CN113324489A - 一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法 - Google Patents

一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,它包括:在覆冰地区选择拟监测的输电线路的一个档距段,采集杆塔呼称高、线路档距和地形特征原始数据,获得导线覆冰在线监测的位置信息和基础信息;在杆塔塔身上安装激光跟踪装置,在导线弧垂最低点安装激光捕获反射装置,采集导线的最低弧垂;建立包含所选择输电线路所在地形位置在各种天气条件下弧垂变化的线路状态方程,得到以地面基点和杆塔塔身激光发射点为参考位置的弧垂变化曲线;建立监测线段弧垂变化与冰厚关系的数学模型;根据弧垂变化与等值覆冰厚度的关系,得到等值覆冰厚度值;解决了现有技术未能实现对输电线路覆冰的稳定、精确在线监测等技术问题。

Description

一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法
技术领域
本发明属于覆冰厚度监测技术领域,尤其涉及一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法。
技术背景
输电线路覆冰严重危害电网的安全运行,但国内外目前上没有一种精确监测输电线路导线覆冰厚度和状态的方法,目前典型的覆冰监测方法有力学测量法,覆冰预测法、图像处理法、模拟导线法等。力学测量法根据导线覆冰后轴向应力变化,通过测量悬挂端应力及倾角,计算得到导线等值覆冰厚度,该方法结构简单且测量准确,但拉力传感器在低温高湿环境下的稳定性及寿命问题一直制约着其发展;在此基础上,非接触式测量法受到更多研究者关注,随着图像处理及无人机技术的发展,通过定点或无人机拍摄导线覆冰后图像并处理得到导线覆冰厚度的方法逐渐得以运用,该法测量简便且成本低廉,但雾雪天可见度低导致覆冰图像拍摄不清晰的问题使该方法使用受限;覆冰预测及模拟导线监测属于间接测量,其精度目前仍无法满足工程对线路覆冰实时监测的需求。综上所述,已有覆冰监测方法一定程度上实现了对导线覆冰的监测及预测,但由于各类因素制约,仍未能实现对输电线路覆冰的稳定、精确在线监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,以解决现有技术未能实现对输电线路覆冰的稳定、精确在线监测等技术问题。
本发明技术方案:
一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,它包括:
步骤1、在覆冰地区选择拟监测的输电线路的一个档距段,并采集杆塔呼称高、线路档距和地形特征原始数据,确定最低弧垂对应的地面基点,获得导线覆冰在线监测的位置信息和基础信息;
步骤2、在杆塔塔身上安装激光跟踪装置,在导线弧垂最低点安装激光捕获反射装置,采集导线的最低弧垂;
步骤3、建立包含所选择输电线路所在地形位置在各种天气条件下弧垂变化的线路状态方程,得到以地面基点和杆塔塔身激光发射点为参考位置的弧垂变化曲线;
步骤4、建立监测线段弧垂变化与冰厚关系的数学模型;
步骤5、根据激光跟踪装置与激光捕获反射装置得到的距离,计算得到弧垂变化的距离,并根据弧垂变化与等值覆冰厚度的关系,得到等值覆冰厚度值。
步骤6、当等值覆冰厚度值超过预警值时通过无线网络发送至工作人员的监控终端。
步骤1所述基础信息包括:导线外径D、导线横截面积S;导线段档距l、导线段之间的高差角β、档距段导线总质量M0、导线温度伸长系数α和导线弹性系数E。
所述激光跟踪装置固定在杆塔上;离地面3米以上。
步骤3所述线路状态方程为
Figure BDA0003085109650000031
式中σ0为导线运行状态下最低点水平应力、E为导线弹性系数α为导线温度伸长系数、ti为运行状态下导线的表面温度、σsd为导线在标况状态下应力的水平分量、γsd为导线在标况下的比载、tref为导线标况下的温度、l为导线档距。
步骤4所述建立监测线段弧垂变化与冰厚关系的数学模型的方法包括:在已知绞线及线段具体参数的情况下,可通过未覆冰时最大弧垂(fM-ref)计算得出导线线长
Figure BDA0003085109650000032
