CN113483927A - 一种架空电缆风摆监测方法、装置、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种架空电缆风摆监测方法、装置、系统及存储介质，该方法包括：获取待测摆动波长、参考摆动波长以及第一风摆次数；根据待测摆动波长和参考摆动波长，分别确定对应周期性变化的待测幅度和预设摆动幅度；确定待测幅度和预设摆动幅度之间的幅度比值，并根据第一风摆次数和幅度比值进行预警。本发明将整个输电电缆抽象成单摆，将覆冰、风偏的影响转换成对输电线路重心位置的改变，以此利用光纤光栅应力传感器的波长周期信号，记录绝缘子芯棒的应力波动，监测输电线路风偏的次数以及风偏的幅度，计算输电电缆的覆冰情况，结合多方面因素快速准确完成预警。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路监测技术领域，尤其涉及一种架空电缆风摆监测方法、装置、系统及存储介质。
背景技术
高压架空电缆在外界风力的作用下会发生风摆现象，反复扭摆运动往往导致绞合导线在与绝缘子连接处发生松股、导线疲劳损伤甚至断股情况，尤其是在输电线路结冰、风级较高时，导线风阻面积变大、所受风力变强，导线风摆情况加剧时，上述事故极易发生，这严重威胁着电网的安全稳定运行。
而造成与绝缘子连接处的绞合电缆松股、导线屈服疲劳甚至断股情况的原因在于架空电缆的往复摆动，导致绞合电缆与绝缘子的连接处承受反复的扭转运动，造成绞合电缆连接处金属材料的疲劳损伤，疲劳损伤初期往往表现绞合电缆的松股现象，引起绞合电缆抗拉强度较低；随着材料疲劳损伤进一步加大，造成绞合电缆断股现象，进而发生电缆断裂事故。材料疲劳损伤程度与反复的扭转运动次数以及扭转幅度密切相关。在反复的扭转运动作用下，绞合缆与绝缘子的连接处金属材料承受交变的剪切应力作用，局部高应力区形成微小裂纹，随着扭转运动次数增多，微小裂纹逐渐扩展，进一步发生断股甚至断缆情况。当然风摆程度不同引起反复的扭转程度也不同，大幅度扭转运动对电缆形成更大的交变剪切负作用，则少量次数扭转累积也会造成断股情况的发生。风摆现象极易发生在严冬气候环境下，架空电缆出现覆冰，架空电缆与绝缘子连接处承受拉力增加，而电缆覆冰增加导线风阻面积，在风力作用下导线风摆幅度加大，多重因素将加剧连接处金属材料疲劳恶化。综上，如何高效地预警风摆运动对电缆与绝缘子连接处的危害程度是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种架空电缆风摆监测方法、装置、系统及存储介质，用以解决如何高效地预警风摆运动对电缆与绝缘子连接处的危害程度的问题。
本发明提供一种架空电缆风摆监测方法，包括：
获取待测摆动波长、参考摆动波长以及第一风摆次数，其中，架空电缆以两头绝缘端子为固定支点，所述绝缘端子的芯棒上设置有光纤光栅，所述待测摆动波长和所述参考摆动波长分别为所述架空电缆在以任意条件和预设条件下监测到的光栅中心波长，所述第一风摆次数为所述架空电缆在以所述预设条件下摆动时的摆动次数；
根据所述待测摆动波长和所述参考摆动波长，分别确定对应周期性变化的待测幅度和预设摆动幅度；
确定所述待测幅度和所述预设摆动幅度之间的幅度比值，并根据所述第一风摆次数和所述幅度比值进行预警。
进一步地，所述预设条件包括：所述架空电缆受到预设强度侧风作用时发生一般风摆。
进一步地，所述确定所述待测幅度和所述预设摆动幅度之间的幅度比值，并根据所述第一风摆次数和所述幅度比值进行预警包括：
根据所述待测幅度和所述预设摆动幅度的比值，确定所述幅度比值；
根据所述第一风摆次数和所述幅度比值的乘积，确定所述待测摆动波长对应的第二风摆次数；
根据所述第二风摆次数进行预警。
进一步地，所述预设条件包括：所述架空电缆在无覆冰状态时发生一般风摆。
进一步地，所述确定所述待测幅度和所述预设摆动幅度之间的幅度比值，并根据所述第一风摆次数和所述幅度比值进行预警包括：
根据所述待测摆动波长和所述参考摆动波长的比值，确定波长比值；
根据所述待测幅度和所述预设摆动幅度的比值，确定所述幅度比值；
