王璋奇, 王　劍, 楊文剛

(華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系, 河北 保定　071003)

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架空輸電線脫冰動張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王璋奇, 王劍, 楊文剛

(華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系, 河北 保定071003)

基于總線架構(gòu)研制了一套架空輸電線脫冰動張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)包括脫冰模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K、脫冰控制模塊和動張力數(shù)據(jù)采集模塊。脫冰模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K搭建了脫冰跳躍基本實(shí)驗(yàn)物理環(huán)境；脫冰控制模塊由脫冰控制硬件和脫冰控制軟件組成,用于模擬架空線脫冰工況；動張力數(shù)據(jù)采集模塊對脫冰過程中架空線端部動張力進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了孤立檔耐張段架空輸電線脫冰動張力教學(xué)性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),加深了學(xué)生對架空線脫冰動力學(xué)特性教學(xué)內(nèi)容的理解和認(rèn)識。

架空輸電線； 脫冰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； 動張力

架空輸電線覆冰是電網(wǎng)的常見災(zāi)害,脫冰過程中,導(dǎo)線將發(fā)生劇烈運(yùn)動,并在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生動態(tài)變化的張力。導(dǎo)線張力的劇烈變化對輸電鐵塔結(jié)構(gòu)、線路金具等造成嚴(yán)重的安全隱患。2008年我國冰雪災(zāi)害中,有90%左右的倒塔都是由于脫冰致動張力對鐵塔的沖擊作用所致[1-2]。因此,架空導(dǎo)線脫冰動張力的內(nèi)容是架空輸電線路課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容。

由于架空線脫冰動特性的復(fù)雜性[3],盡管相關(guān)學(xué)者設(shè)計(jì)了多種脫冰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行研究[4-10],但這些研究注重于科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究,所采用的設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴,不便于課堂教學(xué)使用。因此,開發(fā)和研究適合課程內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備是非常必要的。配合輸電線路工程專業(yè)的建設(shè),在學(xué)校的支持下,輸電線路工程實(shí)驗(yàn)室研制了一套架空輸電線脫冰動張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多種脫冰工況模擬和實(shí)驗(yàn),同時(shí)對動張力進(jìn)行了采集分析。將該研究成果用到輸電線路工程專業(yè)本科生和研究生的教學(xué)實(shí)踐中,增強(qiáng)了學(xué)生對架空導(dǎo)線脫冰過程中的物理規(guī)律的認(rèn)識和理解,培養(yǎng)了實(shí)踐能力,取得了良好的教學(xué)效果。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

采用總線架構(gòu)式設(shè)計(jì)思想,將系統(tǒng)分割為多個(gè)功能子模塊,分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。具體實(shí)現(xiàn)方式為:設(shè)計(jì)多個(gè)架空輸電線脫冰控制裝置,每個(gè)裝置分別管理4路覆冰重物,各個(gè)裝置通過總線連接,統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)置并實(shí)現(xiàn)脫冰工況模擬。該方式大大提高了系統(tǒng)的自動化水平,直接對總線進(jìn)行操作即可控制所有子模塊,且各路覆冰重物相互獨(dú)立,通過遠(yuǎn)程設(shè)置可以完成任意時(shí)序的脫冰動作,同時(shí)系統(tǒng)可以通過增加或減少脫冰控制裝置的數(shù)量以適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)檔距。

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

架空輸電線脫冰實(shí)驗(yàn)要求能夠建立一段架空輸電線模型,并能實(shí)現(xiàn)覆冰/脫冰工況模擬,同時(shí)也能采集脫冰過程中的導(dǎo)線動力學(xué)特性。基于這些實(shí)驗(yàn)的基本要求,將系統(tǒng)分為三大基本模塊,分別為脫冰實(shí)驗(yàn)?zāi)K、脫冰控制模塊和動張力采集模塊。研制的架空導(dǎo)線脫冰動張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　架空線脫冰動張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2脫冰實(shí)驗(yàn)?zāi)K

