输电线路导线舞动监测技术研究资料
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输电导线舞动论文:输电线路舞动分析及基于光纤传感器的监测技术研究【中文摘要】输电线路覆冰后极易发生舞动现象。
轻微的舞动可能发生相间闪络或者损坏金具、导地线的事故,严重的舞动会造成断线甚至倒塔的事故,严重威胁电力系统的安全运行。
输电线路的舞动监测一直是电力工业界亟待解决的问题。
本论文在调研国内外输电线路舞动研究的基础上,提出了基于光纤加速度传感器的输电线路的舞动监测方案。
它通过光纤加速度传感器监测输电线路上某一点的加速度信息,然后将其数据传回控制中心。
控制中心的分析软件根据输电线路的几何参数和力学数据,以及监测的加速度信息,分析并评价输电线路舞动的动力学特征。
从这一原理出发,本文所做工作的主要内容如下:1)调研国内外输电导线舞动的研究现状,主要输电线路舞动的机理,以及导线舞动在线监测技术的现状;2)基于ANSYS建立适当的输电线路的数学模型,并进行导线舞动的仿真分析;3)设计并完成了基于光纤加速度传感器的导线舞动监测系统的设计,并基于VC++6.0开发了有关的监测软件,最后对整个系统进行了实验室测试。
【英文摘要】Transmission lines prone to ice dancing after the phenomenon. White dance minor flashover may occur or damaged fittings, guide ground accidents, serious and even break dancing down the tower will cause an accident, a serious threat to the safe operation of power systems. Monitoring oftransmission line dancing has always been the power industry solved the problem.In this research paper transmission line dancing at home and abroad based on the study, proposed a fiber-optic acceleration sensor based on transmission line dancing monitoring program. It is through the optical fiber transmission lines acceleration sensor monitoring the acceleration of a point of information, and then return control of its data center. Control of transmission line analysis software based on the geometric parameters and mechanical data, and monitoring the acceleration of information, analysis and evaluation of dynamic characteristics of the transmission line dancing. Departure from this principle, the work of the main article as follows:1) research study abroad status of transmission line dancing, dancing in the main mechanism of transmission lines, and