输电导线舞动在线监测

输电导线舞动在线监测（精选四篇）

输电导线舞动在线监测 篇1

架空输电线路舞动是(覆冰)导线在风激励下产生的一种低频(频率为0.1～3 Hz)、大振幅(振幅通常小于12 m)的自激振动现象,会导致出现诸如导线断股、断线、金具损坏、相间短路、断杆、倒杆等事故,严重威胁电力系统的安全运行。2008年初,我国华中、华东地区遭受了历史上罕见的冰雪灾害,多地输电线路发生不同程度舞动,严重影响了电网的安全性及可靠性。随着全球环境和气候的变化,我国输电线路舞动问题越发突出,2009年年末至2010年年初,全国600多条线路发生舞动。因此,实时获取导线舞动情况十分必要[1,2]。

目前,舞动在线监测技术主要有3种方法:第一种是通过视频采集技术来实现对舞动监测,需要人工对现场传来的图像进行估测,无法提供导线舞动的精确信息,并且为了使各个摄像头在寒冷的天气有效工作,还需要增添加热装置;第二种是通过加速度传感器采集输电导线舞动参数,并通过计算机曲线拟合,获取计算线路舞动情况,需要在导线1档内装设21个位移传感器和7个加速度传感器,成本过高且实现难度极大,制约了其在实际中的推广;第三种是通过拉力传感器、角度传感器等监测装置所采集的数据,利用导线线长变化与张力变化的关系(即线长法),获取导线舞动幅值。由于监测装置装设在输电线路2端,该方法更具经济性和可行性[3,4,5,6,7]。因此,本文基于线长法,针对架空输电线路舞动特性,以导线悬挂点的张力传感器和和角度传感器所测数据为基本参量,建立了导线舞动监测计算模型。

1 舞动监测目标量

除了导线舞动时的气象信息,导线舞动监测更重要的是获得舞动本身的振动特征参量,包括:

(1)舞动幅值。表征舞动程度的最重要的参量,并作为判断是否会造成相间闪络或跳闸的直接依据。

(2)导线舞动的动态张力。极限情况下最大张力可达到静张力的2倍,损坏导线、杆塔、金具。

(3)舞动阶次和舞动频率。

线长法通常被用于由舞动振幅推导舞动张力,但由于实际中导线2端张力较振幅更容易监测,本文在导线端部串接拉力传感器直接实现对导线动张力的监测,再根据现有国内外对舞动的研究成果,运用线长法逆推出舞动幅值。

计算导线舞动引起的动态张力是研究舞动问题的重要内容,国内外有不少关于导线舞动动态张力的研究。其中文献[7,8,9,10,11,12]运用线长法推导了舞动时导线张力的表达式,但是在利用胡克定律时应力的概念时有所混淆[13],没有考虑风偏因素的影响,只在竖直平面内进行力学计算,而实际中拉力传感器测得的数据却是在风偏作用下的。因此,本文首先引入等效轴向张力使胡克定律对全档导线有效;再将所有参量归算至风偏平面,简化计算;根据导线舞动特性以及动张力变化的理论,推导了考虑导线舞动阶次和幅值的表达式。

2 舞动导线动态张力理论推导

2.1 等效轴向张力

由于输电线路舞动频率低,舞动引起的导线弹性变形缓慢,导线舞动时动态张力的变化与舞动引起的导线长度变化在弹性范围内,因此,可依据胡克定律进行推导。相邻档导线、铁塔绕度、导线塑性变形引起张力变化的影响可忽略不计。取导线一段微元,根据材料力学的胡克定律:材料均匀截面杆件,在轴向外力作用下,轴向应变和轴向应力成正比,则有轴向张力变化量为:

式中:Tw为导线微元轴向张力;lw为导线微元长度;Δlw为导线微元舞动长度变化量;lnw为导线微元静止原长;E为导线综合弹性模量;A为导线截面积。

但由于导线上各微元的轴向张力并不相同,沿档内导线各微段长度上的弹性变量也不相同,无法直接叠加求得导线全档内舞动引起的长度变量。因比,引入一个等效轴向张力来进行计算,则:

其中

式中:Teq为导线等效轴向张力;Δl为导线全档内舞动长度变化量;ln为导线静止原长;T1、T2为导线悬挂点处轴向张力;T0为导线水平张力;β为高差角;α1、α2为导线倾角[13]。