脫冰實(shí)驗(yàn)物理模塊完成架空輸電線脫冰實(shí)驗(yàn)基本環(huán)境,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建一段孤立檔或者連續(xù)檔架空線,具體依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件靈活確定,可以采用真型輸電線,直接將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于架空輸電線路上,也可以采用模擬架空輸電線模型。對于不同的架空輸電線,系統(tǒng)在設(shè)計(jì)覆冰重物時(shí)需依據(jù)架空線尺寸和覆冰厚度具體確定重物質(zhì)量。

1.2.1覆冰重物

架空輸電線表面在冬季易形成圓柱狀或近似橢圓狀的冰層,為模擬架空線覆冰工況,通常采用在架空線上等間距懸掛集中質(zhì)量的方式模擬覆冰,王璋奇等[9]對該方法與真實(shí)覆冰工況下的脫冰動張力進(jìn)行了對比,指出采用集中質(zhì)量法可以有效模擬架空線覆冰脫冰工況,因此本系統(tǒng)采用集中質(zhì)量法在架空線上懸掛重物實(shí)現(xiàn)覆冰模擬。

架空線覆冰工況采用等間距懸掛重物的方式實(shí)現(xiàn),重物質(zhì)量與等效覆冰質(zhì)量對應(yīng)。架空線覆冰質(zhì)量的計(jì)算公式為

(1)

式中:mice為架空輸電線單位長度上的覆冰質(zhì)量,kg/m；ρice為冰密度,取ρice=0.9×103kg/m3；b為覆冰厚度,mm；D為導(dǎo)線直徑,mm。這里假設(shè)導(dǎo)線覆冰截面為圓環(huán)狀。

根據(jù)式(1)計(jì)算導(dǎo)線在不同覆冰厚度情況時(shí)的覆冰質(zhì)量,進(jìn)而可以計(jì)算得出每個(gè)重物的質(zhì)量,其計(jì)算公式為

(2)

式中:mload為每個(gè)重物的質(zhì)量,kg；L為檔距,m；n為懸掛重物個(gè)數(shù)。

1.2.2覆冰脫冰工況實(shí)現(xiàn)

架空輸電線上等間距安裝有輕質(zhì)鐵吸盤,適應(yīng)于不同直徑的架空線,吸盤尺寸和電磁鐵型號可以根據(jù)架空線直徑而定。電磁鐵的通斷由脫冰控制模塊統(tǒng)一控制,當(dāng)電磁鐵通電時(shí),產(chǎn)生吸力,電磁鐵掛接重物、一起懸掛在導(dǎo)線上,實(shí)現(xiàn)覆冰模擬;當(dāng)控制電磁鐵斷電時(shí),電磁鐵失去吸力,重物脫離架空線,完成脫冰過程模擬[11-12]。脫冰速度是衡量非同期脫冰的重要指標(biāo)[13],不同的脫冰速度會呈現(xiàn)不同的動張力變化。為方便系統(tǒng)設(shè)計(jì),將脫冰速度轉(zhuǎn)化為相鄰覆冰重物脫冰時(shí)間間隔Δt,當(dāng)檔距為L,覆冰重物數(shù)量為n,則等效脫冰速度v=L/(nΔt)。

1.3脫冰控制模塊

脫冰控制模塊由脫冰控制硬件和脫冰控制軟件兩部分組成。硬件部分負(fù)責(zé)覆冰重物按照指定脫冰時(shí)序執(zhí)行脫冰動作,脫冰控制軟件主控脫冰時(shí)序的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作功能。

1.3.1脫冰控制模塊總體結(jié)構(gòu)

脫冰控制硬件主要由脫冰控制裝置、控制箱以及供電系統(tǒng)組成,其中脫冰控制裝置主要實(shí)現(xiàn)架空輸電線非同期脫冰過程,該裝置控制模擬覆冰按照指定脫冰時(shí)序動作,也是實(shí)現(xiàn)非同期脫冰跳躍工況的核心。