wire-line monitoring of the status of dance;2) Based on ANSYS to establish the appropriate mathematical model of transmission lines, and the conductor galloping simulation analysis, in order to achieve the acceleration information through the point of analysis and evaluation of the entire wire dance features;3) design and complete fiber-based acceleration sensor conductor galloping monitoring system design and development of VC + +6.0 based onmonitoring software, and finally the entire system has been laboratory tested.【关键词】输电导线舞动光纤传感器建模 ANSYS仿真【英文关键词】transmission line dancing optical fiber sensors modeling ANSYS simulation 【目录】输电线路舞动分析及基于光纤传感器的监测技术研究摘要4-5ABSTRACT5第一章引言8-17 1.1 研究背景8-9 1.2 国内外研究现状9-15 1.2.1 导线舞动机理研究现状9-12 1.2.2 导线舞动在线监测与分析技术现状12-15 1.3 现有舞动在线监测技术总结及发展趋势15-16 1.4 课题研究的主要内容16 1.5 本章小结16-17第二章输电导线舞动建模及仿真分析17-32 2.1 输电线路力学模型的建立17-19 2.2 ANSYS 在系统中的应用19-20 2.3 输电线路仿真模型的建立20-24 2.3.1 建立输电导线的有限元模型20-23 2.3.2 导线舞动仿真模型的边界条件及载荷23-24 2.4 导线舞动的有限元分析24-29 2.4.1 有限元分析的数值计算过程24-28 2.4.2 有限元动力学分析28-29 2.5 导线舞动动态仿真29-31 2.6 本章小结31-32第三章基于光纤传感器输电线路的舞动监测系统的整体设计32-42 3.1 系统整体设计32-35 3.1.1 系统设计思想32 3.1.2 系统整体设计方案32-35 3.2 光纤传感器的工作原理35-36 3.3 光纤传感器和光调制解调仪的选用36-38 3.4 光纤合成绝缘子串的设计与选型38-40 3.4.1 绝缘子片数选择38-40 3.4.2 金具串组装型式40 3.4.3 各种运行工况下相应的空气间隙值40 3.5 其他附件的设计与选型40-41 3.5.1 关于光缆选型说明40 3.5.2 关于夹具及外护套说明40-41 3.6 本章小结41-42第四章监控中心的软件开发42-63 4.1 软件开发平台介绍42-44 4.1.1 Visual C++的介绍42-43 4.1.2 SQL 的介绍43-44 4.2 系统功能模块的设计与实现44-57 4.2.1 中心软件总体架构44-47 4.2.2 用户管理模块设计与实现47-48 4.2.3 信号接收模块的设计与实现48-51 4.2.4 系统管理模块设计与实现51-54 4.2.5 信息显示模块设计与实现54-57 4.3 测试结果及分析57-60 4.4 舞动测试实验60-61 4.5 本章小结61-63第五章结论与展望63-65 5.1 结论63 5.2 课题研究的局限性和展望63-65致谢65-66参考文献66-68【备注】索购全文在线加好友QQ:139938848同时提供论文写作一对一指导和论文发表委托服务。
