，保证和提高现有架空输电线路的传输容量，提高电网供电的安全，并提高电网的智能化水平，是智能电网的关键内容。
电力传输导线的弧垂与导线的传输容量紧密相关，导线的温度、应力、导线上的覆冰厚度以及周围风速等都会造成线路弧垂的变化；导线弧垂过小会导致导线应力过大，影响导线的机械安全；弧垂过大，线路离地绝缘距离小，存在导线对地放电的危险。在影响输电导线弧垂的诸多因素中，除覆冰等偶发影响外，温度的影响最大；因此，研究输电线路导线温度对弧垂的影响，有利于准确把握输电导线的工作状态，具有十分重要的理论意义和实用价值。对于重要跨越区、易破坏区、无人区等地段的监视更有重要意义。
对输电导线的温度和弧垂进行在线监测是研究温度对导线影响的前提条件。传统弧垂测量方法主要有：绳子-秒表法、角度法、基线法和驰度板观测法。这些方法存在误差大，测量受地形限制，且操作繁琐，计算复杂，而且只能对弧垂进行离线观测，这与当前智能电网的建设要求是不相符的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够精准测量输电线路弧垂状态信息的一种架空输电线路弧垂在线监测系统。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种架空输电线路弧垂在线监测系统，其特征在于，包括：
于输电线路悬挂的两端设置的倾角测量球体单元，所述测量球体单元包括第一防护体，于第一防护体内设有第一微处理器以及与第一微处理器相连的倾角传感器、温度传感器、第一通信模块和第一电源储能体，所述温度传感器的检测触头固定于输电线路上，所述第一通信模块与置于基站内的数据接收装置通讯；
于输电线路弧垂最低处设置的对地距离测量球体单元，所述对地距离测量球体单元包括第二防护体，于第二防护体内设有第二微处理器以及与第二微处理器相连的微波测距模块、报警模块、第二通信模块和第二电源储能体，所述第二通信模块与置于基站内的数据接收装置通讯；
其中，
所述第一防护体和/或第二防护体呈球体结构，具有上下扣合的顶罩和防护主体，所述防护主体的上部设有支撑架，于支撑架的中部竖直设有一储液罐，所述储液罐呈封闭式结构，其上部设有与其侧壁滑动配合的封盖，所述储液罐内盛有能够基于热胀冷缩促使封盖沿储液罐侧壁上下滑动的膨胀液，所述封盖与顶罩之间设有连接杆。
进一步的技术方案在于，所述防护主体包括上下扣合并能够锁定的上防护罩和下防护罩，于上防护罩和下防护罩的交汇处设有能够使输电线路穿过的过线孔，所述过线孔的内壁上设有能够对输电线路挤压的弹性层，所述过线孔具有相对设置的两个。
进一步的技术方案在于，所述上防护罩的下缘和下防护罩的上缘均水平向外设有一圈翻边，两圈翻边借助固定螺栓锁定。
进一步的技术方案在于，所述第一电源储能体和/或第二电源储能体为超级电容，并连接有导线感应取电模块，所述导线感应取电模块通过开合式电流互感器卡在输电线路上获取能源，并通过整流及控制保护电路对超级电容充电。
进一步的技术方案在于，所述连接杆上设有氢气囊。
进一步的技术方案在于，所述顶罩的下缘水平向外设有一圈防水翻边。
进一步的技术方案在于，所述第一防护体和/或第二防护体内腔的底部铺设有防潮层。
进一步的技术方案在于，于防潮层下方对应的的防护体上开设有透气孔。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
该系统可以实现对重点线路和危险场所的弧垂实时监测与报警，实时掌握线路的温度和弧垂状态信息，确保线路在输送容量下的安全，也可以为线路动态增容提供保证，避免因导线弧垂引起的断线或对地放电等重大事故的发生。
该系统中，通过结合弧垂对地的直接测量则可修正弧垂的计算结果，可有效修正由于悬挂点倾角的测量往往存在由于机械结构因素和传感器等导致的误差，大大提高了弧垂的测量精度。而且，通过弧垂对地的直接测量，可获得导线对地的实际高度，在导线下方有突发事件如违章建筑、树木生长和工程机械等时，可为线路维护提供更加有效的信息支持。
