南福軍

(中航天建設(shè)有限公司，北京 100070)

0 引言

電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定依賴完善的檢測技術(shù)，智能電網(wǎng)的建設(shè)也要依靠完善檢測技術(shù)的有效支撐。在輸變電系統(tǒng)中普遍存在著輸電線路覆冰的現(xiàn)象，輸電線路一旦覆冰，就有可能導(dǎo)致桿塔傾斜甚至倒塌、導(dǎo)線舞動等一系列問題，會極大地影響人們正常的生產(chǎn)和生活，給國家和人民帶來難以估量的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

由于我國陸地面積寬廣，經(jīng)緯度跨度大，山嶺、盆地、平原等地形錯綜復(fù)雜，從世界范圍來看，是遭受輸電線路覆冰災(zāi)害比較嚴(yán)重的國家之一。2005年春節(jié)期間，湖南、湖北以及重慶地區(qū)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的冰災(zāi)，此次冰災(zāi)影響范圍大、持續(xù)時間長、覆冰程度重，現(xiàn)場實測結(jié)果顯示，導(dǎo)線覆冰的一般厚度達(dá)到40～80 mm，局部達(dá)到100 mm，共造成17條供電線路癱瘓，影響生產(chǎn)和生活長達(dá)1個多月，僅湖南省就有700多萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失超過10億元[2]。2008 年春節(jié)期間，我國多個省市遭受了大范圍的雨雪冰凍天氣，南方多個省市的輸電線路被厚冰覆蓋，不斷出現(xiàn)斷線、倒塔等電力損害事故，很多地方出現(xiàn)大范圍停電現(xiàn)象，不僅影響了人民群眾的正常生產(chǎn)、生活，也給我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，研究輸電線路覆冰的在線監(jiān)測系統(tǒng)，是一件非常必要而且具有現(xiàn)實意義的工作。通過檢測系統(tǒng)及時檢測輸電線路的覆冰情況，利用針對性的維護(hù)和搶修技術(shù)，保證我國電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行。

1 輸電線路覆冰的原因、分類及危害

1.1 輸電線路覆冰的原因[4]

導(dǎo)線覆冰是一種隨機(jī)發(fā)生、不能人為控制的自然現(xiàn)象。影響覆冰狀態(tài)的因素有多種，包括氣象條件、搭建輸電線路的位置以及地形、地貌等。一旦空氣濕度及溫度達(dá)到一定條件，借助風(fēng)力的作用，這些空氣中的水滴就會被吹向輸電線路，慢慢地就會造成大面積的輸電導(dǎo)線覆冰。

1.2 輸電線路覆冰的分類

根據(jù)凍結(jié)性質(zhì)，輸電線路覆冰可分為凍雪、混合凍結(jié)、霧凇、雨凇4種類型。其中，雨凇類輸電線路覆冰的危害最大，因其比較堅硬，易結(jié)冰、易附著；凍雪類輸電線路覆冰危害較輕，成分以雪片為主；霧凇類輸電線路覆冰，是由水氣升華凝結(jié)而成的結(jié)晶體；混合凍結(jié)類輸電線路覆冰，是由雨凇和霧凇混合形成[5]。

根據(jù)覆冰橫截面，可將輸電線路覆冰分為圓形、橢圓形、翼形和新月形等[1]。根據(jù)輸電線路覆冰的發(fā)展過程，可將輸電線路覆冰分為濕增長過程和干增長過程[1]。

1.3 輸電線路覆冰的危害

輸電線路一旦覆冰，將會產(chǎn)生諸多難以彌補(bǔ)的危害，嚴(yán)重影響人們的正常生產(chǎn)、生活[6]。

(1)造成桿塔損壞甚至折斷。輸電線路上的導(dǎo)線覆冰超過一定厚度，會使桿塔壓力承載超重，一旦超過臨界值，有可能導(dǎo)致桿塔傾斜甚至折斷。

(2)導(dǎo)線跳躍，短路跳閘，供電中斷。在輸電線路中，有一些導(dǎo)線是垂直排列的，如果下面的輸電導(dǎo)線先行脫落覆冰，會引起下層導(dǎo)線跳躍，造成供電系統(tǒng)短路，形成跳閘，供電就會中斷，影響人們的正常生產(chǎn)、生活。

