[发明专利]基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法

权利要求书

1.基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、预先在杆塔与绝缘子低压侧连接处安装上传感器单元，在相邻两杆塔(1)之间的导线(2)正前方设置双目摄像机(4)，在杆塔侧安装输电线路综合在线监测装置(5)，建立相邻两杆塔(1)之间的覆冰导线模型，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、预先在杆塔(1)与绝缘子低压侧连接处安装拉力传感器及倾角传感器，在相邻两杆塔(1)之间导线(2)的正前方设置双目摄像机(4)，并设定弧垂最低点为特征点；

步骤1.2、经步骤1.1，由拉力传感器获得模拟导线脱冰时导线拉力，由倾角传感器获得模拟导线脱冰时倾角大小的变化，由双目摄像机(4)获得导线脱冰前、后的视频图像；

步骤1.3、经步骤1.2后，由拉力传感器、倾角传感器通过485总线,双目摄像机(4)通过以太网,将获取的拉力、倾角和视频图像数据传送到杆塔(1)侧安装的输电线路综合在线监测装置(5)，再由输电线路综合在线监测装置(5)将拉力、倾角和视频图像数据传输到监测中心；

步骤1.4、将相邻两杆塔(1)之间的导线(2)分成N等分，并设定导线(2)上均匀覆冰；

步骤2、经步骤1后，在相邻两杆塔(1)之间的导线(2)上均匀施加集中载荷，用于模拟导线覆冰，根据架空线悬点不等高模型的悬链方程和力矩平衡原理进行计算，得到施加于导线(2)上的集中载荷的大小，具体按照以下方法实施：

步骤2.1、以导线(2)左侧悬挂点A为坐标原点，建立二维坐标系，设点K₁、K₂……K_i、K_N-1将导线(2)沿长度方向均分为N份，集中载荷Fi+1作用于第i份导线段K_i-1～K_i中点位置K_i’；

将导线(2)的两端A、B作为两个悬挂点；γ为沿导线长度方向作用均布载荷；σΑ为A点受到的应力，σ₀为A点受到的水平应力，σγA为A点受到的垂直应力；两个悬挂点A、B之间的水平档距为l，两个悬挂点A、B之间竖直方向上垂直距离为h；两个悬挂点A、B到导线(2)最低点O之间水平距离分别为a、b；x为所加集中载荷中点位置K_i’到导线(2)左侧A点的水平距离；

悬点不等高时架空线悬链线方程具体如下：

$\begin{array}{c}y=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}\[ch\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}-ch\frac{\mathrm{\γ}a}{{\mathrm{\σ}}_0}\]---\left(1\right);\\ =\frac{2{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}sh\frac{\mathrm{\γ}x}{2{\mathrm{\σ}}_0}sh\frac{\mathrm{\γ}(x-2a)}{2{\mathrm{\σ}}_0}---\left(2\right);\end{array}$

将x＝l时y＝h的边界条件代入，则得到如下算法：

$a=\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}arcsh\frac{h}{\frac{2{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}sh\frac{\mathrm{\γ}l}{2{\mathrm{\σ}}_0}}---\left(3\right);$

通过对悬链线方程求导得到如下算法：

$\frac{dy}{dx}=sh\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}---\left(4\right);$

基于导线微长度的计算公式：

利用导线微长度计算公式对进行积分，得到导线(2)上任意一点距离左侧悬挂点间的线长的算法，其算法具体如下：

$\begin{array}{c}{L}_x=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}\[sh\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}+sh\frac{\mathrm{\γ}a}{{\mathrm{\σ}}_0}\]\\ =\frac{2{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}sh\frac{\mathrm{\γ}x}{2{\mathrm{\σ}}_0}ch\frac{\mathrm{\γ}(x-2a)}{2{\mathrm{\σ}}_0}\end{array}---\left(6\right);$

设定x₁、x₂...x_i...x_N-1将导线(2)等分为N段，x₁′、x₂′...x_i′...x′_N分别为每一段导线中点到A点的位置坐标，继续实施如下算法：

$\frac{{\mathrm{iL}}_x}{N}=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}\[sh\frac{\mathrm{\γ}(x_i-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}+sh\frac{\mathrm{\γ}a}{{\mathrm{\σ}}_0}\],k=1,2...i...N-1---\left(7\right);$

$\frac{(i-1)L_x}{N}+\frac{L_x}{2N}=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}\[sh\frac{\mathrm{\γ}(x_i^{\′}-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}+sh\frac{\mathrm{\γ}a}{{\mathrm{\σ}}_0}\],k=1,2...i...N---\left(8\right);$

则通过计算得到第i段导线左侧端点x_i和中点x_i'到A点的水平距离为：

$x_i=a+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}arcsh(\frac{{\mathrm{i\γL}}_x}{{\mathrm{\σ}}_{0}N}-sh\frac{\mathrm{\γ}a}{{\mathrm{\σ}}_0}),k=1,2...i...N-1---\left(9\right);$

$x_i^{\′}=a+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}arcsh\[\frac{\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\σ}}_0}\frac{2(i-1)L_x+L_x}{2N})-sh\frac{\mathrm{\γ}a}{{\mathrm{\σ}}_0}\],k=1,2...i...N---\left(10\right);$

步骤2.2、设定导线(2)上的冰层分布载荷为q_ice，F_i+1为导线(2)上所加集中载荷的大小，并且导线(2)上各段分布载荷对左侧悬挂点形成的力矩与各段中点等效集中载荷力矩等效，则得到：

$\begin{array}{c}{x}_{i+1}^{\′}{F}_{i+1}={\∫}_{x_i}^{x_{i+1}}\frac{(L_{x+dx}-L_x)}{dx}{q}_{ice}xdx\\ ={\∫}_{x_i}^{x_{i+1}}\frac{dL}{dx}{q}_{ice}xdx\\ ={\∫}_{x_i}^{x_{i+1}}{q}_{ice}xch\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}dx\\ =\frac{q_{ice}{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}{\∫}_{x_i}^{x_{i+1}}xdsh\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}\\ =\frac{q_{ice}{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}{\[xsh\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}-\∫sh\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}dx\]}_{x_i}^{x_{i+1}}\\ =\frac{q_{ice}{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}{\[xsh\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}ch\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}+C\]}_{x_i}^{x_{i+1}}\end{array}---\left(11\right);$

其中，k＝0,1,2...i...N-1，x₀＝0；且当x＝0时，力矩为0，则得到：

$C=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}ch\frac{\mathrm{\γ}a}{{\mathrm{\σ}}_0}---\left(12\right);$

得到：

$F_{i+1}=\frac{q_{ice}{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}{\[xsh\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}ch\frac{\mathrm{\γ}(x-a)}{{\mathrm{\σ}}_0}+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{\mathrm{\γ}}ch\frac{\mathrm{\γ}a}{{\mathrm{\σ}}_0}\]}_{x_i}^{x_{i+1}}/x_{i+1}^{\′};$

步骤3、经步骤2获得施加于导线(2)上集中载荷的大小后，用具有同等重量的重物来等效替代所得到的载荷，再将同等重量的重物通过磁铁吸合装置(7)均匀施加于导线(2)上，最后通过控制磁铁吸合装置(7)内磁铁的吸合来模拟导线脱冰的过程。

2.根据权利要求1所述的基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、用具有同等重量的重物来等效替代经步骤2计算得到的集中载荷的大小；

步骤3.2、先将步骤3.1中的重物通过磁铁吸合装置(7)均匀吸附于导线(2)上，然后通过控制磁铁吸合装置(7)内磁铁的吸合来模拟导线脱冰的过程。