并且，防护体顶部能够基于热胀冷缩原理实现自定升降，在温度高时，顶罩上升，使顶罩和防护主体之间具有透气间隙，有利于测量球体单元内的各电气元件的散热，当温度降低后，顶罩和防护主体之间密封，能够防止杂质和雨水等进入测量球体单元内，损坏各电气元件，从而能够保证各测量球体单元的正常运行及使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的安装结构示意图；
图2是本发明的原理示意图；
图3是本发明第一防护体和/或第二防护体的结构示意图；
图4是本发明的计算原理示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1～图4所示，一种架空输电线路弧垂在线监测系统，包括于输电线路悬挂的两端设置的倾角测量球体单元10，以及于输电线路弧垂最低处设置的对地距离测量球体单元20。
测量球体单元包括第一防护体，于第一防护体内设有第一微处理器11以及与第一微处理器11相连的倾角传感器12、温度传感器13、第一通信模块14和第一电源储能体15，所述温度传感器13的检测触头固定于输电线路上，关于温度传感器13的检测触头可伸出第一防护体外，所述第一通信模块14与置于基站内的数据接收装置通讯。当线路运行负荷以及其他因素导致线路弧垂发生变化时，倾角传感器12和温度传感器13将检测到的倾角值和温度值传输给第一微处理器11，第一微处理器11将该信息通过第一通信模块14传输至基站内的数据接收装置，然后再通过软件系统计算出输电线路的垂度。该系统可及时准确地监测到相关信息，并实时将现场监测数据通过无线通信网络传送到后台软件，使线路维护人员及时掌握高压输电线路的运行状态。关于温度数值的检测，可以探究温度对弧垂的影响。
该系统中，导线倾角测量是通过通过球体单元内部安装的倾角传感器12实现。根据牛顿第二定律，在一个系统内部，速度是无法测量的，但可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而计算出直线位移。因此，可以采用运用惯性原理的加速度传感器；当三轴倾角传感器12静止时，它只受垂直方向的重力加速度作用，其侧面X和Y方向都没有加速度，重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。
安装在导线悬挂处的倾角测量球体单元10实时测量导线的倾角，此倾角信息结合抛物线方程理论以及相关算法，可计算弧垂高度信息。
如图4所示，该导线二悬挂点A、B间的档距为l，高差为h(B高于A),导线档内最大的弧垂为:
f＝l2ω/8Hcosψ
式中,H为导线最低点水平张力,ω为导线单位长度的自重力(荷载)。悬挂点A、B处导线的倾斜角分别为:
θA＝arctan(lω/2Hcosψ-h/l)
θB＝arctan(lω/2Hcosψ+h/l)
将上述两式中ω/H代入第一个式子,可得:
f＝(l/4)(tanθA+h/l)
或f＝(l/4)(tanθB-h/l)
该函数关系表明测量悬挂点倾角可计算出线路的弧垂值。
由于悬挂点倾角的测量往往存在由于机械结构因素和传感器等导致的误差，所以还设置有对地距离测量球体单元20，可进一步提高弧垂测量的精度。对地距离测量球体单元20包括第二防护体，于第二防护体内设有第二微处理器21以及与第二微处理器21相连的微波测距模块22、报警模块23、第二通信模块24和第二电源储能体25，所述第二通信模块24与置于基站内的数据接收装置通讯。当线路运行负荷以及其他因素导致线路弧垂发生变化时，微波测距模块22将检测到的对地距离值传输给第二微处理器21，第二微处理器21将该信息通过第二通信模块24传输至基站内的数据接收装置，然后再对通过软件系统计算出输电线路的垂度进行校正。由于设置了报警模块23，当数据接收装置校对倾角测量球体单元10和对地距离测量球体单元20反馈的两垂度值相差较大时，则判定在输电线路弧垂的下方有外来物体侵入，第二微处理器21就会控制报警模块23报警，以驱除外寝物体。