(3)導(dǎo)線下垂，引發(fā)接地事故。一般遭受覆冰災(zāi)害時，輸電線路不同導(dǎo)線段的覆冰厚度是不同的，這樣就會引起導(dǎo)線不同程度的下垂，絕緣子串將會隨之傾斜，有可能引發(fā)接地事故。

2 輸電線路覆冰過程的數(shù)學(xué)模型

目前，國內(nèi)外在研究覆冰演變趨勢預(yù)測方面，利用了很多數(shù)學(xué)建模方法，取得了一定的理論成果[7]。在覆冰研究領(lǐng)域，目前常用的數(shù)學(xué)模型基本上有3類。

2.1 以熱力學(xué)機(jī)制為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型[8]

覆冰與熱力學(xué)密切相關(guān)，它是一個熱量交換和傳遞的過程，液態(tài)的水滴釋放熱量后固化形成晶體，進(jìn)而在輸電線路上形成覆冰。覆冰的具體狀態(tài)(晶體形狀、厚度或密度等)與熱平衡狀態(tài)緊密相關(guān)。以熱力學(xué)機(jī)制為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型，主要研究熱力學(xué)的能量平衡關(guān)系，進(jìn)而獲得輸電導(dǎo)線上覆冰的厚度、增長狀況等參數(shù)。以熱力學(xué)機(jī)制為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型的不足之處是：忽略了熱量流失的影響，如刮風(fēng)帶走的一部分熱量等，沒有考慮導(dǎo)線表面粗糙度、已有覆冰形狀、導(dǎo)線傳輸電流及電場對導(dǎo)線覆冰的影響，對輸電線路覆冰的整個過程不能進(jìn)行細(xì)節(jié)說明，相關(guān)因素的作用機(jī)制沒能夠具體體現(xiàn)。而且限于目前的技術(shù)手段，在工程上還不能進(jìn)行大規(guī)模使用。

2.2 以流體力學(xué)機(jī)制為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型[8]

以流體力學(xué)機(jī)制為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型研究認(rèn)為，空氣中存在著過冷卻水滴，在風(fēng)力、環(huán)境溫度等因素混合作用下與導(dǎo)線發(fā)生碰撞摩擦，再結(jié)合導(dǎo)線的一些具體情況，如導(dǎo)線的直徑大小、表面狀態(tài)等參數(shù)，從而推導(dǎo)出輸電線路導(dǎo)線的覆冰狀態(tài)和發(fā)展規(guī)律。

在研究導(dǎo)線上覆冰形狀方面，有很多經(jīng)典的、應(yīng)用廣泛的模型，包括翼形模型(Makkonen)、橢圓形模型(Chaine)、圓柱形模型(Goodwin)等。以流體力學(xué)機(jī)制為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型同樣存在著許多缺點，從實際情況看，輸電導(dǎo)線上的覆冰是極不規(guī)則的，對覆冰狀況進(jìn)行近似的形狀化處理，就會造成對當(dāng)?shù)氐乩頎顩r或者氣象條件反映的失真，進(jìn)而影響對輸電導(dǎo)線覆冰狀態(tài)預(yù)測的準(zhǔn)確性。

此外，國內(nèi)外一些研究者也提出了一些簡單的新模型。學(xué)者劉和云、周迪等將風(fēng)速、過冷卻水滴的直徑、降水率等因素考慮進(jìn)來，提出了一種新的輸電線路導(dǎo)線覆冰增長模型[9]。

2.3 以實測數(shù)據(jù)模擬為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型[10]