2.2 风偏平面

现有的舞动计算模型,只在竖直平面内进行力学计算,没有考虑风偏因素对舞动导线的影响。而实际中,传感器所测数据却是在风偏作用下测得的,不考虑风偏因素显然会带来误差。由角度传感器可直接获取风偏角。因此,可根据文献[13]将导线各计算参量归算到风偏平面内,再用线长法进行计算分析。架空导线风偏后,必然位于风偏平面,如图1所示。图1中:l为垂直平面档距,m;β为垂直平面导线悬挂点高差角,(°);h为垂直平面导线悬挂点高度差,m;l'为风偏平面档距,m;β'为风偏平面高差角,(°);h'为风偏平面高度差,m;φ为风偏角,(°);γv为导线竖向比载,N/(mm2·m);γh为横向比载,N/(mm2·m);γ为综合比载,N/(mm2·m)。

由图1可求得风偏平面各计算参数与垂直平面各参数间关系为:

归算到风偏平面后的悬挂点不等高导线舞动力学模型如图2所示,其中:为风偏平面悬挂点导线倾角,(°);为风偏平面悬挂点导线轴向张力,N;为风偏平面导线水平张力,N。

2.3 导线长度变化

根据斜抛物线公式,舞动前导线的静挠曲线为

式中:为风偏平面导线水平应力,N/mm2;γi为竖向比载,N/(mm2·m);wi为覆冰导线单位长度荷载,N/m。

由文献[14,15]可知,稳态舞动可看做简谐振动,如图3所示,将舞动导线位移投影到风偏平面做近似计算：

式中:f为单峰舞动幅值,m;n为舞动阶次;为舞动频率,rad/s;θ为导线与风偏平面夹角θ可取为15°。

则舞动时挠曲线为:

舞动前,导线长度为:

舞动时,导线长度为:

因此,导线舞动引起的长度变化为:

2.4 舞动张力

将式(13)带入式(2),可得:

当时,张力变化量取得最大值:

2.5 舞动振幅

据观测,舞动频率一般与导线某阶固有频率接近,故舞动频率可近似取为该阶固有频率[1,7]为:

式中:为导线舞动前等效轴向张力,N;w为导线单位长度质量,kg/m。

则:

根据统计数据,常见导线舞动阶次为1、2、3,舞动阶次大于3的概率很小,且由于舞动幅值较小,不致引起线路故障,一般不予考虑[3,16]。

由式(3)、式(5)、式(11)、式(15)、式(17)可得导线舞动单峰振幅:

3 计算实例

为验证本文理论公式的正确性,利用算例与计算结果进行比较。以湖北中山口大跨越姚双线导线舞动事故为例,进行计算分析,输电线路导线基本参数以及舞动时气象条件和舞动参数如表1、表2所示[11,17]。

由于此例没有直接获取舞动最大张力,根据国外研究所得的舞动张力随平均风速的变化曲线[10],估测此例舞动中导线产生的最大张力约为静态张力的1.5倍。根据式(3)、式(5)、式(11)、式(15)、式(17)和式(18)计算出导线舞动幅值最大处的位移如图4所示,主要舞动阶次为3,单峰舞动幅值为5.196 m,与所观测的数据相符,说明本文理论能较好地反映出导线舞动的特性,实现对舞动导线的在线监测[18,19,20]。

4 结论

(1)本文指出在导线悬挂点串接张力传感器和角度传感器的线长法较其目前其他线路舞动在线监测方法具有较强的经济性和可行性。

(2)针对架空输电线路舞动特性,引入等效轴向张力,考虑风偏因素,以导线悬挂点的张力传感器和和角度传感器所测数据为基本参量,结合线路自身参数,可得舞动监测计算模型。详细推导了线长法的基本公式。

输电导线舞动在线监测 篇2

目前对超高压输电线路舞动的试验主要集中在舞动机理的分析、舞动运行经验的描述、舞动防治的措施等方面,但对导线舞动在线监测的研究却比较少。舞动在线监测可以为电站运行人员和调度管理人员提供故障前的预警信息,对提高线路运行管理水平、缩短事故响应时间等具有重要意义。