根据所述第一风摆次数、所述波长比值以及所述幅度比值的乘积，确定所述待测摆动波长对应的第二风摆次数；
根据所述第二风摆次数进行预警。
进一步地，所述根据所述第二风摆次数进行预警包括：将所述第二风摆次数与不同的预设次数进行比较，根据比较结果进行不同等级的预警。
本发明还提供一种架空电缆风摆监测装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上所述的架空电缆风摆监测方法。
本发明还提供一种架空电缆风摆监测系统，包括架空电缆、绝缘端子、设置在所述绝缘端子芯棒的光纤光栅以及如上所述的架空电缆风摆监测装置，其中，所述架空电缆的两端以所述绝缘端子为固定支点。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如上所述的架空电缆风摆监测方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，进行待测摆动波长、参考摆动波长以及第一风摆次数的有效获取，以架空电缆在预设条件下的光栅中心波长为参考，将任意条件下的待测摆动波长与参考摆动波长进行对比，以便结合参考摆动波长对应的第一风摆次数，确定待测摆动波长对应的风摆次数；然后，通过待测幅度和预设摆动幅度，实现对绝缘子受到的拉力进行监测，监测光栅波长变化的幅度大小可以判断风摆程度，从而判断其危害等级；最后，根据幅度比值反馈幅度的变化，结合第一风摆次数和幅度的变化进行有效的预警。综上，本发明将整个输电电缆抽象成单摆，将覆冰、风偏的影响转换成对输电线路重心位置的改变，以此利用光纤光栅应力传感器的波长周期信号，记录绝缘子芯棒的应力波动，监测输电线路风偏的次数以及风偏的幅度，计算输电电缆的覆冰情况，结合多方面因素快速准确完成预警。
附图说明
图1为本发明提供的架空电缆风摆监测方法的流程示意图；
图2为本发明提供的架空电缆示意图；
图3为本发明提供的预警的流程示意图一；
图4为本发明提供的不同风力下输电线路风摆状态的变化示意图；
图5为本发明提供的预警的流程示意图二；
图6为本发明提供的覆冰前后输电线路风摆状态的变化示意图；
图7为本发明提供的架空电缆风摆监测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种架空电缆风摆监测方法，结合图1来看，图1为本发明提供的架空电缆风摆监测方法的流程示意图，上述架空电缆风摆监测方法包括步骤S1至步骤S3，其中：
在步骤S1中，获取待测摆动波长、参考摆动波长以及第一风摆次数，其中，架空电缆以两头绝缘端子为固定支点，绝缘端子的芯棒上设置有光纤光栅，待测摆动波长和参考摆动波长分别为架空电缆在以任意条件和预设条件下监测到的光栅中心波长，第一风摆次数为架空电缆在以预设条件下摆动时的摆动次数；
在步骤S2中，根据待测摆动波长和参考摆动波长，分别确定对应周期性变化的待测幅度和预设摆动幅度；
在步骤S3中，确定待测幅度和预设摆动幅度之间的幅度比值，并根据第一风摆次数和幅度比值进行预警。
在本发明实施例中，首先，进行待测摆动波长、参考摆动波长以及第一风摆次数的有效获取，以架空电缆在预设条件下的光栅中心波长为参考，将任意条件下的待测摆动波长与参考摆动波长进行对比，以便结合参考摆动波长对应的第一风摆次数，确定待测摆动波长对应的风摆次数；然后，通过待测幅度和预设摆动幅度，实现对绝缘子受到的拉力进行监测，监测光栅波长变化的幅度大小可以判断风摆程度，从而判断其危害等级；最后，根据幅度比值反馈幅度的变化，结合第一风摆次数和幅度的变化进行有效的预警。
需要说明的是，结合图2来看，图2为本发明提供的架空电缆示意图。图2中，1为塔架，起到固定并架空电缆作用；2为电绝缘子，起到将电缆3固定在塔架1上并同时将电缆3与塔架1电隔绝的作用；电缆3两端分别固定在两侧塔架的电绝缘子2上，受重力作用自由悬垂并对两侧绝缘子产生拉力，将光纤光栅粘贴在绝缘子芯棒上，即可通过光栅实现对绝缘子受到的拉力进行监测，当绝缘子受到某一恒定拉力作用，则光栅波长恒定在某一固定值；当绝缘子受到电缆的拉力增大或减小时，光栅波长也将对应的增大或减小。当电缆受到侧向力作用(如风吹)发生摆动时，其往复摆动运动可以简化成以电缆重心为质点，质点到电缆两端连线的铅锤距离为摆长L的单摆运动。
