导线覆冰的力学分析与覆冰在线监测系统
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© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
・ 新技术新产品 ・ 黄新波 ,等 导线覆冰的力学分析与覆冰在线监测系统
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地市局监测中心的各杆塔绝缘子串的倾斜角 、 风偏 角、 覆冰导线重力变化 、 导线舞动频率以及环境参数 等数据 ,借助专家软件了解该省相应线路的覆冰状 况 。专家软件利用各种修正理论模型 、 试验结果和 现场运行结果来判断输电线路的覆冰状况 , 及时给 出预报警信息 ,有效防止冰害事故的发生 。
摘要 : 建立了导线覆冰厚度和导线弧垂变化的力学模型 ,设计了力传感器的安装结构 ,研发了基于 全球移动通信系统 ( GSM) 短信业务 ( SMS) 的输电线路覆冰在线监测系统 。系统运行结果表明 : 现 场分机可定时或实时监测覆冰导线的重力变化 、 绝缘子串倾斜角 、 风偏角 、 导线舞动频率以及风速 等环境信息 ,并通过 GSM SMS 发送至监测中心 ,由专家软件来分析覆冰状况 ,及时给出除冰信息 , 保障覆冰区线路的运行安全 。 关键词 : 输电线路 ; 覆冰 ; 在线监测 ; 力学模型 ; 力传感器 ; GSM SMS 中图分类号 : TM216 ; TM755 ; TP277
收稿日期 : 2006207216 ; 修回日期 : 2007203205 。 陕西省自然科学基础研究计划资助 ( 2006 E1 17) ; 西安市科技 计划资 助 项 目 ( GG06050 ) ; 陕 西 省 教 育 厅 科 技 专 项 资 助 ( 06J K298) 。
方面制约 : ①各种载荷计算模型 、 覆冰理论尚不完 善 ,验证手段落后 ; ② 由于气象部门对导线 、 绝缘子 覆冰观测少 ,观测站无法移动 , 观测资料代表性差 , 对研究者提出的理论模型验证作用不明显 ; ③ 早期 计算机运算速度低 、 通信技术手段 、 传感器技术水平 [ 728 ] 低 。 本文提出的基于全球移动通信系统 ( GSM ) 短 信业务 ( SMS ) 的 输 电 线 路 导 线 覆 冰 在 线 监 测 系 统 [ 4 ,9 ] ,其本身集成了气象条件监测 ( 温湿度 、 风速 、 ) 风向等 ,利用前人研究成果进行覆冰载荷计算 、 覆 冰生长机理 、 导线舞动 、 杆塔和金具强度校验以及绝 缘子冰闪方面的理论研究 , 并借助现有中国移动或 中国联通强大的通信网络进行实时数据传输 , 结合 专家知识库和各种理论模型给出冰情预报 , 及时给 出除冰信息 ,有效预防冰害事故 。
TH = l q0
3 2
24 S - l -
h
2
( 2)
2l
4 qice 2 ( 10) + d - d π γ 91 8 0 式中 :γ 0 为冰的密度 ( 雨凇) ; d 为导线的计算等效直
b =
1 2
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2007 , 31 (14)
径 ; b 为覆冰厚度 ; qice 为覆冰载荷 。
图3 覆冰导线的结构示意 Fig. 3 Structure of the iced conductor
21 4 计算导线任意点弧垂 按照图 4 所示 , 设导线上任意一点距弧垂最低 点 O 点距离为 x ′ , 距主杆塔悬点 A 距离为 x , 则有 x′ = l D1 / 2 - x 。
图2 主杆塔等效档距示意 Fig. 2 Equivalent distance of the main tower
21 1 求解水平张力
由悬挂点不等高导线长度的近似计算公式 [ 5 ] :
S = l +
2 l q0 h 2 + 2l 24 T H 3 2
