CN113390456B - 一种输电导线任意脱冰形式模拟装置及动力响应监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种输电导线任意脱冰形式模拟装置及动力响应监测系统，在导线模型上均匀地布置若干个半自动化脱冰控制装置，通过控制电磁铁的通断电来实现对截流板上铁片的吸与放，达到控制截流板移动的目的，从而调节截流板上方形截留板孔与立方盒底部方形底板孔的错开面积，可以实现部分脱落、不同位置脱冰、控制脱冰速率及模拟融冰过程等；通过控制相邻半自动化脱冰控制装置的运行时间差，可以实现对拉链式脱冰等非同期脱冰形式的模拟；本发明通过张力传感器、动态应变仪和计算机得到导线模型实时张力数据；通过连接高精度工业相机的计算机即可得到位移测点处的位移变化时程。

Description

一种输电导线任意脱冰形式模拟装置及动力响应监测系统
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，尤其是涉及一种输电导线任意脱冰形式模拟装置及动力响应监测系统。
背景技术
据国家电网有限公司2014年至2018年500kV及以上输电线路故障停运统计可知，所有故障中冰害占比约33.6％，其中脱冰跳跃是导致输电线路冰害故障的主要原因。脱冰跳跃会导致相邻导线、导地线放电闪络、导线断线、金具受损、横担受损、杆塔破坏等严重故障，对输电线路安全运行带来极大的危害，造成重大经济损失和社会影响。因此研究覆冰输电导线脱冰后的动力响应特征，可以为电网防冰设计提供有效依据。
目前国内外学者已经对输电导线的覆冰、脱冰问题开展了大量的研究，但实际上，其研究手段基本是基于单一理想脱冰模式下的有限元分析，得到的结果也往往缺乏验证。真型输电线路覆冰及脱冰过程监测能够提供一些数据来检验目前输电线路考虑覆冰脱冰的设计方法，但真型线路通常架设在高空或地形险峻的复杂自然环境中，开展真型输电线路监测往往成本巨大且数据精度很难保证。
发明内容
本发明的第一个目的在于，针对背景技术中存在的问题，提供一种输电导线任意脱冰形式模拟装置。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述输电导线脱冰模拟装置包括：
-导线缩尺模型，所述导线缩尺模型包括钢丝绳、配重块、端部连接头、张力传感器、中间连接头，所述张力传感器串联在钢丝绳上，所述配重块固定至钢丝绳上，所述钢丝绳的两端经端部连接头固定至导线固定装置上，所述中间连接头用于串联张力传感器和钢丝绳；
-导线固定装置，所述导线固定装置包括固定柱和焊接在固定柱上的端板，所述端板上分别设有螺栓孔以通过预紧螺栓来调节导线缩尺模型的张力；
-半自动化脱冰控制装置，所述半自动化脱冰控制装置包括立方盒和两个电磁装置，所述立方盒无顶板且底板上设有多个方形底板孔，所述立方盒的底板下方设有截留板，所述截留板上设有多个方形截留板孔，所述截留板可沿着立方盒上设置的托举头左右滑移以形成截留板对底板孔的完全遮蔽、部分遮蔽和完全不遮蔽，所述截留板下方设有铁片，所述铁片与电磁装置相配合以实现左右滑移截留板，所述立方盒的上方刚性连接定至导线缩尺模型的钢丝绳上；
所述半自动化脱冰控制装置均匀地布设在钢丝绳上。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述电磁装置包括电磁盒和设置在电磁盒内的电磁铁，所述电磁盒固定至立方盒以使得至少部分电磁铁位于立方盒的下方以实现电磁铁对截留板上铁片的吸引而左右滑移截留板。
作为本发明的优选技术方案：所述电磁盒为ABS材料，所述电磁盒经螺栓固定在立方盒底板两对侧，所述电磁盒上开圆形孔洞放置电磁铁，所述电磁铁通过集成电路智能控制其通断电以控制吸放截流板上的铁片，达到左右滑移截流板。
作为本发明的优选技术方案：所述立方盒通过刚性连接头固定在钢丝绳上，所述立方盒为ABS材料以减轻半自动化脱冰控制装置本身的质量，所述立方盒内可以注入或卸下细沙，达到模拟输电导线覆冰脱冰的目的。
作为本发明的优选技术方案：所述刚性连接头采用刚度较大的铁板制作，所述刚性连接头由一块方形铁板和一块T字形铁板组成，所述方形铁板和T字形铁板通过螺栓固定在一起，所述方形铁板和T字形铁板预留孔洞，以达到固定在钢丝绳上的目的。
作为本发明的优选技术方案：所述托举头为ABS材料，所述托举头通过螺栓连接固定在立方盒底板两对侧且布置方向与截留板的滑移反向相垂直，所述托举头外观呈L形，所述托举头下端用于托举截流板使截流板与立方盒底板留置1mm间隙。