系统中，红外测距精度低，距离近，方向性差。激光测距制作的难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量。超声波测距距离有限，对环境影响比较敏感。结合测距球体单元长时间挂在高压导线上，面临日晒雨淋等种种恶劣天气，极易受到风沙的侵袭的实际情况，所以选择了微波测距。因为微波测距对环境影响不敏感、在环境中损耗较小。
测距的基本原理就是测量回波信号相对发射信号的时间延迟，简单地说，就是测量电磁波往返传感器与目标之间的时间。设光速为C，电磁波往返传感器与目标之间的时间为τ，则目标相对传感器的距离R＝0.5Cτ。
该系统可以实现对重点线路和危险场所的弧垂实时监测与报警，实时掌握线路的温度和弧垂状态信息，确保线路在输送容量下的安全，也可以为线路动态增容提供保证，避免因导线弧垂引起的断线或对地放电等重大事故的发生。
该系统中，通过结合弧垂对地的直接测量则可修正弧垂的计算结果，可有效修正由于悬挂点倾角的测量往往存在由于机械结构因素和传感器等导致的误差，大大提高了弧垂的测量精度。而且，通过弧垂对地的直接测量，可获得导线对地的实际高度，在导线下方有突发事件如违章建筑、树木生长和工程机械等时，可为线路维护提供更加有效的信息支持。
其中，第一防护体和/或第二防护体呈球体结构，具有上下扣合的顶罩31和防护主体，所述防护主体的上部设有支撑架311，于支撑架311的中部竖直设有一储液罐312，所述储液罐312呈封闭式结构，其上部设有与其侧壁滑动配合的封盖，所述储液罐312内盛有能够基于热胀冷缩促使封盖沿储液罐312侧壁上下滑动的膨胀液，膨胀液可选用酒精，热胀冷缩效果明显，所述封盖与顶罩31之间设有连接杆313。为了便于安装个电气元件，在防护体内还设有安装杆37。
防护体顶部能够基于热胀冷缩原理实现自定升降，在温度高时，顶罩31上升，使顶罩31和防护主体之间具有透气间隙，有利于测量球体单元内的各电气元件的散热，当温度降低后，顶罩31和防护主体之间密封，能够防止杂质和雨水等进入测量球体单元内，损坏各电气元件，从而能够保证各测量球体单元的正常运行及使用寿命。
防护主体包括上下扣合并能够锁定的上防护罩32和下防护罩33，具体的，上防护罩32的下缘和下防护罩33的上缘均水平向外设有一圈翻边，两圈翻边借助固定螺栓锁定。
于上防护罩32和下防护罩33的交汇处设有能够使输电线路穿过的过线孔34，过线孔34由上防护罩32和下防护罩33的弧形缺口扣合构成，所述过线孔34的内壁上设有能够对输电线路挤压的弹性层341，所述过线孔34具有相对设置的两个。通过过线孔34的设置，一方面能够实现球体单元与输电线路的固定，并通过弹性层341实现二者之间无转动、无滑动，保证球体安装位置的稳定性；另一方面，输电线路部分位于球体内，有利于温度传感器13探头的安装。
第一电源储能体15和/或第二电源储能体25为超级电容，并连接有导线感应取电模块，所述导线感应取电模块通过开合式电流互感器卡在输电线路上获取能源，并通过整流及控制保护电路对超级电容充电，同样的导线感应取电模块位于球体内能够得到防护。
球体单元直接安装于高压导线上，为其提供稳定、可靠的供电电源是球体单元设计的关键之一。激光供能成本高，其长期运行的可靠性也难以保证；球体单元表面积有限，难以利用太阳能实现供电。针对高压导线的特点，本项目研究拟采用高压导线感应取电结合超级电容储能的方式进行球体单元的供电设计。初步估计球体单元的最大功耗约为5W，平均功耗在1W左右，这样的供电要求对于感应取电来说是合适的。感应取电供电的关键在于磁芯的选型、装配结构的设计、保护电路和电源管理控制算法的优化等。从电源可靠性考虑，需要有效解决取电效率和散热的问题，实际上，受球体重量的约束，磁芯截面积不宜设计过大，超级电容的容量也不宜设计过大。