比载(γref)和应力(σref):
Figure BDA0003085109650000033
Figure BDA0003085109650000034
γref=M0g/Lref (3)
Figure BDA0003085109650000035
式中:M0为导线总质量、l为导线档距、β为导线高差角、a、b和c为中间变量;
当导线覆冰时,由于冰重的作用弧垂发生变化
Figure BDA0003085109650000036
不断监测环境温度ti变化和覆冰导线弧垂变化
Figure BDA0003085109650000037
并用fM-i代替fM-ref由式(1)~(4)计算覆冰状态下线长
Figure BDA0003085109650000038
比载γi和应力σi,进一步由式(5)
求得导线在覆冰条件下某时刻Ti等值覆冰厚di
按照式(5)计算导线等值覆冰厚度di,即
Figure BDA0003085109650000039
其中
Figure BDA0003085109650000041
式中S为导线横截面积、D为导线外径、fM-i为运行状态下的导线弧垂、c1、c2、c3和c4为中间变量。
步骤6所述当等值覆冰厚度值超过预警值时通过无线网络发送至工作人员的监控终端的方法为:采用手机APP应用程序和手机模块的通讯方式方法,实现监测数据与状态的实施动态在线监测;预先采用手机APP应用程序启动监测装置,当在覆冰条件下架空输电线路导地线覆冰时,采用激光跟踪捕获导线最低弧垂点的方法确定弧垂的变化,根据计算模型精确监测导线的覆冰厚度和状态,实现输电线路导线的覆冰自动监测;采用手机通讯和APP应用程序的方式及时通知相关人员输电线路覆冰的状态。
本发明有益效果:
本发明能够准确实时监测导(地)线的覆冰厚度,并采用手机通讯和APP应用程序的方式及时通知相关人员输电线路覆冰的状态,进而采取必要的技术手段防冰输电线路发生覆冰灾害事故,从而避免因导线覆冰过载而发生供电失效和输电线路灾害;该方法可在输电线路不停电条件下实时动态监测覆冰状态,在等值覆冰厚度计算结果精度理论上与力学监测法相等,同时弧垂测量也具有极高的稳定性,确保及时掌握输电线路覆冰的安全状态,从而达到防止导线因覆冰过载导致输电线路发生覆冰灾害,进而保证输电线路系统的安全稳定运行,避免由于导线覆冰引发事故和灾害带来的巨大经济效益和社会影响;解决了现有技术未能实现对输电线路覆冰的稳定、精确在线监测等技术问题。
附图说明:
图1为本发明的流程图;
图2为本发明根据弧垂变化计算等值覆冰厚度的原理示意图;
图3为本发明的激光跟踪捕获测距的原理示意图。
具体实施方式:
以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明,如图所示:
本发明提供的一种基于导线弧垂变化的等值覆冰厚度的监测方法,包括如下步骤:
在严重覆冰的地区选择拟监测的输电线路的一个档距段,并获得杆塔呼称高、线路档距和地形特征等原始数据,确定最低弧垂对应的地面基点,获得导线覆冰在线监测的位置信息和基础信息。
具体地,本发明所提出的一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法可应用于重病区具有代表性或指定需要监测的输电线路的线段上,以反映局部区域的输电线路覆冰情况。对选定的线段,需根据设计运行资料、设计手册和施工规程等,确定监测段导线的原始数据信息:导线外径(D,mm)、导线横截面积S,mm2;为导线段档距l,m、导线段之间的高差角β,rad、档距段导线总质量M0,kg、导线温度伸长系数α,10-6-1、导线弹性系数E,kg/m等。
在杆塔塔身离地一定高度上安装激光跟踪装置,在导线弧垂最低点安装激光捕获反射装置,捕获导(地)线的最低弧垂,激光跟踪定位是本发明提供的监测手段。
具体地,如图2所示,在所需监测线段一端的杆塔上安装激光跟踪装置,为避免地面树枝等其他物体的干扰,激光跟踪装置本身需具有一定的安装高度,需在3m以上,根据实际遮挡物程度而调整;在导线弧垂的最低点安装用于激光捕获的反射装置。特别地,通过激光跟踪装置和反射装置进行激光跟踪定位的方法是本发明的监测手段。
建立包含所选择输电线路所在地形位置线段在各种天气条件下弧垂变化的线路状态方程如下,并得到定制的以地面基点和杆塔塔身激光发射点为参考位置的弧垂变化曲线。