( 1)
即可得出导线最低点水平拉力 T H :
AB AC AC Δ TV = ( qwind + qice ) S D1 + S D1 = qw ( S AB D1 + S D1 ) 2 2 ( 7) 即 AC AC 2Δ TV q0 Δ TV 2 T H sinh l D1 AC qw = AB + AC = 2 q0 S D1 + S D1 2 TH AB -1 ) 2 ( T AC l D1 q0 H + T V tan θ sinh AC ) q0 2 ( T H + TV tan θ ( 8) 而风载荷可以通过风速传感器 、 导线直径和风夹角 等算出 ,故可求解得 : ( 9) qice = qw - qwind 21 3 计算冰厚 根据 2. 2 节求得的覆冰重量 , 并结合覆冰的密 度 ( 01 9 g/ cm3 ) 、 导线直径来求解覆冰厚度 。按照电 力系统线路设计标准设定覆冰形状为均匀圆柱[ 1 ,10 ] ( 见图 3 ) ,则可求解出标准冰厚 :
1 系统构成
整个系统主要由省公司监测中心主机 、 地市局 监测中心主机 、 线路监测分机 、 专家软件组成 , 系统 [7 ] 组网拓扑图如图 1 所示 。在线路杆塔安装 1 台监 测分机 ,监测分机定时/ 实时完成环境温度 、 湿度 、 风 速、 风向 、 雨量以及该杆塔绝缘子的倾斜角 、 风偏角 、 覆冰导线的重力变化 、 导线舞动频率等信息的采集 , 将其打包为 GSM SMS ,通过 GSM 通信模块发送至 监测中心 ,由监测中心软件判断该线路导线的覆冰 情况 。监测中心可对分机进行远程参数设置 ( 如采 样时间间隔 、 分机系统时间 、 实时数据请求等 ) 。各 地市局的监测中心与省公司监测中心采用局域网 (L AN ) 方式组网 ,省公司监测中心可以直接调用各
0 引言
中国受大气候和微地形 、 微气象条件的影响 ,冰 灾事故频繁发生 。在许多地区因冻雨覆冰而使输电 线路的荷重增加 ,造成断线 、 倒杆 ( 塔) 、 闪络等事故 , [ 125 ] 给社会造成了巨大的经济损失 。例如 ,1932 年 在美国首次出现有记录的架空线覆冰事故 ;2004 年 12 月和 2005 年 12 月 , 中国部分地区 500 kV 线路 出现较大范围内的冰闪跳闸 、 导线舞动和倒塔断线 事故 ,尤其是华中地区历史上罕见的雨凇天气导致 输电线路大范围覆冰 , 部分线段覆冰厚度明显超出 线路机械承载能力 ,线路杆塔倒塌情况严重 ,直接影 响输电网正常运行 。此外 , 由于覆冰导线舞动振幅 很大 ,可以导致相间闪络 、 金具损坏 、 跳闸停电 、 拉倒 [ 122 ,627 ] 杆塔 、 导线折断等严重事故 。中国很多地区都 具备发生舞动的条件 ,并已发生过多次舞动事故 ,对 输电线路的安全运行构成严重威胁 , 造成了重大经 济损失 。在国外 ,俄 、 加、 美、 日、 英、 芬兰和冰岛等国 的科研人员对上述导线覆冰及舞动现象进行了大量 研究 ,在导线覆冰的机理 、 导线覆冰荷载等领域取得 了大量理论成果 ; 中国各设计 、 科研及运行单位也进 行了大量研究工作 ,取得了许多卓有成效的成果 [ 1 ] 。 但据文献报道 ,目前国内外大多进行覆冰理论 、 冰闪 机理和杆塔强度设计方面的研究工作 , 尚无输电线 路覆冰在线监测方面的产品 [ 122 ] 。这主要受以下几
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第 31 卷 第 14 期 2007 年 7 月 25 日
Vol. 31 No . 14 J uly 25 , 2007
导线覆冰的力学分析与覆冰在线监测系统
黄新波1 ,2 , 孙钦东3 , 程荣贵4 , 张冠军1 , 刘家兵5