220kV 输电线路导线防舞动设计研究摘要:输电线路导线在特殊条件下产生的舞动,给线路的安全运行带来了很大的影响,本文对架空输电线路导线舞动情况进行调查分析,提出几种防舞动的措施,进行经济比较。
关键词:输电线路;防舞动;研究1线路舞动分析导线舞动是导线振动的一种,它不同于微风振动和次档距振动,舞动是一种低频高幅振动,这种振动与架空线固有频率谐振,振幅很大,在大档距中可能达到十几米。
导线舞动在横向为椭圆形垂直运动,在纵向为波浪形沿导线传播,档距内大多有2 个点的振幅最大,当风向与线路方向平行时,如果风与导线有夹角时,可以将风分解为垂直导线和平行导线的两个力,由于导线有弧垂,在一半档距中风力作用在导线的下表面,在另一半档距中风力作用在导线的上表面,同样可以将风作用于导线的力分解成垂直和平行于导线的力,垂直于导线的力可以使导线向上或向下运动,此种解释适用于导线没有覆冰时产生的舞动。
2工程舞动调查及舞动区划分本文以宁夏某220kV双分裂导线输电线路为例,根据系统规划及分析计算,该工程导线截面采用2×400mm2。
气象条件:最低气温-30℃、年平均气温10℃、基本风速27m/s、设计覆冰5mm、最高气温40℃。
宁夏地区属于温带大陆性气候区,冬季严寒,夏季酷热,降水集中,四季分明,年降水量较少,集中在夏季。
由于远离海洋,湿润水汽难以到达,因而干燥少雨。
宁夏地区输电线路舞动的特点:(1)从以往舞动故障中看出已知风向与输电线路轴线夹角的舞动故障中,45°~90°占绝大多数,而60°~90°又是最多。
即当线路走向与风向夹角大于45度时导线易产生舞动,而且该夹角越接近90°则舞动的可能性越大。
(2)四周无屏蔽物的开阔地带(如湖泊、平地等)、无遮蔽物的开阔通道、或山谷风口能使均匀的风持续吹向导线,这些地区是容易发生舞动的地带。
根据《宁夏电网舞动分布图》(2016版)划分,本工程线路沿线属于2级舞动区。
输电线路导线舞动及其防范措施分析【摘要】输电线路导线舞动是指在风力作用下,导线因受到风力的摆动而产生的振动现象。
本文通过分析输电线路导线舞动的原因和对输电线路的影响,探讨了在设计、施工和运行维护阶段采取的防范措施。
研究表明,导线舞动会对输电线路的稳定性和安全性产生负面影响,可能导致断线、短路等故障。
在设计阶段应考虑导线的强度和振动特性,施工阶段需严格控制导线的张力和安装工艺,运行维护阶段则要定期检测导线的状态和加固维护。
通过合理的防范措施,可以有效减少导线舞动引发的问题,提高输电线路的可靠性和安全性。
展望未来,随着技术的不断发展,更加智能化的防范措施将有望应用于输电线路的安全管理中。
【关键词】输电线路、导线舞动、防范措施、设计阶段、施工阶段、运行维护阶段、影响、结论、展望、研究背景、研究目的1. 引言1.1 研究背景输电线路导线舞动是指导线在风力作用下产生摆动的现象,是输电线路运行中常见的问题之一。
导线舞动可能会导致输电线路的振动加剧,增加线路的维护难度,甚至引发线路跳闸等事故。
对输电线路导线舞动及其影响进行深入研究,寻找有效的防范措施显得尤为重要。
目前,国内外已有一些关于输电线路导线舞动的研究成果,但仍存在一些问题有待解决。
目前对导线舞动原因的研究尚不够全面,防范措施的实施效果亦有待验证。
有必要在这一领域进行更深入、系统的研究,为输电线路的安全运行提供更为可靠的保障。
本文将从输电线路导线舞动的原因、导线舞动对输电线路的影响以及防范措施等几个方面进行分析和探讨,旨在为相关领域的研究提供一定的借鉴和参考,以期提升输电线路的安全性和可靠性。
1.2 研究目的本文旨在探讨输电线路导线舞动及其防范措施,通过对导线舞动的原因、影响以及防范措施进行分析,以提高输电线路的安全性和可靠性。
具体研究目的包括:一是探讨导线舞动的主要原因,深入分析不同因素对导线舞动的影响程度,为随后的防范措施提供依据;二是分析导线舞动对输电线路的影响,包括对线路设备的损坏、线路稳定性的影响等,为线路运行管理提供参考;三是针对导线舞动提出设计、施工和运行维护阶段的防范措施,从源头上控制导线舞动现象,保障输电线路的正常运行。
