李曉光，龔浩，金銘，王建，劉春翔，李昆，劉健

(1．國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊830011；2.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；3．國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

極端環(huán)境災害影響范圍廣，受災損失巨大[1-3]，以沙漠區(qū)域的風沙災害最為典型.風沙災害帶來的系列故障中輸電線路絕緣子風偏、連接金具磨損等問題尤為突出.

有關輸電線路風偏相關的研究，早期主要以計算仿真模擬為主.考慮到線路的阻尼效應，研究者通常采用頻域計算方法，深入分析了振型組合階數以及組合方式對輸電線路動態(tài)風偏結果的影響[4-5]，或者分析輸電塔線體系在風振影響下的響應頻域特征[6-7].也有研究者考慮到絕緣子串和導線之間的耦合效應，采用有限元仿真了自然風災環(huán)境下的線路風偏情況，給出了相應的計算手段[8].沙塵環(huán)境引起的風偏間隙放電相關的研究，放電間隙的安全評估工作[9]，沙粒大小、空間分布和沙粒密度等因素對放電的影響研究[10-12]，是目前研究者關注的熱點問題.

絕緣子風偏運動過程引發(fā)的連接金具磨損問題，相關的研究報道較少，研究主要集中在試驗模擬方面.較為系統(tǒng)的是國網電力科學研究院和新疆電力科學研究院等單位，實驗模擬了金具沙粒磨損特征，分析了風力、沙粒等環(huán)境參數對金具磨損的影響以及磨損引起的金具電暈特性[12-14]，并探索了地理環(huán)境、風速風向等因素對線路金具壽命的綜合影響[15].此外，采用CIGRE、EPRI以及東京電力研究院推薦的圖像分析方法研究了輸電導線的運動軌跡，推測運動中絕緣子和導線的結構特征[16-18]；利用視頻圖像分析方法，新疆電科院通過導線運動軌跡獲取導線運動周期，通過自制設備模擬金具風振情況，但運動周期取值有待商榷.國網武漢高壓研究院建立了長串絕緣子的試驗模擬設備，對盤形懸式瓷絕緣子串、玻璃絕緣子串和復合絕緣子開展了系列試驗，其中的絕緣子耐張串試驗，強度下降較多[19].清華大學建立了特高壓復合絕緣子耐張串振動試驗裝置，獲得了微風振動對復合絕緣子耐張串機械性能的影響因素[20].但針對絕緣子風偏過程的振動研究較少，相關試驗參數尚待考證.

沙漠區(qū)域性大風為典型的空氣湍流，這種湍流包含有巨大的能量，推動了線路的運動，從而導致線路絕緣子風偏產生，出現無規(guī)律的振幅.絕緣子的運動迫使線路回應，并出現了線路的抖振反應，這種抖振反應瞬間出現多個小幅值現象，可能導致絕緣子風偏放電的產生.強風環(huán)境絕緣子風偏振動過程可以看作風偏和振動2個運動的合成.本文中采用視頻分析方法和振動分析獲得絕緣子的風偏和振動，在這2個量的基礎上進行合成.采用視頻分析方法分析絕緣子的風偏過程，通過位移傳感器捕捉振動的過程.

1 分析方法

圖1 絕緣子照片

1.1 圖像分析絕緣子視頻系統(tǒng)在成像過程中受到環(huán)境因素的制約，系統(tǒng)常出現透鏡色差及像差等固有缺陷，出現光路衍射、成像噪聲、運動絕緣子圖像失真以及失焦模糊等問題.正常情況下，從桿塔橫擔的視角，獲取的絕緣子圖像如圖1(a)所示.在實際風偏運動過程中，獲取清晰的圖像非常困難，但絕緣子的特征明顯.圖1(b)為某次沙塵暴天氣獲得的絕緣子圖像，圖1(b)可以視為圖1(a)的圖像獲取過程的退化照片.

假設退化函數用H表示，環(huán)境干擾噪聲用I表示，這2個影響因素共同作用在圖像f(x,y)(圖1(a))上，獲得退化圖像g(x,y)[21]，即圖1(b).假設該退化圖像的二值圖像為b(x,y)，其過程可由流程圖2(a)給出，通過該流程可以獲取絕緣子的運動振幅軌跡.這些過程包括：

1)絕緣子圖像獲取過程受到各種干擾因素而退化，該退化過程H與干擾噪聲I作用在圖像f(x,y)上，對于一般光學成像來說，退化過程可近似認為是線性的，有方程式(1)成立：

g(x,y)=H(x,y)×f(x,y)+I(x,y)

(1)

圖2 絕緣子圖像處理流程及效果圖

2)退化后的絕緣子圖像g(x,y)，二值變換B后獲得的二值圖像b(x,y)非常清晰簡單，如圖2(b)所示，絕緣子特征明顯，略去背景干擾，可以直接用來做中間過程計算，有方程式(2)成立：

b(x,y)=B(x,y)×g(x,y)

(2)

3)復原變換過程可采用直接盲解卷積[22]、維納解卷積圖像復原[23]等方法實現，絕緣子圖像處理流程中，整個絕緣子運動過程不需要考慮復原變化過程，在重點環(huán)節(jié)進行校對時才考慮復原變化，識別出絕緣子的2個端點位置，并且圖形精度要求不高；

4)建立絕緣子坐標，以無風狀態(tài)絕緣子高壓端為原點，垂直導線和絕緣子方向為橫向坐標(X坐標)，以絕緣子方向為縱向坐標(Y坐標)，沿著導線為水平坐標(Z坐標).獲得的絕緣子運動照片，經步驟1)和步驟2)的二值變換B處理，識別出絕緣子兩端，從而計算出絕緣子運動的時間、方向和幅度.