在连接杆313上设有氢气囊314，氢气的密度小于空气，能够减轻顶罩31的重力，有利于向上升起。
顶罩31的下缘水平向外设有一圈防水翻边315，能够防止顶罩31与防护主体之间的缝隙漏雨。
第一防护体和/或第二防护体内腔的底部铺设有防潮层35，通过防潮层35吸附防护主体内的湿气，防止防护主体。
防潮层35下方对应的防护体上开设有透气孔36，能够使防护体内的空气得到流通，并且由透气孔36进入的空气能够得到防潮层35的吸附，使进入的空气的湿度交低，保证各电气元件使用环境的干燥度。
以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种架空输电线路弧垂在线监测系统，其特征在于，包括：
于输电线路悬挂的两端设置的倾角测量球体单元(10)，所述测量球体单元包括第一防护体，于第一防护体内设有第一微处理器(11)以及与第一微处理器(11)相连的倾角传感器(12)、温度传感器(13)、第一通信模块(14)和第一电源储能体(15)，所述温度传感器(13)的检测触头固定于输电线路上，所述第一通信模块(14)与置于基站内的数据接收装置通讯；
于输电线路弧垂最低处设置的对地距离测量球体单元(20)，所述对地距离测量球体单元(20)包括第二防护体，于第二防护体内设有第二微处理器(21)以及与第二微处理器(21)相连的微波测距模块(22)、报警模块(23)、第二通信模块(24)和第二电源储能体(25)，所述第二通信模块(24)与置于基站内的数据接收装置通讯；
其中，
所述第一防护体和/或第二防护体呈球体结构，具有上下扣合的顶罩(31)和防护主体，所述防护主体的上部设有支撑架(311)，于支撑架(311)的中部竖直设有一储液罐(312)，所述储液罐(312)呈封闭式结构，其上部设有与其侧壁滑动配合的封盖，所述储液罐(312)内盛有能够基于热胀冷缩促使封盖沿储液罐(312)侧壁上下滑动的膨胀液，所述封盖与顶罩(31)之间设有连接杆(313)。
2.根据权利要求1所述的一种架空输电线路弧垂在线监测系统，其特征在于，所述防护主体包括上下扣合并能够锁定的上防护罩(32)和下防护罩(33)，于上防护罩(32)和下防护罩(33)的交汇处设有能够使输电线路穿过的过线孔(34)，所述过线孔(34)的内壁上设有能够对输电线路挤压的弹性层(341)，所述过线孔(34)具有相对设置的两个。
3.根据权利要求2所述的一种架空输电线路弧垂在线监测系统，其特征在于，所述上防护罩(32)的下缘和下防护罩(33)的上缘均水平向外设有一圈翻边，两圈翻边借助固定螺栓锁定。
4.根据权利要求2所述的一种架空输电线路弧垂在线监测系统，其特征在于，所述第一电源储能体(15)和/或第二电源储能体(25)为超级电容，并连接有导线感应取电模块，所述导线感应取电模块通过开合式电流互感器卡在输电线路上获取能源，并通过整流及控制保护电路对超级电容充电。
5.根据权利要求1所述的一种架空输电线路弧垂在线监测系统，其特征在于，所述连接杆(313)上设有氢气囊(314)。
6.根据权利要求1所述的一种架空输电线路弧垂在线监测系统，其特征在于，所述顶罩(31)的下缘水平向外设有一圈防水翻边(315)。
7.根据权利要求1所述的一种架空输电线路弧垂在线监测系统，其特征在于，所述第一防护体和/或第二防护体内腔的底部铺设有防潮层(35)。
8.根据权利要求7所述的一种架空输电线路弧垂在线监测系统，其特征在于，于防潮层(35)下方的对应的防护体上开设有透气孔(36)。
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