以實測數(shù)據(jù)模擬為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型是指利用以前進(jìn)行現(xiàn)場實際測量所積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合，進(jìn)而建立起的一種數(shù)學(xué)模型。但由于輸電導(dǎo)線的覆冰狀態(tài)與多種因素有關(guān)，因此，這種數(shù)學(xué)模型不具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用性。

3 輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

3.1 輸電線路覆冰在線監(jiān)測技術(shù)

在我國，輸電線路覆冰情況的檢測主要靠人工長途巡查輸電導(dǎo)線，這種方式受地理環(huán)境、天氣狀況等因素影響較大，檢測效率非常低，而且周期很長。隨著科技的進(jìn)步，我國開始建設(shè)500 kV高壓輸電線路，自2008年春節(jié)期間發(fā)生冰雪災(zāi)害之后，我國開始逐步重視輸電線路覆冰監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用，其手段主要是從國外引進(jìn)、借鑒一些先進(jìn)的技術(shù)，由于時間短，自主開發(fā)的成熟技術(shù)相對較少。就目前的技術(shù)手段而言，覆冰導(dǎo)線的監(jiān)測產(chǎn)品可分為以下幾類：導(dǎo)線應(yīng)力測量法、傾角-弧垂法、水平張力-傾角法、測重法、視頻圖像法等[11]。有的學(xué)者從數(shù)據(jù)傳輸、傳感器等方面入手，研究了輸電線路導(dǎo)線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)，形成了一些覆冰導(dǎo)線在線監(jiān)測技術(shù)的新成果。

3.1.1 視頻監(jiān)測技術(shù)

將視頻拍攝裝置安裝在桿塔上，對導(dǎo)線進(jìn)行拍攝，一旦發(fā)現(xiàn)有覆冰現(xiàn)象，就可以利用數(shù)據(jù)傳輸將這些數(shù)據(jù)信息傳送到管理后臺，再利用一些數(shù)學(xué)工具進(jìn)行計算，最終判斷導(dǎo)線的覆冰狀況。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于圖像處理的輸電線路覆冰監(jiān)測方法，并詳細(xì)介紹了其實現(xiàn)方式，該系統(tǒng)通過攝像機(jī)采集覆冰圖像，進(jìn)而對圖像進(jìn)行邊界檢測處理，測量出覆冰厚度，覆冰圖像及覆冰厚度通過分組無線電業(yè)務(wù)(GPRS)無線傳輸方式發(fā)送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控人員做出相應(yīng)的處理。文獻(xiàn)[13]討論了基于小波的圖像邊緣檢測方法在線監(jiān)測輸電線路覆冰厚度的原理，提出了一種新的輸電線路導(dǎo)線與絕緣子覆冰厚度的在線監(jiān)測方法，即通過對安裝在高壓鐵塔上的攝像機(jī)和圖像采集卡獲得的導(dǎo)線與絕緣子覆冰圖像進(jìn)行實時處理，提取其邊界輪廓來測量導(dǎo)線與絕緣子上的覆冰厚度。

通過視頻監(jiān)測手段，可以直觀地監(jiān)測到輸電線路導(dǎo)線的覆冰情況，操作簡便，若覆冰造成攝像頭遮擋，會出現(xiàn)無法觀測的情況。

3.1.2 測重法

將拉力傳感器安裝在原來球頭掛環(huán)的位置，通過測量導(dǎo)線的質(zhì)量，再結(jié)合風(fēng)的速度和方向以及絕緣子串產(chǎn)生的傾斜角度等各相關(guān)因素的參數(shù)值，計算出輸電導(dǎo)線的覆冰質(zhì)量，再利用冰的密度(0.9 g/cm3)換算出相應(yīng)輸電導(dǎo)線上覆冰厚度的數(shù)據(jù)。就目前的研究成果而言，測重法在所有的計算模型中是最為準(zhǔn)確、可靠的一種算法。