作为本发明的优选技术方案：所述铁片通过两块三角形ABS板与截流板粘牢，所述铁片与截流板呈垂直布置，所述铁片可在电磁铁的吸引下带动截流板在托举头上来回移动，所述截流板的移动可以调控与立方盒底板上方形底板孔的错开面积，达到控制卸沙快慢及实现任意脱冰模式的目的。
作为本发明的优选技术方案：所述方形底板孔的规格与方形截留板孔的规格完全相同。
作为本发明的优选技术方案：所述截留板在电磁装置的附近设有位移口，所述位移口用于在截留板左右滑移时容纳电磁装置以避免电磁装置阻碍截留板的左右滑移；所述位移口的尺寸不小于方形底板孔的尺寸。
本发明还有一个目的在于，提供一种输电导线脱冰动力响应监测系统。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种输电导线脱冰动力响应监测系统，其特征在于：所述输电导线脱冰动力响应监测系统包括前文所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置、动态应变仪，工业高精度相机以及计算机，所述动态应变仪分别与输电导线任意脱冰形式模拟装置内张力传感器以及计算机信号连接；所述工业高精度相机与计算机信号连接，所述工业高精度相机用于高帧率捕捉导线位移测量点的实时位移。
本发明提供一种输电导线任意脱冰形式模拟装置及动力响应监测系统，在导线模型上均匀地布置若干个半自动化脱冰控制装置，通过控制电磁铁的通断电来实现对截流板上铁片的吸与放，达到控制截流板移动的目的，从而调节截流板上方形截留板孔与立方盒底部方形底板孔的错开面积，可以实现部分脱落、不同位置脱冰、控制脱冰速率及模拟融冰过程等；通过控制相邻半自动化脱冰控制装置的运行时间差，可以实现对拉链式脱冰等非同期脱冰形式的模拟；本发明通过张力传感器、动态应变仪和计算机得到导线模型实时张力数据；通过连接高精度工业相机的计算机即可得到位移测点处的位移变化时程。本发明可以便捷、合理、准确的模拟输电导线均匀脱冰形式及非同期脱冰、非同步脱冰等不均匀脱冰形式下的动力响应，既克服了数值仿真分析中工作量大、计算效率低、结果准确性有待检验等问题，又弥补了真型线路监测带来的高成本低精度等不足。结合本发明所提供的动力响应监测系统可以在不同场址精准实现输电导线脱冰动态过程的模拟及响应监测，为各地输电线路脱冰跳跃动力响应研究提供了新的研究方法和技术手段。
附图说明
图1为本发明所提供的输电导线脱冰动力响应监测系统的立体图。
图2为输电导线任意脱冰形式模拟装置的一个局部图示。
图3a-3j为半自动化脱冰控制装置的图示，其中：图3a-3c为半自动化脱冰控制装置的立体图，图3d-3e为立方盒的立体图，图3f为刚性连接头的立体图，图3g为托举头的立体图，图3h为电磁盒的立体图，图3i为铁片的立体图，图3j为截流板的立体图。
图4a为导线模型拉链式脱冰的位移振动曲线。
图4b为导线模型非同步脱冰的位移振动曲线。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
一种输电导线脱冰动力响应监测系统，包括半自动化脱冰控制装置1、张力传感器2、导线缩尺模型3、动态应变仪4、计算机5、高精度工业相机6、导线固定装置7。高精度工业相机6与计算机5连接。图1中示出了15个半自动化脱冰控制装置。
半自动化脱冰控制装置1包括铁片101，截流板111，电磁盒121，托举头131，刚性连接头141，立方盒151。半自动化脱冰控制装置1通过刚性连接头141与钢丝绳301固接，截流板111通过托举头131与立方盒151底板155保持1mm间隙，电磁盒121的预留孔洞124内放置电磁铁，电磁盒121通过固定螺栓122与立方盒151固接。
导线缩尺模型3包括钢丝绳301，配重块302，配重块固定螺栓303，端部连接头304，张力传感器2，中间连接头305，连接螺栓306。钢丝绳301用来模拟导线轴向刚度，钢丝绳301两端是环氧树脂固结的端部连接头304，模型借助穿过钢丝绳的配重块303来实现模型与原型之间的线密度相似，张力传感器2通过连接螺栓306与中间连接头305与两段钢丝绳进行串联，配重块302通过两侧的固定螺栓303进行固定，以防止配重块在试验过程中沿钢丝绳左右滑动。
导线固定装置7包括固定柱701和焊接在固定柱701上的端板702，端板702上设有螺栓孔，预紧螺栓703穿过螺栓孔与端部连接头304进行连接；