输电线路导线舞动及其防范措施分析【摘要】输电线路导线舞动是输电线路常见的现象,可能导致导线破损、触碰地面或其他设备,造成事故和损失。
本文通过分析输电线路导线舞动现象、导致舞动的因素、影响舞动的外部因素、以及舞动的危害,提出了一些防范措施,包括加固导线支架、增加阻尼器等。
经过分析,我们认为对输电线路导线舞动的预防和管理至关重要。
未来研究可以探索更有效的防范措施,提高输电线路的安全性和稳定性。
通过本文的研究,我们深刻认识到输电线路导线舞动不容忽视,需要加强对其防范措施的研究和执行,以确保电网的安全稳定运行。
【关键词】输电线路、导线舞动、防范措施、危害分析、因素分析、外部因素、研究意义、研究目的、未来展望、结论总结。
1. 引言1.1 背景介绍输电线路导线舞动是指输电线路中的导线在风力等外部因素的作用下产生的振动现象。
这种现象在输电线路运行中十分常见,如果不及时采取有效的防范措施,可能会给输电线路的安全稳定运行带来极大的隐患。
导线舞动的主要原因包括导线本身的参数设计不合理、气象条件改变、环境因素等多方面因素。
尤其是在高温、高湿、强风等恶劣气候条件下,导线舞动的频率和幅度会进一步增加。
导线舞动会对输电线路的传输电流、电压稳定性造成影响,甚至引发导线间接触、短路等故障。
针对导线舞动的危害,必须采取一系列的防范措施。
这包括提高导线本身的设计强度和刚度、加固导线杆塔、改善导线悬挂方式等措施。
通过科学的预测模型和有效的防护措施,可以有效降低导线舞动对输电线路的影响,提高输电线路的安全稳定性和可靠性。
1.2 研究目的研究目的是为了深入了解输电线路导线舞动现象及其危害,分析导致导线舞动的因素和影响因素,探讨导线舞动的防范措施,从而提高输电线路运行的安全性和稳定性。
通过研究,可以更好地了解导线舞动对输电系统的影响,为相关部门和工程技术人员提供科学依据,指导输电线路的设计、施工和运行管理,保障电网的安全运行和供电可靠性。
输电线路导线舞动的国内外研究现状探讨摘要:基于大量文献分析总结了输电导线舞动的形成因素、舞动机理、防舞措施及舞动试验研究方法。
结果表明:导线的舞动主要取决于覆冰、风激励、线路结构和参数;Hartog垂直及Nigol扭转舞动机理目前应用较广泛但不能解释各种类型的舞动现象;采取避舞、抗舞和抑舞措施可有效防止舞动危害。
关键词:输电线路;舞动;现状;探讨引言输电导线舞动是偏心覆冰导线在风激励下产生的一种低频、大振幅自激振动。
其振动频率通常为0.1~3Hz,振幅约为导线直径的5~300倍。
导线舞动对杆塔、导线、金具及部件的损害,造成线路频繁跳闸与停电,对输电线路安全运行的危害很大,且会造成重大的经济损失和社会影响。
1导线舞动形成因素1.1导线覆冰的影响舞动多发生在覆冰雪导线上,覆冰厚度一般为2。
5~48mm[10]。
导线上形成覆冰须具备3个条件:①空气湿度较大,一般90%~95%,干雪不易凝结在导线上,雨淞、冻雨或雨夹雪是导线覆冰常见的气候条件;②合适的温度一般为0~-5℃,温度过高或过低均不利于导线覆冰;③可使空气中水滴运动的风速一般>1m/s。
1.2风激励的影响要形成舞动,除覆冰因素外,舞动还须有稳定的层流风激励。
舞动风速范围一般4~20m/s,且当主导风向与导线走向夹角>45°时,导线易产生舞动,且该夹角越接近90°,舞动的可能性越大。
因此,在四周无屏蔽物的开阔地带或山谷风口,能使均匀的风持续吹向导线,这些地区易发生舞动。
1.3线路结构与参数的影响就舞动发生的机理,不合理的线路结构参数组合易引线路舞动。
统计资料表明,分裂导线比单导线容易舞动。
单导线覆冰时,由于扭转刚度小,在偏心覆冰作用下导线易发生很大扭转,使覆冰接近圆形;而分裂导线覆冰时,由于间隔棒的作用,每根子导线的相对扭转刚度比单导线大得多,在偏心覆冰作用下,导线的扭转极其微小,不能阻止导线覆冰的不对称性,导线覆冰易形成翼形断面。