文獻(xiàn)[14]建立了導(dǎo)線覆冰厚度和導(dǎo)線弧垂變化的力學(xué)模型，設(shè)計了力傳感器的安裝結(jié)構(gòu)，研發(fā)了基于全球移動通信系統(tǒng)(GSM)短信業(yè)務(wù)(SMS)的輸電線路導(dǎo)線覆冰情況的在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)證實可以通過安裝的分機(jī)對風(fēng)的速度和方向、絕緣子傾斜角度等計算參數(shù)進(jìn)行實時測量，并快速發(fā)送至管理監(jiān)測中心進(jìn)行處理。

測重法具有非常實用的優(yōu)點，拉力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，方便施工安裝，不僅適用于靜態(tài)測量，也能夠進(jìn)行動態(tài)測量。測重法的不足之處是，現(xiàn)有的拉力傳感器是基于電阻應(yīng)變片研制而成的，隨著工作時間的延長，會有穩(wěn)定性和可靠性方面的問題。所以，目前正在研制利用光纖傳感的拉力傳感器。

3.1.3 水平張力-傾角法

水平張力-傾角法是根據(jù)輸電線路的狀態(tài)方程，利用傳感器傳送過來的絕緣子串軸向張力、懸掛點傾角等數(shù)據(jù)計算輸電線路導(dǎo)線覆冰質(zhì)量的方法。

文獻(xiàn)[15]開發(fā)了基于架空輸電線路軸向張力、二維傾角和風(fēng)速/風(fēng)向、溫/濕度等氣象信息測量的覆冰監(jiān)測系統(tǒng)。利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，線路監(jiān)測終端與中心監(jiān)控主站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由主站專家系統(tǒng)軟件利用相關(guān)覆冰理論模型分析導(dǎo)線覆冰狀況，及時給出除冰信息。

水平張力-傾角法能夠直接反映輸電線路導(dǎo)線的安全情況。這個模型的不足之處是實際應(yīng)用范圍受限，只能應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)下輸電線路導(dǎo)線覆冰情況的研究。

3.1.4 傾角-弧垂法

傾角-弧垂法同樣是利用了輸電線路的狀態(tài)方程，并結(jié)合一些氣象參數(shù)信息，利用傳感器傳送過來的導(dǎo)線傾角、弧垂等數(shù)據(jù)信息，計算出的輸電線路導(dǎo)線覆冰狀況。

文獻(xiàn)[16]從導(dǎo)線的基本方程出發(fā)，推導(dǎo)了根據(jù)導(dǎo)線張力、傾角或溫度來測量導(dǎo)線弧垂的方法，并介紹了計算公式和例題。

傾角-弧垂法的優(yōu)點是原理簡單，缺點是實施比較困難。輸電線路的弧垂和傾角受到多種因素的影響，特別是500 kV及以上等級輸電線路，導(dǎo)線的剛度較大，視作柔索將導(dǎo)致較大的誤差。

3.1.5 導(dǎo)線應(yīng)力測量法

導(dǎo)線應(yīng)力測量法也是根據(jù)輸電線路的狀態(tài)方程，研究輸電導(dǎo)線上多點應(yīng)力，通過一定手段計算出輸電導(dǎo)向的覆冰質(zhì)量。

文獻(xiàn)[17]分析了線路覆冰的原因及其造成的危害，介紹了利用光纖布里淵散射進(jìn)行溫度測量的原理。通過對光纖布里淵傳感器2種主要方案的分析，提出了采用分布式光纖傳感方案組建覆冰監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建議。

導(dǎo)線應(yīng)力測量法的優(yōu)點是充分利用了光纖傳感器無源、穩(wěn)定性好的特點，能夠在各種惡劣環(huán)境中使用，應(yīng)用前景良好。不足之處是費用較高，而且尚處于研發(fā)階段。