Figure BDA0003085109650000061
式中σ0为导线运行状态下最低点水平应力,N/mm2;E为导线弹性系数,N/mm2;α为导线温度伸长系数,10-6·℃-1;ti为运行状态下导线的表面温度,℃;σsd为导线在标况状态下应力的水平分量,N/mm2;γsd为导线在标况下的比载,N/(mm2·m);tref为导线标况下的温度,℃;l为导线档距,m。
具体地,输电线路导(地)线一般使用钢筋铝绞线(或钢绞线),绞线因金属材料热胀冷缩的固有特性会随大气温度的变化而改变长度,因绞线两端的杆塔位置固定,绞线长度的变化将反应在弧垂高度的增减上。为排除温度变化对绞线弧垂测量的影响,需先获得不同天气条件下的无覆冰弧垂基准参考值。
建立监测线段弧垂变化与冰厚关系的数学模型,根据激光跟踪与捕获装置得到的距离,计算得到弧垂变化的距离,并根据弧垂变化与等值覆冰厚度的关系,得到等值覆冰厚度。
具体地,如图2所示,在已知绞线及线段具体参数的情况下,可通过未覆冰时最大弧垂(fM-ref)计算得出导线线长
Figure BDA0003085109650000071
比载(γref)和应力(σref):
Figure BDA0003085109650000072
Figure BDA0003085109650000073
γref=M0g/Lref (3)
Figure BDA0003085109650000074
其中M0为放线总质量,kg;l为导线档距,m;β为导线高差角,rad。
当导线覆冰时,由于冰重的作用弧垂发生变化
Figure BDA0003085109650000075
不断监测环境温度(ti)变化和覆冰导线弧垂变化
Figure BDA0003085109650000076
并用fM-i代替fM-ref由式(1)~(4)计算覆冰状态下线长
Figure BDA0003085109650000077
比载(γi)和应力(σi),进一步由式(5)求得导线在覆冰条件下某时刻(Ti)等值覆冰厚度(di)。
进一步按照式(5)计算导线等值覆冰厚度(di),即
Figure BDA0003085109650000078
其中
Figure BDA0003085109650000079
式中S为导线横截面积,mm2;D为导线外径,mm;fM-i为运行状态下的导线弧垂,m。
通过上述弧垂变化的数学模型,可得到静态冰层厚度的计算模型,也就是导(地)线实际覆冰所对应的密度为0.9g/cm3的等值覆冰厚度。此外,实际导(地)线覆冰存在各种形状,从对杆塔系统的力学特性上,可等效为圆形覆冰,故本发明还包括了所得到的纯冰等值覆冰厚度也剔除了覆冰性状的影响。
S6.覆冰厚度达到预警值时通知相关人员。
具体地,本发明采用手机APP应用程序和手机模块的通讯方式方法,实现监测数据与状态的实施动态在线监测。在冬季来临之时,预先采用手机APP应用程序启动智能监测装置,当在覆冰条件下架空输电线路导地线覆冰时,导(地)线表面积覆冰层,随着冰层厚度的增加,导(地)线对地的弧垂发生变化,采用本发明所采用的激光跟踪捕获导(地)线最低弧垂点的方法确定弧垂的变化,根据数值计算模型,精确监测导线的覆冰厚度和状态,实现输电线路导(地)线的覆冰自动监测。采用手机通讯和APP应用程序的方式及时通知相关人员输电线路覆冰的状态,进而采取必要的技术手段防冰输电线路发生覆冰灾害事故,从而避免因导线覆冰过载而发生供电失效和输电线路灾害。该方法可在输电线路不停电条件下实时动态监测覆冰状态,确保及时掌握输电线路覆冰的安全状态,从而达到防止导线因覆冰过载导致输电线路发生覆冰灾害,进而保证输电线路系统的安全稳定运行,避免由于导线覆冰引发事故和灾害带来的巨大经济效益和社会影响。

Claims (8)

1.一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,它包括:
步骤1、在覆冰地区选择拟监测的输电线路的一个档距段,并采集杆塔呼称高、线路档距和地形特征原始数据,确定最低弧垂对应的地面基点,获得导线覆冰在线监测的位置信息和基础信息;
步骤2、在杆塔塔身上安装激光跟踪装置,在导线弧垂最低点安装激光捕获反射装置,采集导线的最低弧垂;