架空输电线路导线舞动及防治技术分析摘要:从近十年发展来看,导线舞动的现象在输电线路当中十分常见,同时出现的频率也在不断增加,如果舞动的范围相对比较大,就会造成线路出现频繁跳闸的问题,严重的时候甚至会出现断线倒塔安全事故,造成大范围停电,对于电网稳定以及安全的运行造成不利的影响。
为此,本文分析了输电线路舞动原因及其相关预防措施,从而将这一问题得到有效的解决,保证电网的安全稳定运行。
关键词:输电线路;导线舞动;防舞引言美国最早记载了架空导线舞动现象。
随后,在加拿大、日本、前苏联也相继有大量的架空导线舞动发生与治理的报道。
近年来,随着我国超(特)高压工程的建设,架空输电线路所采用的导线截面、张力、悬挂点高度以及档距都在不断增大,架空导线舞动现象时有发生。
架空导线舞动对输电线路的破坏除了相间闪络、跳闸、电弧烧伤外,更严重的是架空导线舞动使得导线本身、连接部件以及铁塔都承受着较大的动态荷载,当荷载超过了一定限度时,导线、铁塔、连接部件都出现严重损坏。
因此,分析架空输电线路导线舞动的原因,采取相应对策,确保线路安全运行是十分必要的。
1架空输电线路导线舞动的原因分析1.1气象条件分析导线舞动是在某种特定的气象条件与线路所处的地理环境、线路自身的各种参数结合到一起而发生的,这些条件组合极其复杂。
一般情况下,发生导线舞动的气象条件是:导线有覆冰、风力5级以上、风向与线路方向夹角大于45°。
但是,目前尚没有人能够精确地测定出发生舞动的条件。
因为从观测到的舞动现象来看,有许多无法解释的现象。
例如:多数导线上有覆冰时产生舞动,可有时导线上没有覆冰也发生舞动;在同1档距内只有1相导线舞动,有时有2相导线舞动,也有3相导线同时舞动;架空地线发生舞动而导线不动,有时架空地线不动而导线却在舞动;在同塔双回的线路中,只有1回或某1相舞动,而另1回不舞动;在1个耐张段中其中1个档距在舞动,而相邻的档距却不舞动;单导线能发生舞动,四分裂导线也能发生舞动;500~10kV线路都能舞动;电气化铁路上的导线也能舞动;带电线路能舞动,停电线路也能舞动。
输电线路舞动研究与治理国电电力建设研究所 朱宽军摘要:本文介绍了输电线路舞动现象产生的原因及在我国的分布特点,结合国外对舞动现象的研究情况总结了国内外舞动研究、治理的成果,提出了几种防舞动的技术,并对我国舞动现象研究防治中存在的问题提出了自己的看法。
1. 概述1.1概念在冬季,当水平方向的风吹到因覆冰而变为非圆截面的导线上时,将产生一定的空气动力,由此会诱发导线产生一种低频频率(约0.1~3 Hz)、大振幅(可达10 m以上)的自激振动,是较高风速引起的覆冰导线的驰振。
由于其形态上下翻飞,形如龙舞,也称舞动。
1.2舞动的危害美国最早于上世纪20年代就有舞动的报道。
后来加拿大、前苏联、英国、日本等许多国家和地区均发生过线路舞动。
我国也是舞动多发国家,因舞动造成的损失较严重。
舞动是威胁输电线路安全运行的重要因素之一,舞动产生的危害是多方面的,轻者发生闪烙、跳闸,重者发生金具及绝缘子损坏,导线断股、断线,杆塔螺栓松动,甚至倒塔,导致重大电网事故。
1.3舞动产生的原因舞动的形成主要取决于三方面的因素,即覆冰、风的激励和线路结构及参数。
1.3.1覆冰线路覆冰是舞动的必要条件之一。
覆冰多发生在风作用下的雨淞、霜淞及湿雪堆积于导线的气候条件下。
导线覆冰与降水形式及降水量有直接关系,同时也与温度的变化密切相关,经常的情况是,先雨后雪,此过程中气温骤降(由零上降至零下),导线极易覆冰。
通常情况下,导线覆冰不均匀,形成所谓:新月形、扇形、D形等不规则形状,冰厚从几毫米到几十毫米(最厚可达50毫米),导线便有了比较好的空气动力性能,在风的激励下会诱发舞动。
1.3.2风的激励舞动离不开风的激励。
冬季及初春季节里,冷暖气流的交汇引起的风力较强,地势平坦、开阔及风口地区的输电线路,在导线(不均匀)覆冰的情况下,当风速在4~20m/s,且风向与线路走向的夹角≥45º时,导线易舞动。