在本实施例中：立方盒151预留限位孔152用于连接固定螺栓145，立方盒151预留限位孔153用于连接固定螺栓122，立方盒151预留限位孔154用于连接固定螺栓132，立方盒151的底板155上设有用于漏沙的底板孔，以使细沙顺利卸下。
在本实施例中：立方盒151通过固定螺栓145与刚性连接头141固接，刚性连接头141通过固定螺栓146与钢丝绳301刚性连接，钢丝绳301固定在方形板143与T形板142之间的限位孔144内。
在本实施例中：铁片101通过连接板102与截流板111连接。
在本实施例中：截流板111通过托举头131与立方盒151保持1mm的间隙，托举头131通过固定螺栓132与立方盒151固接，托举头131用于支撑截流板111，截流板111上设有用于漏沙的截留板孔112，以实现立方盒151内的细沙顺利卸下，截流板111上设有位移口113，其位置与电磁盒121安装位置一致，以确保电磁盒121不会阻碍截流板111的移动。
在本实施例中：电磁盒121通过固定螺栓122与立方盒151固接，预留孔洞124用于放置电磁铁。
半自动化脱冰控制装置1主要由ABS材料和铁制备而成，立方盒151由ABS塑料板制备而成，其尺寸为长150mm*宽150mm*高150mm*厚2mm，其上开有限位孔152、153和154，直径均为5mm，底板155和截流板111上设的漏沙孔洞尺寸为长30mm*宽30mm，截流板111由ABS塑料板制备而成，其尺寸为长180mm*宽150mm*厚2mm，铁片101的尺寸为长30mm*宽30mm*厚5mm，连接板123和102由ABS塑料板制备而成，其尺寸为长10mm*宽10mm*厚5mm，电磁盒121由ABS塑料板制备而成，其方形盒的尺寸为长30mm*宽30mm*高30mm，预留孔洞124尺寸为直径25mm*高30mm，截流板111上的位移口113尺寸为长60mm*宽30mm，托举头131由铁制作而成，呈L形，其尺寸为短边10mm*长边20mm*厚2mm，刚性连接头141由铁制作而成，呈T字形，其尺寸为长15mm*宽15mm*高20mm，限位孔144直径3mm。
导线缩尺模型3由不锈钢和铁制备而成，钢丝绳301选择7*7股的钢绞线，总体尺寸为长16m*直径5mm，配重块302为了便于切割加工，采用铁材加工制成，尺寸为内径6mm*外径48mm*高50mm，单个重量为512g；张力传感器2通过12mm的螺栓与两个中间连接头305进行连接。张力传感器2使用BUFSON BSLM-5膜合应变式拉压力传感器，传感器量程为0～1000kg，采用高精度全桥应变式技术，结构紧凑、响应频率高，防护等级较高。
动态应变仪4为江苏东华测试技术股份有限公司的DH3817F动静态应变测试分析系统，采样速率最高可达1kHz，最高分辨率1με，系统示值误差不大于0.5％±3με，系统安装方便、操作简单，具有优良的性能。
高精度工业相机6为Brumer高帧率相机，采样速率最高可达200Hz，可以同时识别多个位移点的水平及竖向位移变化，相机有配套的数据处理软件，系统安装方便、操作简单，具有优良的性能。
上述一种输电导线任意脱冰形式模拟装置的动力响应监测系统通过如下方法进行响应监测：
1、首先在15个半自动化脱冰控制装置1内分别注入适量细沙模拟导线覆冰，选择合适的高帧率相机位移观测点。
2、利用Brumer高帧率相机对导线承载静止状态下的位置进行标定。
3、选取合适的脱冰形式。
4、打开张力传感器2、动态应变仪4、计算机5和工业高精度相机3，连接并调试好仪表和软件。
5、通过电磁铁对卸沙过程进行控制，通过卸沙模拟导线模型脱冰过程，导线模型在卸沙激励的作用下振动。
6、本试验使用动态应变仪4记录导线模型张力变化时程，采样频率为500Hz，可以读取每个加载过程张力的实时数值；使用计算机5可以高帧率捕捉导线位移观测点处的位移变化，采样频率为80Hz。
下面用具体的试验来验证本发明所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置的效果，图4a为导线模型拉链式脱冰的位移振动曲线，图(a)、(b)、(c)的脱冰速度分别取5m/s、10m/s、20m/s，脱冰顺序为从两端到中间，模拟脱冰质量为36kg，位移监测点为跨中位置。图4b为导线模型非同步脱冰的位移振动曲线，将整跨覆冰分成三等分，图(a)、(b)、(c)的工况分别为左中右、先两端再中间、先中间再两端，模拟脱冰质量为36kg，位移监测点为跨中位置。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述输电导线脱冰模拟装置包括：