( 1. 西安交通大学电气工程学院 , 陕西省西安市 710049 ; 2. 西安工程大学电子信息学院 , 陕西省西安市 710048) ( 3. 西安理工大学计算机学院 , 陕西省西安市 710048 ; 4. 西安通信学院基础部 , 陕西省西安市 710106) ( 5. 西安金源电气有限公司 , 陕西省西安市 710075)
图1 系统拓扑 Fig. 1 System topology
2 导线覆冰模型计算与分析
如何根据最少的监测量精确进行覆冰厚度计 算、 覆冰趋势预测 、 导线舞动分析以及金具强度校验 等工作是该课题的一个难点 。 现初步建立理论模型 : 假设主杆塔等效档距示 意图见图 2 , 并定义主杆塔绝缘子串上的竖直方向 上张力值 TV 与两侧导线某点到主杆塔 A 点间导线 上的竖直方向载荷相互平衡的点称为平衡点 [ 1 ,10 ] 。
图4 导线弧垂计算模型 Fig. 4 Computational model of conductor’ s radian
图5 山西忻州现场安装压力传感器安装结构设计 Fig. 5 Installation construction of the force sensors in Xinzhou power supply company in Shanxi province
代入档距 l ,高度差 h ,自重载荷 q0 ,导线原始长 度 S ,即可解出 T H 。 21 2 求解主杆塔上竖向张力 TA 所对应平衡的覆 冰导线长度 由悬点不等高时等效档距公式 [ 1 ] : 2 TH hq0 ( 3) l D1 = l + ar sinh q0 lq0 2 T H sinh 2 TH 式中 : h 为主杆塔与副杆塔间的高度差 ,若主杆塔较 高 ,则 h 为正值 ,否则为负 。 若以 S D1 表示对应等效档距 l D1 的导线长度 ,则 2 TH l D q0 ( 4) SD = sinh q0 2 TH 由于主杆塔上绝缘子串存在倾斜角 θ, 所以主 杆塔两侧导线上的水平拉力分量不同 , 由水平方向 的力平衡可知 [ 5 ] : AB AC AC ( 5) T H = T H + Δ T = T H + TV tan θ 则 AC 2 T AC l D1 q0 H AC S D1 = sinh q0 2 T AC H AC AB ( θ ) 2 T + T tan l D1 q0 H V AB S D1 = sinh AC ) q0 2 ( T H + TV tan θ ( 6) 根据建立的平衡点法 , 并设导线自重载荷集度 为 q0 , 风载荷集度为 qwind , 覆冰载荷集度为 qice , 有 冰、 风载荷作用与只有自重载荷作用时杆塔上竖向 载荷的差值为 Δ TV ,则
该点距最低点 O 点的高度为 : TH x′ q yx = co sh - 1 =
q TH q TH ( l D1 - 2 x ) q co sh - 1 2 TH ( 11)
4 结语
输电线路覆冰在线监测系统于 2005 年 10 月在 西安金源电气有限公司研制成功 ,并于 2006 年 2 月 在山西省忻州供电公司的重覆冰区安装试运行 , 目 前设备 运 行 良 好 。2006 年 3 月 24 日 至 2006 年 5 月23 日期间监测系统部分运行结果见附录 A 。表 明该杆塔承受的垂直拉力在风力影响下在 11 4 t ～ 11 5 t 之间变化 ,导线的舞动频率均在 20 次/ min 以 下 ,对线路的结构强度影响不大 。但在 4 月 13 日 , 垂直拉力突然增大到 11 6 t 以上 , 与此相对应的风 速和 导 线 舞 动 频 率 并 没 有 增 加 ( 风 速 保 持 在 10 m/ s 左右) 。专家软件根据力学计算模型得出该 线路在 4 月 12 日至 4 月 14 日期间产生覆冰现象 , 最大覆冰厚度达 8 mm , 这与忻州覆冰观测人员现 场观测结果是完全一致的 。 输电线路导线覆冰及舞动在线监测系统的成功 运行表明 : 一方面 ,其可取代已在严重覆冰区建立的 造价高 、 效果差的观冰站 ,可加强对覆冰线路的实时 监测 ,充分掌握沿线气象条件并将覆冰事故消除在 萌芽状态 ,提高供电设备运行的可靠性 ; 另一方面 , 可全面收集和长期积累气象资料 ,为输电线路设计 、