1.2 振動位移分析采用武漢伊萊維特設計的光纖光柵位移傳感器(型號：YLWT-DMS-102)，改進基礎設計以滿足現場需求，改進后該傳感器參數為量程 ± 500 mm，精度0.3%，靈敏度0.1%，頻率響應3 500 Hz，光柵中心波長1 525～1 565 nm，光柵反射率 ≥ 90%.測量步驟如下：

1)光纖光柵位移傳感器直接附著在絕緣子高壓端的金具上，觀測位置與視頻觀測位置保持一致；

2)傳感器測量范圍為-500 ～ 500 mm，超過該范圍振幅的測量采用視頻圖像分析實現；

3)振動位移測量的時間參數與視頻圖像測量的時間參數保持一致，方便運動疊加合成.

2 結果與分析

圖3 絕緣子風偏觀測塔

選擇位于沙漠風區(qū)某超高壓線路的直線塔作為研究對象，如圖3，該直線塔在某次風害過程中發(fā)生絕緣子風偏放電事件，是沙漠風區(qū)絕緣子風偏研究的重點對象.

圖4(a)是利用圖像分析方法獲得的結果，絕緣子圖像處理步驟見1.1部分，觀測位置為均壓環(huán)，見圖3.從圖4(a)中可以得出，絕緣子風偏幅度與極大風速值之間強相聯(lián)，略微滯后風速值約10 s.極大風速值在80 ～ 160 s的風速穩(wěn)定時間區(qū)域，絕緣子風偏幅度值也進入穩(wěn)定區(qū)域，穩(wěn)定陣風推動線路的整體運動，從而導致線路絕緣子風偏略微滯后；此外，極大風值不斷變化區(qū)域，絕緣子風偏幅度值也不斷變化.短時間的風規(guī)律表現為無規(guī)律的空氣湍流，出現的絕緣子風偏表現為無規(guī)律的風偏運動，極大風速的范圍為25 ～ 45 m/s，風偏值為1 ～ 3 m.

圖4(b)疊加合成振動位移部分數據.絕緣子風偏受到風力影響，風力本質上是空氣的湍流，引發(fā)2種結果：1)時間上，風力的能量處于變化過程中；2)風力的能量平面非均勻分布.第一種結果引發(fā)風力提升力的連貫非均勻性，導致導線和絕緣子的非線性運動，引發(fā)絕緣子抖振；第二種結果引發(fā)風力推動導線的非均勻作用，也將引發(fā)絕緣子抖振，這些現象表現為位移傳感器獲得的小振幅運動，約為 ± 400 mm的無規(guī)律運動，相關結果如圖4所示.

圖4 絕緣子風偏分析結果

長時間的絕緣子風偏過程如圖5所示，本研究中風向與輸電走廊的垂直方向為10° ～ 25°，導線受到湍流的抬升力，導線阻力系數隨著風速的變化而迅速變化，導線的阻力FD由方程式(3)給出[18]：

(3)

其中，ρair為空氣密度(標準溫度和壓力情況下大約為1.2 kg/m3)，Φ為導線直徑(m)，單導線為φ(m)，分裂導線需要根據分裂數進行換算，Vr為相對風速(m/s)，CD為阻力系數(k/h)，該常數由風速和導線粗糙度確定，如果出現非對稱沉積物(比如冰、雪等)使表面出現偏心率，CD依賴于風攻角，參考相對于風向的冰位置，同時分裂導線需要根據非對稱沉積物界面進行換算得出.空氣湍流過程中，導線阻力能夠在三維空間推動導線動態(tài)運動，在導線阻力作用形成的風偏抖振極易受到風速值的影響.長時間絕緣子風偏運動過程則表現為圖5的形式.

一般情況下，風向與輸電走廊并不垂直，風的垂直分量引起絕緣子風偏向上運動，從而有垂直位置變化，同時，風的水平分量導致導線水平運動，其運動過程引發(fā)導線擺動，進而引發(fā)絕緣子擺動，擺動幅值約為 ± 1.5 m，如圖6所示.整個絕緣子風偏運動過程非常有害，直接加劇絕緣子兩端連接金具(U型環(huán))的磨損過程，文獻[12-13]中的擺動周期取值為5 s，本文中的結果與該取值有一定的差異；文獻[12-13]中對比了現場和實驗的分析結果，認為存在粘著磨損和磨料磨損的兩個磨損過程，但從本文中角度出發(fā)，大幅度的絕緣子擺動將引發(fā)連接金具之間的碰撞，而絕緣子抖振過程則引發(fā)粘著磨損，粘著磨損和磨料磨損協(xié)同作用，直接增加絕緣子兩端連接金具磨損故障發(fā)生的幾率.

圖5 長時間絕緣子風偏運動過程的時間序列

圖6 絕緣子風偏的水平位置與垂直位置的關聯(lián)圖

3 結論

1)強風環(huán)境下絕緣子風偏振動可以看作風偏和振動兩個運動的合成，絕緣子風偏過程采用視頻分析方法實現，振動位移過程通過光纖光柵位移傳感器捕捉；

2)絕緣子風偏幅度與極大風速值之間強相聯(lián)，整個運動過程包含無規(guī)律的風偏運動和抖振運動，風偏值為1 ～ 3 m/s，抖動值為-400 ～ 400 mm；

3)風的垂直分量引起絕緣子風偏向上運動，風的水平分量導致導線水平運動，這個擺動過程將加劇連接金具的磨損.