高明;张江涛;赵振刚;李川;许晓平;梁仕斌
【摘 要】输电线路严重覆冰将会造成输电塔倒塌或导线断线等事故,形成大面积停电、电网崩溃瓦解的电网事故.现用人工观冰为输电线路启动融冰提供决策依据,进而来预防覆冰过重.基于光纤传感技术与覆冰计算模型开展输电导线覆冰监测方法研究,实现云南电网某110 kV输电线路主要覆冰期(2015年12月18日至2016年2月17日)的在线监测,并与人工观冰结果进行对比验证.以4个人工观冰时间点的监测数据为例,人工观冰得到最大覆冰厚度分别为0.6 mm、0.9 mm、4.2 mm、1.5 mm;而光纤监测得到的等效覆冰厚度分别为0.381 mm、0.362 mm、0.892 mm、0.415 mm.对比发现最大覆冰厚度约为等效覆冰厚度的2～4倍.因此,基于光纤传感的输电线路覆冰监测方法可用来监测导线的等效覆冰厚度,为直流融冰等除冰过程提供数据支撑,以保障电网的安全稳定运行. 玻璃纤维膨体纱【期刊名称】《传感技术学报》
【年(卷),期】2018(031)008
【总页数】6页(P1295-1300)
【关键词】擦鞋纸输电线路;光纤监测;覆冰计算模型;导线重力;绝缘子倾角;人工观冰
【作 者】高明;张江涛;赵振刚;李川;许晓平;梁仕斌
【作者单位】昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明650500;云南电力试验研究院(集团)公司,昆明650217
【正文语种】中 文
【中图分类】TM75
保安对讲机近年来,气象灾害事故的频频发生给电网的安全运行构成严重威胁。其中,导线覆冰是冬季线路发生故障的主要原因,输电线路覆冰轻则导致绝缘子串冰闪跳闸、相间闪络跳闸等短期事故,重则可导致杆塔倾斜倒塌、线路金具损坏、线路断线等严重事故,从而造成巨大的经济损失和严重的社会影响[1-5]。
输电导线覆冰监测方法主要有称重法、图像检测法、导线倾角法等[6-9]。现有的监测装置多采用电子式传感器,存在监测装置的供电问题、通信问题和强电磁环境下系统工作可靠性问题等[10-11]。与电测量传感器相比,光纤传感器有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、传输距离远、无需野外电源等优点。随着光纤传感技术的发展和测量性能的进一步提高,光纤传感器相对于传统电子传感器的优势日益明显。目前,国内外对输电线路监测进行了大量的研究:2018年河南工业大学岳龙旺等,构建了由数据采集模块、无线传输模块、智能决策模块、除冰机器人模块组成的输电线路覆冰远程监控系统,实现高压输电线路覆冰的实时监测与自动维护[12]。挪威Bjerkan等人将光纤布拉格光栅传感器直接布置在导线表面用于测量环境荷载引起的导线形变,因而可监测导线水平静态和动态荷载变化,如可监测导线覆冰、舞动等现象[13]。2016年西安工程大学黄新波等提出了一种基于光纤光栅应变传感器的铁塔应力监测方法,通过测量光纤光栅中心波长的变化反映铁塔应力的变化[14-16]。2016年重庆大学胡琴等在分裂导线等值覆冰厚度模型中提出将分裂导线的覆冰等效成单根导线的覆冰,与人工测量结果进行比对,相对误差为7.8%[17]。2016年张子翀给出一种基于导线倾角和拉力的输电线路复合荷载等效覆冰模型,该模型中考虑了风偏平面内定向风载荷的复合荷载[18]。2016年华北电力大学张永谦提出一种新型高压输电线路在线监测系统,利用GPRS 和GSM将监测数据传输至监控中心,实现了对线路电流、电压、温度和角度等状态的监测[19]。
针对目前国内输电导线覆冰厚度的光纤监测主要处于实验室研究阶段的现状,本文结合输电塔线体系的结构特点和输电导线覆冰厚度的计算模型,实现了光纤监测参量的优化选取。结合输电线路关键结构参量的光纤监测与直线塔输电线路覆冰厚度分析模型,实现了导线覆冰厚度的实时监测与分析,并与人工观冰结果进行对比验证。
1 输电线路覆冰厚度计算方法
覆冰在线监测系统是基于国内外广泛采用的称重法原理,并且考虑了绝缘子和导线风偏变化对覆冰结果的影响,建立反映线路覆冰状况的力学模型。其中,基础参数为:主杆塔A与小号侧杆塔B及大号侧杆塔C间的档距分别为l1和l2,导线原始长度为S1和S2,导线悬挂点高度差为h1和h2,高差角为β1和β2。图1为风偏平面内输电线路的模型[20]。