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地市局监测中心的各杆塔绝缘子串的倾斜角 、 风偏 角、 覆冰导线重力变化 、 导线舞动频率以及环境参数 等数据 ,借助专家软件了解该省相应线路的覆冰状 况 。专家软件利用各种修正理论模型 、 试验结果和 现场运行结果来判断输电线路的覆冰状况 , 及时给 出预报警信息 ,有效防止冰害事故的发生 。
摘要 : 建立了导线覆冰厚度和导线弧垂变化的力学模型 ,设计了力传感器的安装结构 ,研发了基于 全球移动通信系统 ( GSM) 短信业务 ( SMS) 的输电线路覆冰在线监测系统 。系统运行结果表明 : 现 场分机可定时或实时监测覆冰导线的重力变化 、 绝缘子串倾斜角 、 风偏角 、 导线舞动频率以及风速 等环境信息 ,并通过 GSM SMS 发送至监测中心 ,由专家软件来分析覆冰状况 ,及时给出除冰信息 , 保障覆冰区线路的运行安全 。 关键词 : 输电线路 ; 覆冰 ; 在线监测 ; 力学模型 ; 力传感器 ; GSM SMS 中图分类号 : TM216 ; TM755 ; TP277
收稿日期 : 2006207216 ; 修回日期 : 2007203205 。 陕西省自然科学基础研究计划资助 ( 2006 E1 17) ; 西安市科技 计划资 助 项 目 ( GG06050 ) ; 陕 西 省 教 育 厅 科 技 专 项 资 助 ( 06J K298) 。
方面制约 : ①各种载荷计算模型 、 覆冰理论尚不完 善 ,验证手段落后 ; ② 由于气象部门对导线 、 绝缘子 覆冰观测少 ,观测站无法移动 , 观测资料代表性差 , 对研究者提出的理论模型验证作用不明显 ; ③ 早期 计算机运算速度低 、 通信技术手段 、 传感器技术水平 [ 728 ] 低 。 本文提出的基于全球移动通信系统 ( GSM ) 短 信业务 ( SMS ) 的 输 电 线 路 导 线 覆 冰 在 线 监 测 系 统 [ 4 ,9 ] ,其本身集成了气象条件监测 ( 温湿度 、 风速 、 ) 风向等 ,利用前人研究成果进行覆冰载荷计算 、 覆 冰生长机理 、 导线舞动 、 杆塔和金具强度校验以及绝 缘子冰闪方面的理论研究 , 并借助现有中国移动或 中国联通强大的通信网络进行实时数据传输 , 结合 专家知识库和各种理论模型给出冰情预报 , 及时给 出除冰信息 ,有效预防冰害事故 。
TH = l q0
3 2
24 S - l -
h
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( 2)
2l
4 qice 2 ( 10) + d - d π γ 91 8 0 式中 :γ 0 为冰的密度 ( 雨凇) ; d 为导线的计算等效直
b =
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2007 , 31 (14)
径 ; b 为覆冰厚度 ; qice 为覆冰载荷 。
图3 覆冰导线的结构示意 Fig. 3 Structure of the iced conductor
21 4 计算导线任意点弧垂 按照图 4 所示 , 设导线上任意一点距弧垂最低 点 O 点距离为 x ′ , 距主杆塔悬点 A 距离为 x , 则有 x′ = l D1 / 2 - x 。
图2 主杆塔等效档距示意 Fig. 2 Equivalent distance of the main tower
21 1 求解水平张力
由悬挂点不等高导线长度的近似计算公式 [ 5 ] :
S = l +
2 l q0 h 2 + 2l 24 T H 3 2
( 1)
即可得出导线最低点水平拉力 T H :