1 脉冲式在线监测原理

架空导线的电感、电容不仅与各相导线间的几何尺寸有关,而且还和导线与大地间的距离有关。当超高压输电线路某几个杆塔间的导线发生舞动时,导线间的几何间距必然发生变化,舞动处的电感、电容也相应变化。根据电磁波在超高压输电线路上的传输原理,电感与电容对超高压输电线路的波阻抗起着决定性的作用。因此线路的舞动直接引起了舞动处线路电容、电感变化,间接引起了线路波阻抗变化。而线路波阻抗的变化会改变电磁波在线路传输的充放电时间,从而改变舞动处电磁波波形。

500kV超高压输电线路一般约为1 000km;两变电站间的线路长度一般约为200km;两杆塔间的线路长度约为500m。当两变电站间的某段输电线路(一般在几级杆塔之间)由于覆冰、风激励等影响而发生周期性、低频的舞动时,检测到的相应位置高频电压波形会发生类似的周期性变化。将电压变化时刻与脉冲开始时刻之差乘以输电线路上的波速再除以2(考虑到电磁波的反射),就可计算出大致的舞动发生距离,继而达到监测、预警的目的。

2 试验

图1中,脉冲源采用小型纳秒级的高压脉冲发生器,最高输出电压为1 000V,带宽为200MHz。在本实验中通过线路开路来模拟对端母线。

按图1接好线后,将图2所示的高频脉冲加于电容分压系统末端,然后分别使各杆塔间的导线发生舞动,并用电容分压系统检测电压波形,本文只给出了波形幅值增大的情况。图3为不同舞动情况下的线路电压波形图。

舞动距离的计算结果见表1。

从舞动试验波形与舞动距离计算结果看出,舞动处的波形幅值增大较为明显,且舞动距离计算结果与舞动幅度最大处的实际结果误差较小。大风的存在一般会使一定长度范围内的超高压输电线路发生舞动,因此相对于试验结果,实际存在的舞动会在时间轴上表现出大范围的波形摆动,现象将更加明显。

3 结束语

超高压输电线路舞动对电力系统的安全、经济、稳定运行至关重要,长期以来,对线路舞动主要采取事前预防。由于没有采取有效的监测手段,对于突发的线路舞动,应急响应速度过慢,造成大范围停电。本文对线路舞动情况进行了分析,提出一种基于高频脉冲注入的舞动监测方法,并进行了相应的试验,试验结果表明,高频脉冲对线路的舞动反应明显,测距结果精确,对线路舞动的监测效果较好,是一种值得研究的在线监测手段。

摘要：通过分析导线舞动时线路参数的变化和电磁波的传输过程,提出了一种全新的基于高频脉冲注入的舞动在线监测方法。试验证明该方法具有一定的可行性和实用性。

输电线路导线舞动检测 篇3

1 相关标准

(1) Q/GDW 555-2010输电线路导动舞动监测装置技术规范

(2) GB-50545-2010 110kV～750kV架空输电线路设计规范

2 人工监测

国内在输电导线舞动监测方面, 主要依靠在重冰区架设观察线, 设立专人值守的观测站, 记录气象信息及舞动情况。观测站往往设立在崇山峻岭中, 交通极其不方便, 通过人工巡线时的照片或安装传感器采集到的应力、重量、气象等数据来进行预测。这些方法不仅要耗费大量的人力物力, 效果也一般, 难以准确预测舞动的趋势, 特别是在遭受恶劣的天气状况时, 人根本无法再去观测输电线路的重要参数信息, 这对整个抢修工作带来了极大的不便, 也会给国民经济带来巨大影响。

3 舞动在线监测技术

输电导线舞动是一个包含众多因素的复杂现象, 它的研究涉及到空气动力学、耦合振动学、气象学、力学等多学科。输电导线舞动在线检测技术是应用实时监护原理, 监测输电线舞动时的气候条件, 获取舞动信息, 实时地远程监测输电导线的舞动情况。目前输电线路舞动在线监测系统主要采用基于加速度传感器、光纤传感器、图像处理、高精度GPS监测和导线张力判别等技术方法。

(1) 加速度传感器技术。在导线上安装传感器模块 (如图1) , 利用加速度传感器测量导线的加速度信号, 然后对加速度数据进行2次积分得到导线的振动位移。该方法相对简单、方便, 可测得导线的绝对位移。

假如加速度传感器测量振动所得的加速度为:a (t) (单位:m/s2) , 对加速度积分一次可得速度为:

对速度信号再积分一次可得位移:

其中:

v (t) 为连续时域速度波形;

a (t) 为连续时域加速度波形;

s (t) 为连续位移波形;

ai为i时刻的加速度采样值;

vi为i时刻的速度值, a0=0, v0=0;