优选地，预设条件包括：架空电缆受到预设强度侧风作用时发生一般风摆。作为具体实施例，本实施例以发生一般风摆为参考，作用在绝缘子芯棒上导致其受到应力发生起伏，粘贴其表面的光栅的中心波长将发生周期性波动，其波动以静止状态时的中心波长为中心，此时，以架空电缆产生的光栅信号为基准，通过检测其他条件下的光栅信号，与发生一般风摆时的光栅信号进行对比，即可有效观测到架空电缆是否受到更大强度的侧风。
优选地，结合图3来看，图3为本发明提供的预警的流程示意图一，上述步骤S3包括步骤S31至步骤S33，其中：
在步骤S31中，根据待测幅度和预设摆动幅度的比值，确定幅度比值；
在步骤S32中，根据第一风摆次数和幅度比值的乘积，确定待测摆动波长对应的第二风摆次数；
在步骤S33中，根据第二风摆次数进行预警。
作为具体实施例，本实施例利用电缆的往复运动原理：当电缆受到侧向力作用(如风吹)发生摆动时，其往复摆动运动可以简化成以电缆重心为质点，质点到电缆两端连线的铅锤距离为摆长L的单摆运动。在获取第一风摆次数的基础上，通过观测光栅中心波长的振幅变化，即可有效得到待测幅度对应的第二风摆次数，从而进行高效的预警。
需要说明的是，当电缆受到风的侧向作用发生摆动时，电缆以两头绝缘端子为固支点发生反复摆动；当电缆摆动到两侧静止状态时，电缆处于失重状态，电缆对两端的绝缘子拉力减小，且小于电缆静止状态时对两端绝缘子的拉力；当电缆摆动到最低位置时，电缆处于超重状态，电缆对两端的绝缘子拉力加大，且大于电缆静止状态时对两端绝缘子的拉力。通过在绝缘子芯棒上粘贴光纤光栅检测芯棒上承受的拉力，监测光栅波长的实时变化，从而实现对电缆风摆的监测以及风摆次数的记录。风摆程度不同主要体现在电缆摆幅大小上，进一步体现在电缆的失重程度及超重程度上，进一步体现在光栅波长周期性变化的幅度大小上，因此，通过监测光栅波长变化的幅度大小可以判断风摆程度，从而判断其危害等级。
其中，结合图4来看，图4为本发明提供的不同风力下输电线路风摆状态的变化示意图。当电缆受到一般侧风作用发生一般风摆(对应于标号4的曲线)时，电缆经历一个由失重到超重再到失重的过程，作用在绝缘子芯棒上导致其受到应力发生起伏，粘贴其表面的光栅的中心波长将发生周期性波动，其波动以静止状态时的中心波长λ0为中心，振幅为△λ0。当电缆受到强侧风作用(对应于标号5的曲线)发生摆幅更大的风摆时，粘贴其表面的光栅的中心波长将发生周期性波动，其波动以静止状态时的中心波长λ0为中心，振幅为△λ(△λ>△λ0)。由于电缆摆幅更大，对电缆连接处的疲劳损伤程度更大，该等级条件下的风摆次数对电缆造成的损伤大于一般风摆相同次数造成的损伤。为便于不同等级侧风条件下的风摆次数统一记录，可以将强侧风条件下的风摆次数N转化为一般侧风条件下的风摆次数N·(△λ/△λ0)。
优选地，预设条件包括：架空电缆在无覆冰状态时发生一般风摆。作为具体实施例，本实施例以电缆无结冰情况下发生一般风摆为参考，由于覆冰导致电缆重量增加，发生相同摆幅的风摆时，光栅中心波长及其振幅都变大，此时，以无覆冰状态时发生一般风摆为参考，记录无覆冰状态时发生一般风摆的风摆次数(即第一风摆次数)，通过其光栅中心波长及其振幅的变化，即可有效确定任意覆冰状态下的风摆次数。
优选地，结合图5来看，图5为本发明提供的预警的流程示意图二，上述步骤S3还包括步骤S34至步骤S37，其中：
在步骤S34中，根据待测摆动波长和参考摆动波长的比值，确定波长比值；
在步骤S35中，根据待测幅度和预设摆动幅度的比值，确定幅度比值；
在步骤S36中，根据第一风摆次数、波长比值以及幅度比值的乘积，确定待测摆动波长对应的第二风摆次数；
在步骤S37中，根据第二风摆次数进行预警。
作为具体实施例，本实施例覆冰导致电缆重量增加、电缆对绝缘子的拉力变大，造成静态时光纤光栅中心波长大于无覆冰状态，同时对应的振幅也大于无覆冰状态的光栅中心波长，在获取第一风摆次数的基础上，通过观测光栅中心波长变化和对应的振幅变化，即可有效得到待测幅度对应的第二风摆次数，从而进行高效的预警。
