[发明专利]一种基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度监测方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及输电线路覆冰计算领域，尤其涉及一种基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度监测方法和系统。

背景技术

输电线路覆冰是电网安全运行的重大威胁，严重的覆冰将导致倒塔、断线等重大事故。南方电网为了在覆冰期及时、有效的监测与预警冰情，建立了覆冰预警系统，为防冰工作人员制定防冰、融冰决策提供了巨大的技术支持。

覆冰厚度计算模型是覆冰预警系统的重要组成部分。覆冰监测终端采集的基础数据，经过覆冰厚度计算模型换算成现场覆冰厚度，才能直观、准确的反映输电线路覆冰情况。在覆冰在线监测技术中，由于称重法原理直接、技术应用相对成熟，因此用于工程实践中的主要采用基于称重法原理的覆冰厚度计算模型。但是，基于称重法的覆冰厚度计算模型仍存在诸多关键性问题尚未解决，如目前国内覆冰厚度计算模型主要集中在计算直线塔导线覆冰厚度，缺乏对耐张塔导线覆冰厚度计算模型的研究。国家电网为了避免无法计算耐张塔导线覆冰厚度问题，覆冰监测终端均安装于直线塔。

受华南静止锋及地形因素的影响，南方电网输电线路覆冰较国网严重的多，而耐张塔能够承受断线拉力，在重覆冰区域，为了防止大范围倒塔事故，普遍采用耐张塔。同时南方地区地形复杂，山体较多，耐张塔应用较国网广泛。根据防冰工作的需要，南网部分覆冰终端安装于耐张塔。

如图1所示，架空输电线路覆冰监测终端一般由监测终端、通信网络和系统主站(图中用监控中心主站表示)构成。其中，覆冰监测终端(即监测终端)包括拉力及角度传感器、泄露电流传感器、气象传感器、角度传感器、摄像头等部件。具体运作流程为：传感器监测现场数据，通过GSM/GPRS网络传送至系统主站，系统主站的后台软件根据覆冰厚度计算模型，实时计算导线覆冰厚度。覆冰在线监测技术拟在解决人工巡视效率低、建造观冰站费用高且效果不明显等问题。

目前，覆冰厚度计算方法主要有流体力学法、称重法、倾角—张力法、倾角—弧垂法、图像监测法、模拟导线法等，其中称重法、倾角法原理较简单、设备要求较低，在国内工程实践中应用最广。但是由于角度传感器精度不够及故障率较高等问题，倾角法存在的技术难点较多，因此称重法是目前最适于覆冰厚度监测的方法。

称重法即是通过覆冰终端监测绝缘子串悬挂点荷载、环境气象条件、倾角等参量，运用静力分析方法，将监测荷载的增量换算成等值覆冰厚度(冰密度0.9g/cm³)。虽然不同研究者采用的静力分析方法、终端监测参量、数据处理过程有所差异，但是大体思路相近。

华南理工大学的阳林等提出的覆冰厚度计算模型思路为：以绝缘子串悬挂点拉力和倾斜角为基本参量，考虑风偏因素，将导线力学参量归算到风偏平面，通过风偏平面内竖直方向的静力学受力平衡计算出等效导线长度，进而计算等值覆冰厚度，并可根据人工观冰结果修正等效导线长度，提高计算结果的准确性。该模型又被称为反演计算模型，现为南方电网统一部署模型。

西安交通大学的黄新波的计算模型思路为：运用导线长度求解水平张力，并根据水平张力和竖直方向力静力平衡关系求解综合荷载，运用风速传感器监测量计算风荷载，综合荷载减去风荷载求得覆冰荷载，进而求出等值覆冰厚度。

其他基于称重法的覆冰模型大体思路同上述两个覆冰模型相近，即先求解竖直方向力的变化，进而求出覆冰荷载，最后计算等值覆冰厚度。理论及实践表明，这种思路只适用于计算直线塔导线覆冰厚度。

由于耐张绝缘子串悬挂点不仅承受了导线重力，还承受了导线水平张力。因此，直线塔覆冰厚度计算模型不能适用于耐张塔。目前国内对耐张塔架空输电线路覆冰厚度计算的研究较少，未能对耐张塔导线覆冰厚度计算影响因素做深入研究，更无法把耐张塔导线覆冰厚度计算模型应用到工程中。

近年来，较具代表性的耐张塔导线覆冰厚度计算模型只有一种，为重庆大学蒋兴良于2013年提出的基于监测拉力和倾角的输电线路等值覆冰厚度计算模型(下称蒋氏模型)。

如图2所示，根据静力平衡原理，在悬挂点B取力矩，可以得到：

式中：V_a为A悬挂点竖直方向受力；H_a为A悬挂点水平张力；ω为导线单位长度重量；ω_J为绝缘子串单位长度自重；l为两杆塔间的档距；β为高差角；θ为绝缘子串倾斜角；λ为耐张绝缘子串的长度。

覆冰时，由倾角传感器测量得到的绝缘子串倾角为θ₂，由拉力传感器测量得到的绝缘子串挂点拉力为T₂。根据竖直平面受力关系：