Δt为2次采样之间的时间差。

此外由于加速度数据是不连续的, 所以需要进行近似积分。在进行定位计算时, 必须假设初始位置和速度为0, 这样对运动随时间变化的等式进行积分, 就是将每个时间间隔内位置和速度的增量分别与前一个值相加, 即可代表积分的运算。

利用三轴加速度传感器, 它可以同时测量X、Y、Z三个方向的加速度, 坐标方向如图2, 最终即可得出导线舞动的位移量。

此种技术需要考虑无限传输的数据掉包问题、强电磁场下的信号干扰、低温下启动、低温下加速度传感器精确度问题和电源等问题。

(2) 光纤传感器技术。光纤传感器具有良好的绝缘性、抗电磁干扰能力、较高的灵敏度和非线性误差小等特点, 适合应用于高压、强电磁干扰、强腐蚀等环境下工作, 因此将光纤传感器应用于输电线路舞动的在线监测技术研宄有着良好的发展前途。通常将多个光纤传感器均布在输电导线上, 构成准分布式光纤传感器网络, 输电线路的荷载变化经金属板传入光纤光栅, 将采集的应力和温度信息送到上位机控制中心, 由控制中心对这些信息进行综合处理。

(3) 图像处理技术。安装全方位式摄像机采集现场的视频图像信息, 实时或定时由无线网络传回监控中心以获取线路舞动的图像信息, 由监控中心计算机对视频图像进行分析处理, 或者由人工进行判断。

(4) 高精度GPS检测技术。基于GPS定位原理, 通过GPS技术实时获取输电线路的空间位置信息, 得到的导线空间位置信息经无线传输技术传输到地面服务器中。服务器中的在线监测程序提取出定位信息中导线的经度、维度和高度三维空间信息并转换成三维笛卡尔坐标系中的坐标值, 利用人工神经网络技术对定位数据进行误差处理, 即可得导线的舞动轨迹。

(5) 导线张力判别。根据输电线路舞动事故的数据统计, 舞动经常造成架空输电线路断线、金具损坏。这些事故通常是由于线路舞动时, 导致线路的张力超过其所能承受的最大张力值, 因此建立输电线路舞动的张力判据有助于及时发现线路舞动。在导线上安装拉力测试机, 通过张力大小可以预防可能导致的危害事故。

(6) 导线舞动在线检测方法优缺点。输电线路舞动在线检测方法的优缺点如表1所示。

4 图像法实测分析

从现场某导线舞动视频中截取相邻2帧图像。通过图像识别软件进行计算, 用箭头的大小和方向表示出相邻2帧图像中导线舞动的位移和方向, 选择10个特征点进行标注, 并用图像识别软件进行计算得到导线的运动速度和位移 (见表2) 。

5 结论

(1) 有效的监测技术能预防灾害, 减少损失。

(2) 在实际导线舞动监测中, 不仅需要采集加速度一种数据参数, 还要采集更多的数据参数, 例如:温湿度、风速、风向、覆冰等。这就要求在终端节点安装更多传感器, 在传感器较多的情况下, 采集数据、传输数据将更加复杂。

对输电线路导线舞动的研究 篇4

1 分析输电线路舞动的原因

1.1 导线覆冰的影响

输电导线舞动是在某种特定的自然条件下, 自身一些线路参数互相结合到一起而产生的一种情况。而且发生输电线路导线舞动的原因中, 最为重要的是覆冰的影响。其中, 首先要形成覆冰, 而且导线上形成覆冰需要具备3个条件。

(1) 较大的空气湿度。

(2) 适宜的温度, 大约为0~5℃。

(3) 使空气中的水滴运行的风速大于1 m/s。

(4) 使覆冰在导线上形成一定不规则形状, 如扇形、月牙形等。

1.2 风速和风向的影响

输电导线舞动的风速控制在4~20 m/s而且当主导风向与导线走向的夹角大于4 5°时, 导线容易产生舞动。因为风力对导线主要起激振作用的是其垂直分量当夹角越接近90°, 舞动的可能性就会大大增强。

1.3 线路结构与参数的影响

根据输电导线舞动的情况来分析, 形成输电导线舞动的主要因素是部分线路的结构和参数。因为, 在相同的条件下, 分裂导线要比单导线更容易产生舞动。而且, 随着人们用电的不断增加, 我国的输电线路舞动的可能性也随之增加了。