AB AC AC Δ TV = ( qwind + qice ) S D1 + S D1 = qw ( S AB D1 + S D1 ) 2 2 ( 7) 即 AC AC 2Δ TV q0 Δ TV 2 T H sinh l D1 AC qw = AB + AC = 2 q0 S D1 + S D1 2 TH AB -1 ) 2 ( T AC l D1 q0 H + T V tan θ sinh AC ) q0 2 ( T H + TV tan θ ( 8) 而风载荷可以通过风速传感器 、 导线直径和风夹角 等算出 ,故可求解得 : ( 9) qice = qw - qwind 21 3 计算冰厚 根据 2. 2 节求得的覆冰重量 , 并结合覆冰的密 度 ( 01 9 g/ cm3 ) 、 导线直径来求解覆冰厚度 。按照电 力系统线路设计标准设定覆冰形状为均匀圆柱[ 1 ,10 ] ( 见图 3 ) ,则可求解出标准冰厚 :
1 系统构成
整个系统主要由省公司监测中心主机 、 地市局 监测中心主机 、 线路监测分机 、 专家软件组成 , 系统 [7 ] 组网拓扑图如图 1 所示 。在线路杆塔安装 1 台监 测分机 ,监测分机定时/ 实时完成环境温度 、 湿度 、 风 速、 风向 、 雨量以及该杆塔绝缘子的倾斜角 、 风偏角 、 覆冰导线的重力变化 、 导线舞动频率等信息的采集 , 将其打包为 GSM SMS ,通过 GSM 通信模块发送至 监测中心 ,由监测中心软件判断该线路导线的覆冰 情况 。监测中心可对分机进行远程参数设置 ( 如采 样时间间隔 、 分机系统时间 、 实时数据请求等 ) 。各 地市局的监测中心与省公司监测中心采用局域网 (L AN ) 方式组网 ,省公司监测中心可以直接调用各
0 引言
中国受大气候和微地形 、 微气象条件的影响 ,冰 灾事故频繁发生 。在许多地区因冻雨覆冰而使输电 线路的荷重增加 ,造成断线 、 倒杆 ( 塔) 、 闪络等事故 , [ 125 ] 给社会造成了巨大的经济损失 。例如 ,1932 年 在美国首次出现有记录的架空线覆冰事故 ;2004 年 12 月和 2005 年 12 月 , 中国部分地区 500 kV 线路 出现较大范围内的冰闪跳闸 、 导线舞动和倒塔断线 事故 ,尤其是华中地区历史上罕见的雨凇天气导致 输电线路大范围覆冰 , 部分线段覆冰厚度明显超出 线路机械承载能力 ,线路杆塔倒塌情况严重 ,直接影 响输电网正常运行 。此外 , 由于覆冰导线舞动振幅 很大 ,可以导致相间闪络 、 金具损坏 、 跳闸停电 、 拉倒 [ 122 ,627 ] 杆塔 、 导线折断等严重事故 。中国很多地区都 具备发生舞动的条件 ,并已发生过多次舞动事故 ,对 输电线路的安全运行构成严重威胁 , 造成了重大经 济损失 。在国外 ,俄 、 加、 美、 日、 英、 芬兰和冰岛等国 的科研人员对上述导线覆冰及舞动现象进行了大量 研究 ,在导线覆冰的机理 、 导线覆冰荷载等领域取得 了大量理论成果 ; 中国各设计 、 科研及运行单位也进 行了大量研究工作 ,取得了许多卓有成效的成果 [ 1 ] 。 但据文献报道 ,目前国内外大多进行覆冰理论 、 冰闪 机理和杆塔强度设计方面的研究工作 , 尚无输电线 路覆冰在线监测方面的产品 [ 122 ] 。这主要受以下几
98
第 31 卷 第 14 期 2007 年 7 月 25 日
Vol. 31 No . 14 J uly 25 , 2007
导线覆冰的力学分析与覆冰在线监测系统
黄新波1 ,2 , 孙钦东3 , 程荣贵4 , 张冠军1 , 刘家兵5
( 1. 西安交通大学电气工程学院 , 陕西省西安市 710049 ; 2. 西安工程大学电子信息学院 , 陕西省西安市 710048) ( 3. 西安理工大学计算机学院 , 陕西省西安市 710048 ; 4. 西安通信学院基础部 , 陕西省西安市 710106) ( 5. 西安金源电气有限公司 , 陕西省西安市 710075)