这是因为垂直于线路走向的风的分量越大,对不均匀覆冰后导线的激励效果越好,对导线产生的升力也越大,有利于线路系统能量的积累,进而使得系统失稳,产生舞动。
输电线路导线舞动监测技术研究XX有限公司2011年02月1概述导线舞动是指风对非圆截面导线所产生的一种低频(约为0.1~3 Hz)、大振幅的导线自激振动。
在相应的大气条件下导线舞动时常发生,且由于其大振幅(最大振幅可达到导线直径的5~300倍)、摆动、持续时间长等特点,导线舞动容易引起相间闪络、金具损坏,造成线路跳闸停电或引起烧伤导线、杆塔倒塌,导线折断等严重事故,造成重大经济损失,对输电线路的运行安全造成了巨大危害在2008年1月份我国遭受了历史上罕见的持续的低温雨雪冰冻自然灾害天气,我国13个省(区)的电力系统运行受到严重影响,造成了巨大的经济损失,输电导线的覆冰与舞动研究在我国得到了普遍重视。
目前世界各国都在开展输电导线舞动研究,出现了各种输电导线舞动研究技术。
输电导线舞动在风洞试验中的研究、输电导线舞动在试验线路上的研究均是针对输电导线舞动的理论研究,主要是通过风洞试验、试验线路上的基础研究,完善导线舞动的机理、舞动模型等有关的理论,同时也可以进行防舞装置效果、空气动力参数等的测试,例如华中理工大学曾在风洞中做过新月形覆冰导线的空气动力测试,为输电导线在覆冰条件下发生舞动的有关空气动力系数、空气动力载荷的确定提供了第一手的资料,但此两种方法无法在实际输电线路应用。
输电导线舞动的计算机仿真技术可以根据实验数据或者现场监测的相关参量,结合计算机强大的数据处理能力进行导线舞动的计算机仿真,实现输电导线舞动的低成本、高效率的研究,但该方法也仅限于导线舞动的理论研究而无法实现在工程实践中的应用。
采用摄像技术实现输电导线舞动的监测技术在实践中也得到了一些应用,主要是通过摄像技术给出输电导线舞动现场的定性结果,工作人员根据现场图片,做出判断,采取相应的措施,防止输电导线舞动的发生,但是该方法未实现导线舞动的定量分析,不能给出输电导线舞动的精确信息,制约了其在实际中的推广。
基于无线通讯网络的输电导线舞动在线监测技术是最近几年研究比较热点的一种技术,主要是监测现场的各种数据(包括压力、振动频率和环境信息等),根据输电导线舞动的三自由度数学模型进行导线舞动的计算。
输电线路导线舞动及防治技术探讨摘要:输电线路是电力系统的重要组成部分,其导线舞动现象会对输电线路的安全稳定性产生较大影响。
在本文中,我们将从导线舞动的原因、表现、危害以及防治技术等方面进行探讨,以期为输电线路的安全稳定运行提供一定的参考和借鉴。
关键词:输电线路;导线舞动;危害;防治技术正文:一、导线舞动的原因导线舞动是指输电线路导线在运行中产生的轻微晃动、摆动现象。
其主要原因包括风力、电流、温度、重量等外部因素以及导线自身特性等内部因素。
其中,风力作用是导致导线舞动的最主要因素,当风速越大时,导线舞动的幅度越大,对线路的稳定性影响也越明显。
二、导线舞动的表现导线舞动的表现形式较为丰富,主要有以下几种:1. 垂直摆动:导线自下向上的晃动2. 水平摆动:导线沿水平方向的晃动3. 侧向偏移:导线向一侧倾斜的现象4. 旋转效应:导线同时出现旋转和上下、左右晃动的现象5. 照明塔晃动:由于导线舞动频繁,绝缘子挂点对周围空气的阻力也较大,还会导致照明塔本身的晃动,影响线路的稳定性。
三、导线舞动的危害导线舞动会给输电线路带来较大的危害,有以下几点:1. 加速导线寿命的消耗:导线舞动会导致线杆挂点的频繁摩擦,加速导线的疲劳破坏,进而影响线路的安全稳定运行。
2. 噪音和振动:导线舞动在高风速、大电流条件下会产生很大噪音和振动,对附近居民、动植物造成不良影响。
3. 去耦作用:在输电线路中,导线舞动也会发生去耦作用,即电缆之间相互摩擦而产生电气磨损,对输电线路的电学性能产生不利影响。
四、导线舞动的防治技术为了防止导线舞动造成的种种危害,需要有有效的防治技术。