步骤3、建立包含所选择输电线路所在地形位置在各种天气条件下弧垂变化的线路状态方程,得到以地面基点和杆塔塔身激光发射点为参考位置的弧垂变化曲线;
步骤4、建立监测线段弧垂变化与冰厚关系的数学模型;
步骤5、根据激光跟踪装置与激光捕获反射装置得到的距离,计算得到弧垂变化的距离,并根据弧垂变化与等值覆冰厚度的关系,得到等值覆冰厚度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,其特征在于:它还包括:步骤6、当等值覆冰厚度值超过预警值时通过无线网络发送至工作人员的监控终端。
3.根据权利要求1所述的一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,其特征在于:步骤1所述基础信息包括:导线外径D、导线横截面积S;导线段档距l、导线段之间的高差角β、档距段导线总质量M0、导线温度伸长系数α和导线弹性系数E。
4.根据权利要求1所述的一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,其特征在于:所述激光跟踪装置固定在杆塔上;离地面3米以上。
5.根据权利要求1所述的一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,其特征在于:步骤3所述线路状态方程为
Figure FDA0003085109640000021
式中σ0为导线运行状态下最低点水平应力、E为导线弹性系数α为导线温度伸长系数、ti为运行状态下导线的表面温度、σsd为导线在标况状态下应力的水平分量、γsd为导线在标况下的比载、tref为导线标况下的温度、l为导线档距。
6.根据权利要求1所述的一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,其特征在于:步骤4所述建立监测线段弧垂变化与冰厚关系的数学模型的方法包括:
在已知绞线及线段具体参数的情况下,可通过未覆冰时最大弧垂(fM-ref)计算得出导线线长
Figure FDA0003085109640000022
比载(γref)和应力(σref):
Figure FDA0003085109640000023
Figure FDA0003085109640000024
γref=M0g/Lref (3)
Figure FDA0003085109640000025
式中:M0为导线总质量、l为导线档距、β为导线高差角、a、b和c为中间变量;
当导线覆冰时,由于冰重的作用弧垂发生变化
Figure FDA0003085109640000026
不断监测环境温度ti变化和覆冰导线弧垂变化
Figure FDA0003085109640000031
并用fM-i代替fM-ref由式(1)~(4)计算覆冰状态下线长
Figure FDA0003085109640000032
比载γi和应力σi,进一步由式(5)求得导线在覆冰条件下某时刻Ti等值覆冰厚di
7.根据权利要求6所述的一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,其特征在于:
按照式(5)计算导线等值覆冰厚度di,即
Figure FDA0003085109640000033
其中
Figure FDA0003085109640000034
式中S为导线横截面积、D为导线外径、fM-i为运行状态下的导线弧垂、c1、c2、c3和c4为中间变量。
8.根据权利要求2所述的一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法,其特征在于:步骤6所述当等值覆冰厚度值超过预警值时通过无线网络发送至工作人员的监控终端的方法为:采用手机APP应用程序和手机模块的通讯方式方法,实现监测数据与状态的实施动态在线监测;预先采用手机APP应用程序启动监测装置,当在覆冰条件下架空输电线路导地线覆冰时,采用激光跟踪捕获导线最低弧垂点的方法确定弧垂的变化,根据计算模型精确监测导线的覆冰厚度和状态,实现输电线路导线的覆冰自动监测;采用手机通讯和APP应用程序的方式及时通知相关人员输电线路覆冰的状态。
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