图1 风偏平面内输电线路的模型
绝缘子串轴向拉力F由拉力传感器测得,该力的方向与风偏平面内垂直方向的夹角即为风偏
平面的倾斜角θ′。
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(1)
设Gt为导线、绝缘子串和金桔自重之和,绝缘子串和金具自重为Gi,w为导线单位长度无冰荷载,则有
Gt=Gi/2+w(Sa+Sb)
(2)
风偏平面内,覆冰前垂直方向向下的力为导线、绝缘子串和金具自重之和与风共同作用形成的综合荷载,而覆冰后增加了因覆冰形成的覆冰荷载。在垂直平面内导线覆冰前、后保持静力平衡,则有式(3)成立
(3)
qice为均匀覆冰时每根分裂导线的载荷集度,对于每个杆塔,Gt是常数,则有
(4)
F′为去掉风、雨等因素形成的拉力后悬垂绝缘子垂直方向上所受的拉力。
(5)
按照线路设计标准覆冰形状为均匀圆柱形,则导线等效覆冰厚度为:
(6)
式中:ρ为覆冰密度,值为0.9×10-3 kg/(m·mm2),d为导线直径(mm)。从计算导线等效覆冰厚度的公式可知,式中有绝缘子拉力F(N)、绝缘子风偏角η(度)及倾斜角θ(度)3个状态参量需要监测。因此,须在杆塔上布设拉力传感器、倾角传感器,用来监测导线的覆冰情况。
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2 基于光纤传感的输电线路覆冰监测系统设计方案
由于输电线路覆冰断线等现象通常发生在人烟稀少的高海拔地区,环境比较恶劣,出现问题后维修起来比较困难,而且电源需要长期供电,经常更换电池会耗费很多的人力物力,输电线路周围环绕着很强的电磁干扰,对信号传输的准确性造成很大的影响。而光纤光栅传感器不需要工作电源,其传输信号使用的激光源来自于解调仪,光纤传感器本身良好的抗电磁干扰和绝缘能力使其能够在外界强大的电压和电磁干扰下正常工作。
项目实施在云南电网某110 kv架空输电线路,模块挂接在OPGW主网络上,塔上光网络总体示意图,如图2所示。
图2 光网络示意图
图3 输电线路覆冰监测系统整体结构
图3即为输电导线在线监测系统的架构图。该系统由安装于绝缘子串上方的拉力传感器、双轴倾角传感器、OPGW及ADSS、置于变电站内的光纤解调仪等构成。光纤通讯则从29#杆塔的OPGW接续盒引出两芯作为光纤传感信号的传输通道,通过架设ADSS光缆连接到30#杆塔上。打开接续盒后,将选好的两芯ADSS传感沿接续盒备用孔穿入,断开前选好OPGW光纤中的两芯,然后将ADSS与OPGW光纤熔接,最后密封接续盒,并把接续盒安装到29#杆塔上。
本次工作所采用的传感器的主要技术指标如表1 所示。
仓库管理流程表1 传感器的主要技术指标传感器类型测量范围测量误差拉力传感器2 kN～40 kN±0.05 kN倾角传感器±45°±0.1°
对光纤光栅拉力传感器进行实验室标定,标定系统示意图如图4所示。将传感器放置于拉力试验机,通过拉力试验机对传感器拉力进行设定与控制。传感器中心波长由光纤光栅解调仪来读取,解调仪得到传感器中心波长信息后通过数据线送至计算机进行存储。
图4 传感器标定系统示意图
待环境温度稳定后,开始对传感器施加递增荷载,当荷载达到试验荷载后进行递减荷载。实际加载拟合曲线如图5所示。
图5 波长变化与所加荷载拟合曲线
利用传感器数据进行分析得到灵敏度0.049 5 pm/N。如图5所示,传感器线性度定义为
ξL=Δλmax/λFS
(7)
式中:ξL为传感器拉力响应线性度,%;Δλmax是拟合误差的最大值,nm;λFS是光纤光栅温度传感器输出波长的最大变化量,nm。
根据式(7)与图5中传感器数据分析得到传感器线性度为0.76%。
2.1 传感器连接金具的安装
确定光纤布拉格光栅称重传感器的量程是传感器设计的第1步,只有确定了传感器的测量范围,才能更好优化传感器的结构和性能。根据选取的实际线路进行计算,确定传感器的最大测量范围为40 kN。
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