3.1.6 覆冰導(dǎo)線在線監(jiān)測技術(shù)的新成果

學(xué)者汪江、田成軍在覆冰監(jiān)測系統(tǒng)中利用了ZigBee協(xié)議完成了數(shù)據(jù)傳送[18]。

學(xué)者張思建、林志赟等人研究并設(shè)計了一種新型電容式傳感器，傳感器的電容值反映了導(dǎo)線覆冰厚度的變化情況[19]。

學(xué)者曾祥君、伍志華等人研究了計算輸電線路平均覆冰厚度的方法。利用故障行波定位系統(tǒng)測量時間差計算出覆冰長度，進(jìn)而通過長度、厚度之間的關(guān)系換算出覆冰厚度的平均值[20]。

學(xué)者陽林、郝艷捧等人提出了利用靜力學(xué)受力平衡方面的理論知識對覆冰厚度進(jìn)行計算的力學(xué)模型[21]。

3.2 輸電線路導(dǎo)線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用

輸電線路導(dǎo)線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)一般由3部分構(gòu)成：監(jiān)測分機(jī)，包含了許多傳感器，用于監(jiān)測輸電線路上所需要的各個參數(shù)值；無線通信網(wǎng)絡(luò)，是一個傳輸系統(tǒng)，將監(jiān)測分機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心；監(jiān)測中心，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將傳送過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，及時采取應(yīng)變措施[22-23]。

在輸電線路覆冰問題方面的研究，國外要比我國開始的早很多，但我國近幾年加大了研究應(yīng)用力度，發(fā)展也很快，取得了很大的進(jìn)步，有很多公司已經(jīng)安裝并使用了輸電線路覆冰的監(jiān)測系統(tǒng)。例如，華中電網(wǎng)公司研制的輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在線傳送氣象數(shù)據(jù)、覆冰發(fā)展預(yù)測、導(dǎo)線偏斜等各個方面的數(shù)據(jù)信息，并可以對超過設(shè)定值進(jìn)行報警提示[22]；杭州某公司研發(fā)出產(chǎn)的溫度-傾角測量球，可以實時測量導(dǎo)線傾角、弧垂變化情況；美國一家公司生產(chǎn)的CAT-1是一種利用測量導(dǎo)線應(yīng)力計算弧垂裝置[23]。

4 輸電線路導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的不足

目前的輸電線路導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，雖然能夠在一定程度上對覆冰狀況進(jìn)行預(yù)警，但由于測量的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性都不是很好，預(yù)測偏差較大，傳輸系統(tǒng)技術(shù)水平不高等實際情況需要解決。

結(jié)合以上分析研究，輸電線路導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)需要在以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)。

(1)在計算輸電線路導(dǎo)線覆冰的厚度時，利用更為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，利用建模分析的方法研究導(dǎo)線覆冰產(chǎn)生舞動的情形。

(2)研制在小電流情形下就能夠啟動的，大電流情形下也能正常運轉(zhuǎn)工作的在線取能裝置。

(3)研究能夠不受冰、霧、雪干擾的攝像裝置，這樣，在重度冰雪災(zāi)害下，也能夠?qū)旊娋€路導(dǎo)線的覆冰狀況進(jìn)行監(jiān)測攝像。

(4)利用先進(jìn)的技術(shù)提升輸電線路導(dǎo)線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的性能，進(jìn)而提升其可靠性和能夠在惡劣條件下完成工作的能力。

(5)利用先進(jìn)的傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成快速傳輸圖像數(shù)據(jù)，并提高圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性。

(6)科學(xué)規(guī)劃監(jiān)測分機(jī)的布點，加強(qiáng)對一些微地形和微氣象輸電線路的監(jiān)控。

5 結(jié)束語

輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)對輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全運行有著十分重要的意義。已經(jīng)安裝應(yīng)用的一些輸電線路導(dǎo)線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)雖然在一定程度上彌補(bǔ)了人工巡視的不足，但距離實際需求還差很遠(yuǎn)。本文為今后輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的改進(jìn)提出了具體建議。

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