需要说明的是，当电缆因结冰导致整体重量增加时，电缆施加给两端绝缘子的拉力也增加，粘贴在芯棒的光纤光栅波长也会加大，同时电缆增重导致电缆下垂程度增加；将电缆风摆简化成单摆运动，则单摆摆臂增长，根据单摆周期
公式可知电缆风摆周期变大。相同摆幅前提下，因电缆承受拉力增加，摆臂增长，光栅波长周期性变化的幅度也加大，造成风摆危害等级也会增加。以电缆无结冰情况下发生一般风摆为参考，在该情况下电缆静止时光栅中心波长为λ0，发生一般摆动时光栅中心波长周期性变化的幅度为△λ0，此情况下安全风摆总次数为N0，超过次数则需要对电缆连接处进行安全检查。
其中，当电缆静止时光栅波长λ大于λ0，说明电缆对绝缘子的拉力增加，则扭摆危害程度增加，风摆对电缆连接处的危害次数可等效于N·(λ/λ0)，其中N为电缆的实际扭摆次数；进一步可推广到光栅波长周期性变化幅度
其中，N为电缆的实际扭摆次数，因此，电缆在不同拉力以及不同摆幅作用下，风摆的危害次数Nd与实际摆动次数N具有以下关系：
Nd＝N·(λ/λ0)·(△λ/△λ0)
当危害次数达到要求检查次数N0时，则需要对电缆连接处进行巡检。
需要说明的是，结合图6来看，图6为本发明提供的覆冰前后输电线路风摆状态的变化示意图，由于覆冰导致电缆重量增加，电缆对绝缘子的拉力变大，造成静态时光纤光栅中心波长由无覆冰状态(对应于标号6的曲线)的λ0变大到覆冰状态(对应于标号7的曲线)的λ，λ>λ0；由于电缆垂度加大，电缆摆动时臂长变大，发生相同摆幅的风摆时，覆冰状态的光栅中心波长振幅为△λ，大于无覆冰状态的光栅中心波长振幅△λ0，△λ>△λ0。为便于有/无覆冰情况下的风摆次数统一记录，可以将覆冰状态条件下的风摆次数N转化为无覆冰状态条件下的风摆次数N·(λ/λ0)·(△λ/△λ0)。
优选地，上述根据第二风摆次数进行预警包括：将第二风摆次数与不同的预设次数进行比较，根据比较结果进行不同等级的预警。作为具体实施例，本实施例通过第二风摆次数与不同的预设次数进行对比，从而确定不同等级的预警方式，提醒相关工作人员进行不同的处理。
在本发明一个具体的实施例中，在记录数据的基础上，可得到输电电缆的历史风偏次数，即图3、6中所示振幅周期次数的累加；可得到某一具体风偏所对应的风偏幅度、绝缘子芯棒的受力情况，即图3、6中对应周期时波峰波谷对应的中心波长。总结分析数据，对绝缘子芯棒受力、输电线路摆幅进行危害分级，对不同等级的力、摆幅分别累积记录其次数，达到有效预警。可由△λ0的大小划分为低、中、高三个危险等级，分别给出其安全风摆次数N0，制作如下表格：
表1
| 无冰安全风摆次数 | 覆冰安全风摆次数 | |
| 低风险(△λ0-△λ1) | N0 | N1 |
| 中风险(△λ1-△λ2) | N2 | N3 |
| 高风险(△λ2-△λ3) | N4 | N5 |
其中，△λ0<△λ1<△λ2<△λ3，Ni可由大数据分析得出或输电电缆生产厂家直接给出。
实施例2
本发明实施例提供了一种架空电缆风摆监测装置，结合图7来看，图7为本发明提供的架空电缆风摆监测装置的结构示意图，上述架空电缆风摆监测装置700包括：
获取单元701，用于获取待测摆动波长、参考摆动波长以及第一风摆次数，其中，架空电缆以两头绝缘端子为固定支点，绝缘端子的芯棒上设置有光纤光栅，待测摆动波长和参考摆动波长分别为架空电缆在以任意条件和预设条件下监测到的光栅中心波长，第一风摆次数为架空电缆在以预设条件下摆动时的摆动次数；
处理单元702，用于根据待测摆动波长和参考摆动波长，分别确定对应周期性变化的待测幅度和预设摆动幅度；
预警单元703，用于确定待测幅度和预设摆动幅度之间的幅度比值，并根据第一风摆次数和幅度比值进行预警。
需要说明的是，在电缆的绝缘端子上设置粘贴在芯棒的光纤光栅，通过光纤光栅得到相应的光栅信号，监测光栅信号的波长(即待测摆动波长)，以参考摆动波长以及第一风摆次数为基准，确定待测摆动波长对应的风摆次数。
实施例3
本发明实施例提供了一种架空电缆风摆监测装置，包括处理器以及存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的架空电缆风摆监测方法。
实施例4