其中,主要包括以下几项:1. 抗震支撑:在线路设计阶段就应考虑导线舞动的风险,采用抗震支撑技术,确保钢塔稳定。
2. 增加降风槛板:安装降风槛板可以減少线路区域内风的流动,减轻导线振动的影响。
3. 使用导轨:在输电线路中采用导轨导线,可以抑制导线舞动,减小导线晃动的幅度。
网络技术69针对导线舞动探究输电线路的在线监测技术◆廖放明摘要:阐释了传送电路舞动远程监测装置的构成和效能,研讨了当今国际范围内在针对电力传输导线舞动实施远程监测的手段及其所面临着的问题。
构建了依托于惯性力感应装置的电力导线晃动远程监测体系,经过实验测试,能增强现今电力导线晃动监测体系位移显示的精确性。
其更高一级的发展趋势是完善各类监测工艺,达到导线晃动检测体系、光纤感应系统及重合性工艺在传送电路远程监测中的高效运用。
关键词:导线舞动;传送电路;运程监测;光纤感应工艺1 引言输电导线晃动是说自然刮风对于偏心裹冰输电导线造成的一类较低频率(0.2~4Hz)、大振幅(6~320 dm)的自驱型振荡情况。
输电导线晃动可造成传送电路杆塔支撑及输电稳定性能大幅度下跌,容易造成多束电缆各相之间闪落、连接金属部件和绝缘器件受到损坏、电力导线折股折线、杆塔结构连接螺栓松驰脱掉、塔结构损伤甚至垮塌等恶性事故发生。
我们国家是世界范围内最易发生输电导线迎风舞动的地区之一。
自从上一世纪三十年代之后,对于输电导线迎风舞动结构及性质的探讨过程重点选取实际运行电路试验模拟及进行风涧性试验相匹配的手段,然而此种研究模式面临着试验成本高,见效时限长,投资比例大等缺点。
而具体试验线路因为其所处地貌及施工状况的较大区别性,其必然会受到很严重的外界因素波动的干扰,不太适于将其试验所得参数全部利用到具体输电线路工程的建设中;再有,迎风出现剧烈晃动的输电导线绝大多数都处于人迹罕至的偏僻区域,依靠人力不能够方便获取输电线路现场的迎风晃动过程参数。
笔者依照传送电路随风晃动运程监测的功能机构,利用对系统功能的阐释过程,全面分析电力导线随风舞动的远程检测手段,阐释多类监测手段的操作机理及特异功能,拟定出了立足于惯性力感应装置的电力导线随风晃动监测机构的结构及功能设计,且对以后电力导线迎风晃动远程监测工艺的发展趋势展开了一定的估判工作。
2 远程监测机构和晃动监测程序传送电路应风晃动远程监测机构重点包括杆塔型监测分体装置、通讯体系及总台监测中心站等多个部分构成。
输电线路导线舞动监测技术研究XX有限公司2011年02月1概述导线舞动是指风对非圆截面导线所产生的一种低频(约为0.1~3 Hz)、大振幅的导线自激振动。
在相应的大气条件下导线舞动时常发生,且由于其大振幅(最大振幅可达到导线直径的5~300倍)、摆动、持续时间长等特点,导线舞动容易引起相间闪络、金具损坏,造成线路跳闸停电或引起烧伤导线、杆塔倒塌,导线折断等严重事故,造成重大经济损失,对输电线路的运行安全造成了巨大危害在2008年1月份我国遭受了历史上罕见的持续的低温雨雪冰冻自然灾害天气,我国13个省(区)的电力系统运行受到严重影响,造成了巨大的经济损失,输电导线的覆冰与舞动研究在我国得到了普遍重视。
目前世界各国都在开展输电导线舞动研究,出现了各种输电导线舞动研究技术。
输电导线舞动在风洞试验中的研究、输电导线舞动在试验线路上的研究均是针对输电导线舞动的理论研究,主要是通过风洞试验、试验线路上的基础研究,完善导线舞动的机理、舞动模型等有关的理论,同时也可以进行防舞装置效果、空气动力参数等的测试,例如华中理工大学曾在风洞中做过新月形覆冰导线的空气动力测试,为输电导线在覆冰条件下发生舞动的有关空气动力系数、空气动力载荷的确定提供了第一手的资料,但此两种方法无法在实际输电线路应用。
输电导线舞动的计算机仿真技术可以根据实验数据或者现场监测的相关参量,结合计算机强大的数据处理能力进行导线舞动的计算机仿真,实现输电导线舞动的低成本、高效率的研究,但该方法也仅限于导线舞动的理论研究而无法实现在工程实践中的应用。