控制模塊的核心芯片為8位高性能單片機(jī)AT mega128,其主管接收配置指令、返回配置信息、接收執(zhí)行指令,并驅(qū)動電磁鐵進(jìn)行動作。為避免電磁鐵動作過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓對系統(tǒng)的影響,采用光耦驅(qū)動電路將ATmega128芯片與電磁鐵接口進(jìn)行隔離。脫冰控制模塊控制電路原理見圖2。

圖2　控制電路原理

為增強(qiáng)系統(tǒng)可擴(kuò)展性能,脫冰控制模塊內(nèi)置控制電路完全一樣,各裝置具有等價(jià)性,當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要增加覆冰重物數(shù)量時(shí),只要增加相應(yīng)的脫冰控制裝置即可。同理,對于覆冰重物數(shù)量需求較小的情況,只需要減少相應(yīng)的控制裝置即滿足要求。

模塊采用總線架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),將各個(gè)脫冰控制裝置掛接在總線上,方便對各裝置進(jìn)行統(tǒng)一管理與控制。系統(tǒng)總線包括485通信總線、控制總線以及電源總線。其邏輯架構(gòu)如圖3所示。

圖3　脫冰控制模塊總線邏輯架構(gòu)

模塊統(tǒng)一采用計(jì)算機(jī)上所安裝的控制軟件對各個(gè)脫冰控制裝置進(jìn)行配置,具體實(shí)現(xiàn)過程：控制軟件向控制箱發(fā)送脫冰時(shí)序配置指令,控制箱接到配置指令后將指令通過485總線發(fā)送給各個(gè)脫冰控制裝置,脫冰控制裝置根據(jù)自身地址從總線中識別出自己指令,完成配置，并向485總線返回配置成功信息,進(jìn)而反饋給計(jì)算機(jī),供操作人員及時(shí)校核。

為確保系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間精度,系統(tǒng)脫冰動作指令采用控制總線傳遞,各個(gè)脫冰控制器接收到動作指令的時(shí)間一致。這一點(diǎn)后文有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。由于系統(tǒng)總體呈長鏈狀,跨越長度較長,系統(tǒng)采用電源總線的方式為各個(gè)系統(tǒng)提供電能,該種方式大大簡化了單獨(dú)供電的復(fù)雜性。需要說明的是,為與后文驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)一致,圖3中給出了5個(gè)脫冰控制裝置掛接圖,實(shí)際系統(tǒng)可以掛接更多的脫冰控制裝置以滿足覆冰重物需求量大的場合。

1.3.2指令格式

非同期脫冰控制裝置的配置指令可以實(shí)現(xiàn)地址配置和時(shí)序配置兩大功能。時(shí)序配置指令以數(shù)據(jù)幀的方式傳輸,每個(gè)數(shù)據(jù)幀中含有設(shè)備地址、每個(gè)設(shè)備中電磁鐵編號以及執(zhí)行時(shí)序等信息。每個(gè)數(shù)據(jù)幀用于配置一個(gè)非同期脫冰控制裝置中的一路電磁鐵,因此每路電磁鐵動作執(zhí)行相互獨(dú)立,可以組合出多種脫冰時(shí)序。

指令統(tǒng)一編輯為數(shù)據(jù)幀,數(shù)據(jù)幀包含6個(gè)八位二進(jìn)制碼,幀頭和幀尾統(tǒng)一分別為“0xeb”和“0x90”,數(shù)據(jù)幀中間部分分別包含了設(shè)置地址、設(shè)置每路動作時(shí)間、查詢、清除等功能代碼。其中“功能號”區(qū)別指令的功能,“地址”表示設(shè)備的地址號,“保留”字段統(tǒng)一使用“0x00”填滿。此處,“電磁鐵號”分別表示每個(gè)脫冰裝置中4路電磁鐵標(biāo)示,該編輯方式實(shí)現(xiàn)了可以對每個(gè)脫冰控制裝置中的每路電磁鐵進(jìn)行時(shí)序設(shè)置?！皶r(shí)間高位”和“時(shí)間低位”用于設(shè)置電磁鐵動作執(zhí)行時(shí)間,具體時(shí)間為“時(shí)間高位”×256+“時(shí)間低位”,單位為ms。