-导线缩尺模型，所述导线缩尺模型包括钢丝绳、配重块、端部连接头、张力传感器、中间连接头，所述张力传感器串联在钢丝绳上，所述配重块固定至钢丝绳上，所述钢丝绳的两端经端部连接头固定至导线固定装置上，所述中间连接头用于串联张力传感器和钢丝绳；
-导线固定装置，所述导线固定装置包括固定柱和焊接在固定柱上的端板，所述端板上分别设有螺栓孔以通过预紧螺栓来调节导线缩尺模型的张力；
-半自动化脱冰控制装置，所述半自动化脱冰控制装置包括立方盒和两个电磁装置，所述立方盒无顶板且底板上设有多个方形底板孔，所述立方盒的底板下方设有截留板，所述截留板上设有多个方形截留板孔，所述截留板可沿着立方盒上设置的托举头左右滑移以形成截留板对底板孔的完全遮蔽、部分遮蔽和完全不遮蔽，所述截留板下方设有铁片，所述铁片与电磁装置相配合以实现左右滑移截留板，所述立方盒的上方刚性连接定至导线缩尺模型的钢丝绳上；
所述半自动化脱冰控制装置均匀地布设在钢丝绳上。
2.根据权利要求1所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述电磁装置包括电磁盒和设置在电磁盒内的电磁铁，所述电磁盒固定至立方盒以使得至少部分电磁铁位于立方盒的下方以实现电磁铁对截留板上铁片的吸引而左右滑移截留板。
3.根据权利要求2所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述电磁盒为ABS材料，所述电磁盒经螺栓固定在立方盒底板两对侧，所述电磁盒上开圆形孔洞放置电磁铁，所述电磁铁通过集成电路智能控制其通断电以控制吸放截流板上的铁片，达到左右滑移截流板。
4.根据权利要求1所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述立方盒通过刚性连接头固定在钢丝绳上，所述立方盒为ABS材料以减轻半自动化脱冰控制装置本身的质量，所述立方盒内可以注入或卸下细沙，达到模拟输电导线覆冰脱冰的目的。
5.根据权利要求4所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述刚性连接头采用刚度较大的铁板制作，所述刚性连接头由一块方形铁板和一块T字形铁板组成，所述方形铁板和T字形铁板通过螺栓固定在一起，所述方形铁板和T字形铁板预留孔洞，以达到固定在钢丝绳上的目的。
6.根据权利要求1所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述托举头为ABS材料，所述托举头通过螺栓连接固定在立方盒底板两对侧且布置方向与截留板的滑移反向相垂直，所述托举头外观呈L形，所述托举头下端用于托举截流板使截流板与立方盒底板留置1mm间隙。
7.根据权利要求1所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述铁片通过两块三角形ABS板与截流板粘牢，所述铁片与截流板呈垂直布置，所述铁片可在电磁铁的吸引下带动截流板在托举头上来回移动，所述截流板的移动可以调控与立方盒底板上方形底板孔的错开面积，达到控制卸沙快慢及实现任意脱冰模式的目的。
8.根据权利要求1所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述方形底板孔的规格与方形截留板孔的规格完全相同。
9.根据权利要求1所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置，其特征在于：所述截留板在电磁装置的附近设有位移口，所述位移口用于在截留板左右滑移时容纳电磁装置以避免电磁装置阻碍截留板的左右滑移；所述位移口的尺寸不小于方形底板孔的尺寸。
10.一种输电导线脱冰动力响应监测系统，其特征在于：所述输电导线脱冰动力响应监测系统包括权利要求1-9中任意一项所述的输电导线任意脱冰形式模拟装置、动态应变仪，工业高精度相机以及计算机，所述动态应变仪分别与输电导线任意脱冰形式模拟装置内张力传感器以及计算机信号连接；所述工业高精度相机与计算机信号连接，所述工业高精度相机用于高帧率捕捉导线位移测量点的实时位移。
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