图1 系统拓扑 Fig. 1 System topology
2 导线覆冰模型计算与分析
如何根据最少的监测量精确进行覆冰厚度计 算、 覆冰趋势预测 、 导线舞动分析以及金具强度校验 等工作是该课题的一个难点 。 现初步建立理论模型 : 假设主杆塔等效档距示 意图见图 2 , 并定义主杆塔绝缘子串上的竖直方向 上张力值 TV 与两侧导线某点到主杆塔 A 点间导线 上的竖直方向载荷相互平衡的点称为平衡点 [ 1 ,10 ] 。
图4 导线弧垂计算模型 Fig. 4 Computational model of conductor’ s radian
图5 山西忻州现场安装压力传感器安装结构设计 Fig. 5 Installation construction of the force sensors in Xinzhou power supply company in Shanxi province
代入档距 l ,高度差 h ,自重载荷 q0 ,导线原始长 度 S ,即可解出 T H 。 21 2 求解主杆塔上竖向张力 TA 所对应平衡的覆 冰导线长度 由悬点不等高时等效档距公式 [ 1 ] : 2 TH hq0 ( 3) l D1 = l + ar sinh q0 lq0 2 T H sinh 2 TH 式中 : h 为主杆塔与副杆塔间的高度差 ,若主杆塔较 高 ,则 h 为正值 ,否则为负 。 若以 S D1 表示对应等效档距 l D1 的导线长度 ,则 2 TH l D q0 ( 4) SD = sinh q0 2 TH 由于主杆塔上绝缘子串存在倾斜角 θ, 所以主 杆塔两侧导线上的水平拉力分量不同 , 由水平方向 的力平衡可知 [ 5 ] : AB AC AC ( 5) T H = T H + Δ T = T H + TV tan θ 则 AC 2 T AC l D1 q0 H AC S D1 = sinh q0 2 T AC H AC AB ( θ ) 2 T + T tan l D1 q0 H V AB S D1 = sinh AC ) q0 2 ( T H + TV tan θ ( 6) 根据建立的平衡点法 , 并设导线自重载荷集度 为 q0 , 风载荷集度为 qwind , 覆冰载荷集度为 qice , 有 冰、 风载荷作用与只有自重载荷作用时杆塔上竖向 载荷的差值为 Δ TV ,则
该点距最低点 O 点的高度为 : TH x′ q yx = co sh - 1 =
q TH q TH ( l D1 - 2 x ) q co sh - 1 2 TH ( 11)
4 结语
输电线路覆冰在线监测系统于 2005 年 10 月在 西安金源电气有限公司研制成功 ,并于 2006 年 2 月 在山西省忻州供电公司的重覆冰区安装试运行 , 目 前设备 运 行 良 好 。2006 年 3 月 24 日 至 2006 年 5 月23 日期间监测系统部分运行结果见附录 A 。表 明该杆塔承受的垂直拉力在风力影响下在 11 4 t ～ 11 5 t 之间变化 ,导线的舞动频率均在 20 次/ min 以 下 ,对线路的结构强度影响不大 。但在 4 月 13 日 , 垂直拉力突然增大到 11 6 t 以上 , 与此相对应的风 速和 导 线 舞 动 频 率 并 没 有 增 加 ( 风 速 保 持 在 10 m/ s 左右) 。专家软件根据力学计算模型得出该 线路在 4 月 12 日至 4 月 14 日期间产生覆冰现象 , 最大覆冰厚度达 8 mm , 这与忻州覆冰观测人员现 场观测结果是完全一致的 。 输电线路导线覆冰及舞动在线监测系统的成功 运行表明 : 一方面 ,其可取代已在严重覆冰区建立的 造价高 、 效果差的观冰站 ,可加强对覆冰线路的实时 监测 ,充分掌握沿线气象条件并将覆冰事故消除在 萌芽状态 ,提高供电设备运行的可靠性 ; 另一方面 , 可全面收集和长期积累气象资料 ,为输电线路设计 、