動作指令使用開關(guān)控制,該指令為一個(gè)低電平(0 V)到高電平(12 V)的跳變。各控制裝置接收到動作指令后,進(jìn)入中斷程序,觸發(fā)內(nèi)部計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí),當(dāng)該時(shí)間達(dá)到設(shè)置的動作時(shí)間時(shí)即驅(qū)動繼電器切斷電磁鐵電源,覆冰重物脫離架空線,完成脫冰動作。

1.3.3脫冰動作執(zhí)行

為保證脫冰動作按照指定的時(shí)序進(jìn)行執(zhí)行,系統(tǒng)采用對每路電磁鐵進(jìn)行獨(dú)立控制的方式以確保相互之間沒有干擾,其每路電磁鐵動作執(zhí)行流程見圖4。

圖4　脫冰跳躍執(zhí)行流程

1.3.4脫冰控制軟件

脫冰控制軟件是學(xué)生對脫冰過程進(jìn)行配置的操作平臺。為方便實(shí)踐性教學(xué),其操作過程需相對簡便,能夠方便快速地配置各覆冰重物的脫冰時(shí)序。軟件提供485通信配置、脫冰時(shí)序配置、設(shè)備檢測以及地址配置等功能。其中485通信配置功能用于串口配置連接,脫冰時(shí)序配置功能用于配置各路電磁鐵動作執(zhí)行時(shí)序,設(shè)備檢測功能用于檢測每個(gè)脫冰控制裝置是否連接在線,地址配置功能可以分別配置脫冰控制裝置的地址。同時(shí),脫冰控制軟件能夠接收各脫冰控制裝置反饋的信息,以便狀態(tài)檢查。

1.4動張力采集模塊

架空輸電線脫冰產(chǎn)生跳躍振蕩,導(dǎo)線端部張力會發(fā)生動態(tài)變化。設(shè)計(jì)的動張力數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對架空線動張力變化情況的實(shí)時(shí)采集。與后文教學(xué)性實(shí)驗(yàn)對應(yīng),本文采用量程為10 t的電阻應(yīng)變式張力傳感器對導(dǎo)線張力進(jìn)行測定,傳感器將張力值轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鲀?nèi)部電阻應(yīng)變,電阻應(yīng)變經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換為0～5 V標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓量。其中變送器中安裝有精密電橋,張力傳感器內(nèi)部電阻由于張力作用而發(fā)生變化,該變化導(dǎo)致電橋失衡,輸出正比于張力值的模擬電壓,再經(jīng)過濾波放大處理后,輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓量。該電壓被DT9800高性能數(shù)據(jù)采集卡所采集,并通過數(shù)據(jù)線傳送至計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集軟件DEWEsoft,該軟件將該值轉(zhuǎn)換為導(dǎo)線端部實(shí)時(shí)動張力,并以時(shí)程曲線的形式顯示出來。動張力采集與分析邏輯框圖見圖5。

2　教學(xué)性實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)采用5個(gè)脫冰控制裝置串聯(lián)相接,每個(gè)控制裝置連接4路電磁鐵,電磁鐵與控制裝置之間使用電磁鐵控制線連接,電磁鐵上懸掛有沙袋以模擬覆冰工況。在輸電線上等間距懸掛20個(gè)重物模擬導(dǎo)線覆冰工況,其懸掛位置分別為距離左端(6.5×n-3.25)m處,其中n=1,2,3,…,20。脫冰控制裝置之間采用電源線、控制線和通信總線連接,并從5號脫冰控制裝置引出接到控制箱上,控制箱主控?cái)?shù)據(jù)通信、脫冰動作執(zhí)行以及為脫冰控制裝置供電等功能。控制箱通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接,接收脫冰控制軟件發(fā)送的配置指令,并反饋配置成功信息。為減少電磁鐵通斷干擾,系統(tǒng)采用單設(shè)的電磁鐵電源為電磁鐵供電。