本发明实施例提供了一种架空电缆风摆监测系统，包括架空电缆、绝缘端子、设置在绝缘端子芯棒的光纤光栅以及如上所述的架空电缆风摆监测装置，其中，架空电缆的两端以绝缘端子为固定支点。
实施例5
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机该程序被处理器执行时，实现如上所述的架空电缆风摆监测方法。
本发明公开了一种架空电缆风摆监测方法、装置、系统及存储介质，首先，进行待测摆动波长、参考摆动波长以及第一风摆次数的有效获取，以架空电缆在预设条件下的光栅中心波长为参考，将任意条件下的待测摆动波长与参考摆动波长进行对比，以便结合参考摆动波长对应的第一风摆次数，确定待测摆动波长对应的风摆次数；然后，通过待测幅度和预设摆动幅度，实现对绝缘子受到的拉力进行监测，监测光栅波长变化的幅度大小可以判断风摆程度，从而判断其危害等级；最后，根据幅度比值反馈幅度的变化，结合第一风摆次数和幅度的变化进行有效的预警。
本发明技术方案，将整个输电电缆抽象成单摆，将覆冰、风偏的影响转换成对输电线路重心位置的改变，以此利用光纤光栅应力传感器的波长周期信号，记录绝缘子芯棒的应力波动，监测输电线路风偏的次数以及风偏的幅度，计算输电电缆的覆冰情况，结合多方面因素快速准确完成预警，有效监测了架空电缆的安全运行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种架空电缆风摆监测方法，其特征在于，包括：
获取待测摆动波长、参考摆动波长以及第一风摆次数，其中，架空电缆以两头绝缘端子为固定支点，所述绝缘端子的芯棒上设置有光纤光栅，所述待测摆动波长和所述参考摆动波长分别为所述架空电缆在以任意条件和预设条件下监测到的光栅中心波长，所述第一风摆次数为所述架空电缆在以所述预设条件下摆动时的摆动次数；
根据所述待测摆动波长和所述参考摆动波长，分别确定对应周期性变化的待测幅度和预设摆动幅度；
确定所述待测幅度和所述预设摆动幅度之间的幅度比值，并根据所述第一风摆次数和所述幅度比值进行预警。
2.根据权利要求1所述的架空电缆风摆监测方法，其特征在于，所述预设条件包括：所述架空电缆受到预设强度侧风作用时发生一般风摆。
3.根据权利要求2所述的架空电缆风摆监测方法，其特征在于，所述确定所述待测幅度和所述预设摆动幅度之间的幅度比值，并根据所述第一风摆次数和所述幅度比值进行预警包括：
根据所述待测幅度和所述预设摆动幅度的比值，确定所述幅度比值；
根据所述第一风摆次数和所述幅度比值的乘积，确定所述待测摆动波长对应的第二风摆次数；
根据所述第二风摆次数进行预警。
4.根据权利要求1所述的架空电缆风摆监测方法，其特征在于，所述预设条件包括：所述架空电缆在无覆冰状态时发生一般风摆。
5.根据权利要求4所述的架空电缆风摆监测方法，其特征在于，所述确定所述待测幅度和所述预设摆动幅度之间的幅度比值，并根据所述第一风摆次数和所述幅度比值进行预警包括：
根据所述待测摆动波长和所述参考摆动波长的比值，确定波长比值；
根据所述待测幅度和所述预设摆动幅度的比值，确定所述幅度比值；
根据所述第一风摆次数、所述波长比值以及所述幅度比值的乘积，确定所述待测摆动波长对应的第二风摆次数；
根据所述第二风摆次数进行预警。
6.根据权利要求3或5所述的架空电缆风摆监测方法，其特征在于，所述根据所述第二风摆次数进行预警包括：将所述第二风摆次数与不同的预设次数进行比较，根据比较结果进行不同等级的预警。
7.一种架空电缆风摆监测装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的架空电缆风摆监测方法。
8.一种架空电缆风摆监测系统，其特征在于，包括架空电缆、绝缘端子、设置在所述绝缘端子芯棒的光纤光栅以及根据权利要求7所述的架空电缆风摆监测装置，其中，所述架空电缆的两端以所述绝缘端子为固定支点。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的架空电缆风摆监测方法。
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