1.4 力学及地形的影响

在风力的不断作用下, 会产生升力和扭距等情况, 这样就会使得具有柔性的导线容易产生了舞动, 最终也会使导线的扭转情况更加严重。而且根据相关数据得知导线舞动大多发生在地势开阔的地区, 这无论从风速还是空气的流动性来说, 都是形成导线舞动的有利条件。

2 防止导线舞动的具体措施

从现在的情况来看, 稳定机制是基于线性动力稳定性的基本理论, 在增加动态稳定的系统下, 改变原来的不稳定系统进入到一个稳定的系统当中。这种理论表明只有不稳定的振动才可以产生大振幅的振动。如果我们及时采取一些相应的措施, 就可以提高系统的稳定性, 这样也可以消除结冰和风能的所带来的伤害, 最终舞动就会被彻底制止。具体表现为以下几点。

2.1 尽量躲开易形成舞动的覆冰区域

根据风向进行观察, 在结冰季节的时候, 风向与导线轴线的夹角大于45°时, 这是舞动形成的主要条件之一。而当这个夹角越小的时候, 作用在导线上的垂直分力就会越小, 舞动就越不容易形成。因此, 线路设计时应当要减少风向与导线轴线之间的夹角。

2.2 改变导线自身的固有频率

导线轴向产生的覆冰厚度是不同的而且在产生的过程中是会不断改变的, 所以, 带覆冰的导线固有频率也是随之变化的。而且在没有覆冰条件的情况下, 固有频率将会最大。因此, 将固有频率的范围变窄是防止导线舞动的条件之一。但是也可以采用在导线上安装重锤来降低最大固有频率。但是, 还需要注意的是, 选用装置时一定要仔细、认真的考虑, 尽量减少不必要的损失。

2.3 利用防舞装置

采用各种防治舞动的装置与措施, 调整系统的某些参数, 从而达到抑制舞动的发生, 进而保证线路的安全运作。其中有以下几种输电线路。

(1) 500 (330) k V及以上电压等级输电线路。

(1) 同塔多回输电线路:要首先采取线夹回转式间隔棒和相间间隔棒;其次是采用双摆防舞器、失谐摆及偏心重锤。

(2) 单回输电线路:可以采用线夹回转式间隔棒、失谐摆及偏心重锤等工具。

(3) 紧凑型输电线路:优先采用相间间隔棒, 其次是线夹回转式间隔棒, 或将其组合应用。

(4) 特高压输电线路:优先采用线夹回转式间隔棒或线夹回转式间隔棒双摆防舞器, 其次是失谐间隔棒、双摆防舞器等。

(2) 220 k V及以下电压等级输电线路。

相导线垂直时应当首先采用相间间隔棒, 其次是采用线夹回转式间隔棒、双摆防舞器、失谐摆及偏心重锤等。相导线水平排列时优先采用线夹回转式间隔棒、双摆防舞器、防舞鞭、失谐摆及偏心重锤等。

3 在导线舞动的分析中存在的问题及期望

导线舞动的形成因素有非常多, 而且各种因素之间又紧密相联、相互作用, 从而形成了激发舞动的情况, 这也给导线舞动的探究工作带来了巨大的挑战。然而现如今, 应用非线性动力学理论研究导线舞动是现在已经得到一些结果的方法, 但是要想再进一步的探究, 还需要对导线的混沌运动进行深入的研究与分析, 从而达到控制的基本条件, 这样才能避免混沌。此外, 我们还应当加大投入力度, 一方面要高度重视舞动防治水平的提高, 另一方面还要抓紧舞动理论的研究。并且, 最终要努力做到不断开展专题研究, 逐层深入, 做到理论研究、试验分析、舞动治理的实践相结合, 将舞动研究不断推向前进。

4 结语

我国是导线舞动多发的国家, 但是我国的舞动研究与治理情况已经取得了许多骄人的成绩, 无论是从对舞动机理还是防舞措施上, 都做出了巨大的努力, 也取得了不错的效果。但是, 这些与发达国家相比, 还是存在着很大的差距, 因此, 我国还需要不断提高导线舞动的水平。要做到理论和实践相结合, 从根本上彻底解决舞动问题。

参考文献

[1]杨振国.高压输电线路舞动及防治措施[J].吉林电力, 2008.

[2]陈正华.输电线路导线舞动及其防治对策的综述[J].内蒙古石油化工, 2007.