圖5　動張力采集模塊結(jié)構(gòu)框圖

架空導(dǎo)線兩端通過耐張線夾串接張力傳感器后再連接于鐵塔上,張力傳感器可以實(shí)時(shí)采集架空導(dǎo)線端部動張力變化情況。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用本系統(tǒng)進(jìn)行了整檔同期脫冰(工況一)、順序非同期脫冰(工況二)以及部分檔(工況三)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。當(dāng)設(shè)置所有路電磁鐵執(zhí)行時(shí)間為同一時(shí)刻時(shí),即可實(shí)現(xiàn)整檔同時(shí)脫冰動作。整檔(工況一)同時(shí)脫冰時(shí)導(dǎo)線端部動張力F時(shí)程曲線如圖6(a)所示；參考圖1中的左右方位,當(dāng)導(dǎo)線從左端往右端間隔50 ms依次脫落(工況二)時(shí),導(dǎo)線端部動張力時(shí)程曲線如圖6(b)所示；當(dāng)導(dǎo)線左邊半檔脫冰(工況三)時(shí),導(dǎo)線端部動張力時(shí)程曲線如圖6(c)所示。

圖6　架空輸電線脫冰跳躍動張力時(shí)程曲線由圖6可見：整檔同時(shí)脫冰跳躍過程中,架空線動張力呈現(xiàn)較為規(guī)整的余弦衰減形態(tài),該現(xiàn)象與眾多已有研究結(jié)論一致；順序脫冰且相鄰覆冰重物之間脫落時(shí)間差為50 ms時(shí),動張力首先呈現(xiàn)一個(gè)較為陡峭的衰減,至覆冰墜落完后以一較小幅值波動衰減,這與文獻(xiàn)[13]中的研究結(jié)果類似；當(dāng)脫冰工況三時(shí),由于仍有覆冰殘留在架空輸電線上,動張力以一較高的張力值為中心波動衰減,且波動幅值沒有整檔時(shí)大。

3　結(jié)論

結(jié)合架空輸電線路課程教學(xué)內(nèi)容,在前期工作的基礎(chǔ)上[9-12]，本文設(shè)計(jì)并研制了一套架空輸電線脫冰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有功能全面、靈活性強(qiáng)、自動化程度高等特點(diǎn),可應(yīng)用于不同覆冰、脫冰工況的實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)可加深學(xué)生對架空輸電線脫冰動力學(xué)特性的理解和認(rèn)識,培養(yǎng)學(xué)生探索、創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)技能和能力,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

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Design and realization of ice shedding dynamic tension experimental system for overhead transmission lines

Wang Zhangqi, Wang Jian, Yang Wengang

(Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003, China)

The designed system consists of three components which are ice shedding experiment module,ice shedding control module and dynamic tension data acquisition module. The ice shedding experimental module is used for the implementation of the basic environment of the ice shedding experiment. The ice shedding control module is adopted for the realization of the ice shedding process,which contains ice shedding control hardware and ice shedding control software. The dynamic tension data acquisition module is in charge of collecting the dynamic tension of the overhead transmission lines when ice shedding. Ice shedding dynamic tension innovative experiment was done on an isolated span strain section transmission line in laboratory and it enhances the students’ comprehension and recognition of the teaching content on the ice shedding dynamic characteristic of overhead transmission lines.

overhead transmission lines; ice shedding experimental system; dynamic tension

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.019

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用

2016-03-02

河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目(2015GJJG236)

王璋奇(1964—)，男，陜西大荔，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事輸電線路工程、機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)及應(yīng)用研究.

E-mail：wangzq2093@163.com

G484;TM726

A

1002-4956(2016)9-0071-04