王彥，樂濱

（1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430205；2.武漢大學(xué)動力機械學(xué)院，湖北 武漢430072）

0 引言

電力系統(tǒng)中，架空輸電導(dǎo)線在運行過程中，因自然條件的作用而發(fā)生多種災(zāi)害事故，舞動是其中危害較為嚴(yán)重的一種［1].舞動指在風(fēng)的激勵作用下，導(dǎo)線截面不均勻受力而產(chǎn)生的一種低頻（0.1～3.0 Hz）的大振幅（20～300 d）振蕩現(xiàn)象［1-2].冬季易覆冰時，輸電線路導(dǎo)線更易產(chǎn)生舞動，常常引起塔桿傾斜倒塌、導(dǎo)線斷裂及絕緣子閃弧等重大電網(wǎng)事故［3-4].因此，有必要實時監(jiān)測輸電導(dǎo)線的舞動和覆冰狀態(tài)，防止輸電線路故障及電網(wǎng)事故.

線路在線監(jiān)測有許多方法，如巡線機器人、直升機、視頻監(jiān)測、人工巡線等，每種方法都有自己的特點［5]，但這些方法多是通過觀察輸電導(dǎo)線的外觀形態(tài)判斷導(dǎo)線的狀態(tài)，由于實際環(huán)境如灰塵、污垢、天氣及視角等因素的影響，檢測的可靠性將下降.本文中設(shè)計的基于導(dǎo)線張力監(jiān)測裝置，用于測量導(dǎo)線舞動，此方法不受外界環(huán)境等因素的影響，檢測的可靠性大為提高.

1 基于張力變化的導(dǎo)線舞動監(jiān)測理論分析及監(jiān)測原理

1.1 舞動對履冰導(dǎo)線水平張力的影響 輸電導(dǎo)線的力學(xué)模型如圖1所示［6].圖中l(wèi)為檔距，hAB為導(dǎo)線懸掛點高度差，β為高ω差角.TA、TB為導(dǎo)線懸掛點軸向張力，T0為導(dǎo)線水平張力；TγA、TγB為導(dǎo)線懸掛點豎向張力分量.圖中虛線為導(dǎo)線舞動的形態(tài)，實線為導(dǎo)線的靜止?fàn)顟B(tài).

圖1 輸電導(dǎo)線一個檔距的力學(xué)模型

根據(jù)斜拋物線方法，導(dǎo)線的撓度曲線方程為

式中，ys（x）（m）為導(dǎo)線上任一點在舞動前的靜止位移，W（N／m）為覆冰導(dǎo)線單位長度荷載.導(dǎo)線舞動前的靜長度Ls（m）為

舞動觀測模擬結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)舞動導(dǎo)線可近似為簡諧波形狀，如圖1中虛線所示.設(shè)舞動導(dǎo)線上任一點的舞動位移yg（t）（m）為

式中，a0（m）為舞動幅值，n為舞動半波數(shù)，ω（rad／s）為舞動的角速率.舞動導(dǎo)線在t（s）時刻的撓度曲線方程為

由彈性力學(xué)及舞動理論可得到水平張力的變化量與導(dǎo)線舞動的關(guān)系如下：

式中，E（N／mm2）為導(dǎo)線的綜合彈性模量，A（mm2）為導(dǎo)線的橫截面積.

1.2 舞動對導(dǎo)線懸掛點豎向張力分量的影響 與水平張力的分析類似，根據(jù)彈性力學(xué)和導(dǎo)線舞動理論，垂直張力的變化量和導(dǎo)線舞動的關(guān)系如下：

2 監(jiān)測系統(tǒng)與試驗

圖2 高壓導(dǎo)線線夾結(jié)構(gòu)

2.1 張力檢測傳感器及其采集電路設(shè)計 張力檢測裝置主要由拉壓力傳感器和安裝線夾構(gòu)成.安裝線夾是結(jié)合導(dǎo)線的特征設(shè)計的，能夠?qū)?dǎo)線的張力施加到拉壓力傳感器上.安裝線夾的結(jié)構(gòu)如圖2所示.拉壓力傳感器的電路是一個惠更斯電橋，拉壓力的變化使電橋上某一橋臂的電阻增大或減小，通過橋臂兩端的差分輸出反映輸電導(dǎo)線上的拉壓力變化.由于一般惠更斯電橋輸出的電壓范圍很小，μV或mV，因此需要使用高增益差分放大器將電橋輸出電壓放大至可精確測量的范圍，我們采用特質(zhì)的線夾將拉壓力傳感器固定在架空導(dǎo)線上，拉壓力傳感器采集電路原理如圖3所示.

