[发明专利]一种输电线路振动损伤度量仪

说明书

本发明为了有效地分析输电线振动引起的线路损伤，设计一种输电线振动损伤度量仪：首先利用MEMS惯性测量节点采集输电线运动的三轴加速度和角速度，进行滤波和分段处理，根据输电线的振动特性，通过积分和FFT变换来计算输电线平动/转动的幅值和频率；然后从损伤耗能的角度，利用幅值和频率参数构造振动耗能函数，度量输电线振动中材料损伤所消耗的能量；然后根据振动损伤与振动耗能函数之间的关系，建立振动损伤函数模型，计算输电线的损伤程度。该损伤度量方法仪利用现有的在线测量数据，可以很好的计算输电线的振动损伤程度，可对输电线损伤的长期监测，也可为输电线损伤预警提供参考，可广泛应用于各种运动损伤度量的场合。

技术领域

本发明属于电网线路安全领域，具体涉及一种输电线路振动损伤度量仪。

背景技术

在外界的影响下输电线经常处于振动状态，由于振动的冲击性与循环性，长期的振动不仅使输电线增大动弯应力而产生疲劳，还使输电线与金具或自身的摩擦而产生磨损，无论疲劳还是磨损都会对输电线造成一定的损伤，严重时导致输电线断股、断线、金具损坏等，威胁电网的安全稳定运行。输电线的振动损伤多发生于导线内部股线间、导线与金具连接点等隐蔽部位，不易查看，且振动损伤是不断积累的，巡检人员很难及时、准确的发现输电线的损伤情况，因此对输电线振动损伤分析具有重要的意义。

目前对振动损伤的研究主要是对疲劳损伤的分析以及疲劳寿命的预测。对于损伤的测量方法有：通过实验模拟线夹处的应力，计算动弯应变并预测导线的疲劳寿命；采用迭代法根据风输入的能量求振动水平，进而分析输电线的疲劳损坏程度；采用基于能量平衡原理的传递矩阵法分析输电线的振动特性，计算平衡状态下的振动幅值，得出系统响应和动弯应变；考虑输电线的质量和刚度采用有限元法分析振动和曲率的关系，得出动弯应变。

随着在线监测技术的发展，采用悬臂梁式传感器在线测量导线的弯曲幅度，计算导线的振动幅值、频率和动弯应变；提出基于压电式加速度计的微风振动监测系统，采集导线的振动加速度，并通过快速傅里叶变换得到振动的幅值与频率，进而计算动弯应变。通过上述方法得到输电线的动弯应变，利用以Miner损伤理论和Wohler安全边界曲线为基础的损伤法可以在一定程度上分析出输电线的损伤程度与疲劳寿命。

目前这些方法还存在一些不足，一方面，由于动弯应变复杂的受力情况，不能充分考虑所有的影响因素，且在线监测所用的传感器在特高压强磁和强电流中会受到很大的干扰，使计算的动弯应变产生误差；另一方面，振动损伤的表现形式不仅是振动疲劳，振动产生的摩擦磨损也会造成输电线损伤，二者相互影响，滑移面间的摩擦会加速疲劳裂纹的扩展，缩短导线使用寿命，疲劳裂纹的形成也会增大摩擦系数，加快磨损，所以，研究输电线的振动损伤程度时应综合考虑。

发明内容

随着智能电网的建设，由于MEMS惯性测量单元成本低、体积小、功耗小、寿命长、抗振和抗干扰能力强，很适合安装在导线进行在线监测，因此只要输电线路在线监测系统里增加一块MEMS惯性测量单元即可。

本发明的目的在于通过由MEMS惯性器件构建惯性测量单元，嵌入到输电在线监测系统里，采集输电线运动的三轴加速度和角速度，然后进行滤波和分段处理，根据输电线的振动特性，用积分和FFT变换计算平动/转动的幅值和频率，从损伤耗能的角度，综合摩擦磨损和疲劳损伤对输电线的耗能作用，以输电线平动/转动的幅值和频率为变量构建振动耗能函数，然后分析振动损伤与振动耗能函数的关系，建立振动损伤函数模型，计算输电线的损伤程度；输电线路损伤度量仪包括两个单元：运动敏感单元(MEMS惯性测量单元)和损伤分析度量单元。

运动敏感单元包括：三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和温度计，采集三轴加速度、三轴角速度和温度数据，通过高速采集卡或SPI接口把数据传输到损伤分析度量单元。

损伤分析度量单元也即是损伤度量仪的核心，由高速的嵌入式处理器、静/动态存储器、外围辅助电路和Mini USB接口构成，通过Mini USB接口与在线监测系统连接。