圖3 拉壓力傳感器采集電路

2.2 感應(yīng)取電裝置設(shè)計 系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，作為一個獨立的裝置，需要外部供電.對于懸掛在高壓電纜上的相關(guān)設(shè)備，外部供電較難實現(xiàn)，因此采用感應(yīng)取電.由于該裝置的功耗較小，因此較小的電流感應(yīng)線圈便可以滿足現(xiàn)場供電需求.基于感應(yīng)取電的原理，將高壓導(dǎo)線穿過電流線圈，其輸出端采用全波整流、濾波、鉗位，并通過相關(guān)的DC-DC轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)運行所需要的電壓，其原理圖如圖4所示.

2.3 信號處理及其傳輸設(shè)計 信號處理和傳輸是整個裝置的核心，其主要功能是采樣、數(shù)據(jù)處理、無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲.拉壓力采集傳感器輸出信號經(jīng)過調(diào)理電路放大后進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器，主控制器驅(qū)動AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將獲取的數(shù)據(jù)運算分析后傳輸至上位機系統(tǒng).本文中主控制器采用STM32F103ZET6設(shè)計，AD轉(zhuǎn)換器為24位高精度A／D轉(zhuǎn)換器HX711，具備兩路模擬輸入通道，可以同時測量兩路的拉壓力，內(nèi)部集成128被增益可編程放大器，輸入電路可以配置為提供橋壓的電橋式傳感器.經(jīng)過測量，其有效精度可達(dá)18～19位，可以滿足到線上拉壓力精確測量的要求.

圖4 高壓感應(yīng)取電原理

3 現(xiàn)場試驗分析

為了檢驗監(jiān)測原理是否正確，檢測系統(tǒng)能否可靠地工作，進(jìn)行了檢測現(xiàn)場試驗.試驗在甘肅平?jīng)雒继炀€0066?！?067＃檔距進(jìn)行.檔距參數(shù)如下：導(dǎo)線型號LGJ-240／30，水平檔距223 m，靜態(tài)張力15 124 N，桿塔高度18.5 m，懸垂5 m，彈性模量7.3e10Pa，斜角β＝0.

試驗條件：晴天，溫度-4℃，風(fēng)速15 m／s，海拔高度1 895 m.

由檢測裝置檢測的導(dǎo)線張力隨時間變化曲線如圖5所示.

圖5 實測導(dǎo)線張力隨時間變化曲線

對張力數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜變換，得出的導(dǎo)線張力頻譜圖如圖6所示.由測量結(jié)果可以看出導(dǎo)線瞬態(tài)舞動主頻率是固定的，主頻率為0.24 Hz，張力幅值為25 k N，張力變化值ΔTB＝TBMAX-TB靜態(tài)，通過式（5）、式（6）可計算出舞動幅值為3.87 m，由攝像機監(jiān)測的舞動幅值約為4 m，可以看出兩者十分接近.

圖6 導(dǎo)線張力頻譜圖

4 結(jié)論

導(dǎo)線舞動理論分析和試驗表明，導(dǎo)線舞動時輸電線路承受的張力發(fā)生大幅度變化，并且與舞動頻率和舞動幅度有確定的關(guān)系，本文中設(shè)計相關(guān)導(dǎo)線舞動監(jiān)測裝置，能夠精確測量架空導(dǎo)線的拉壓力變化，計算機分析與現(xiàn)場的實際攝像對比說明，該裝置監(jiān)測到的拉壓力變化能夠準(zhǔn)確反應(yīng)架空導(dǎo)線的舞動情況，通過智能和人工結(jié)合判斷，可以避免2／3以上因舞動產(chǎn)生的電網(wǎng)事故.

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