采用摄像技术实现输电导线舞动的监测技术在实践中也得到了一些应用,主要是通过摄像技术给出输电导线舞动现场的定性结果,工作人员根据现场图片,做出判断,采取相应的措施,防止输电导线舞动的发生,但是该方法未实现导线舞动的定量分析,不能给出输电导线舞动的精确信息,制约了其在实际中的推广。
基于无线通讯网络的输电导线舞动在线监测技术是最近几年研究比较热点的一种技术,主要是监测现场的各种数据(包括压力、振动频率和环境信息等),根据输电导线舞动的三自由度数学模型进行导线舞动的计算。
由于导线舞动机理、数学模型的不完善(尤其数学模型出现了更为精确的多自由度)以及微气象条件的影响,该在线监测方法的应用推广也有其局限性,其数学模型要结合当地输电导线信息(主要是所处的环境、导线的类型、材料等信息)以及当地的气象信息,进行合理的修改,才能得到较为理想的结果。
输电导线舞动受各种参量的影响,其舞动的特征各不相同,其中舞动半波数的不同,对输电导线舞动的波形就有很大的影响。
基于此,作者提出了一种实现输电导线舞动在线监测的新技术—基于位移传感器、加速度传感器的输电导线舞动在线监测技术。
2设计思想输电导线舞动由于受各种参量的影响,其舞动的特征就各不相同,其中舞动的半波数的不同,对输电导线舞动的波形就有很大的影响。
具体来说,不同舞动半波数的舞动就有很大的差异,观测到的常见的舞动半波数主要有1个、2个、3个、4个等4种,5个及以上半波数的舞动尽管也会出现,但由于一般舞动幅值较小,不致引起线路故障,故可不予考虑。
不同半波数的导线舞动的形态图见图1、3。
因此,可选取输电线路某一档距内的输电导线为监测对象,根据输电导线的长度,在上面安装不同数量的位移传感器、加速度传感器(舞动频率以及气象信息在杆塔监测分机中实现),实时或者定时发送监测的这些位移量、加速度值至监控中心,在监控中心的专家软件就可以根据接收到的数据,按照诸如最小二乘法等算法对其进行拟合,这样就可以得到较为精确的输电导线舞动轨迹以及其他诸如舞动幅值等有关输电导线舞动的特征量。
由于只要加大现场监测数据的监测、发送频率,我们就可以得到足够多的点去拟合曲线,所以拟合的精度是有保证的。
并且根据某一时刻的位移值以及相应的加速度值、该地区的微气象信息,我们还可以估算未来某一时间导线舞动的轨迹,从而可以给出输电导线舞动的预报警信息。
具体的设计算法如下。
图1 不同半波数下的典型舞动图Fig.1 Typical Galloping Pictures under Different Half-Waves 假设输电线路某一档距AB 如图 2 所示,根据输电导线舞动的三自由度模型,重点考虑输电导线在水平、垂直以及扭转3个方向上的位移和加速度值,在AB段分别选取7个点,分别安装3个方向的21个位移传感器,以及在7个点附近,再安装3个方向的7个加速度传感器。
在图2中,为便于分析,位移传感器和加速度传感器选在同一个点上,而在实际中,加速度传感器可以安装在位移传感器的某一范围的附近,具体的安转情况是要视具体的输电线路的信息而定。
图2 位移、加速度传感器的安装示意图如图 2 所示,AB 档的1,2,3,4,5,6,7点在实际中就有确定的三维坐标(x,y,z),随着输电导线的不断运动,各个点的坐标是在不停地变化的,通过3个方向的位移传感器的测量,各个点的三维坐标实时/定时发送至监控中心,监控中心的专家软件就可以对各个数据进行拟合和逼近。
通过这些大量的输电导线舞动的拟合曲线,我们就可以定性、定量、全面地分析导线的舞动了。
其中曲线的拟合是该监测方法的重点,在实际应用中,常用的曲线拟合方法有拉格朗日插值法、牛顿插值法、逐次线性插值法以及最小二乘法,且最小二乘法是应用最广泛的一种曲线拟合方式,但在实际中,各种算法的选择可以视具体情况而定。
另一方面,我们可以把1,2,3,4,5,6,7点看作把输电导线分成8段,把每一端点测得的位移看作是起始位移S0,把测得的加速度看作相应段的起始加速度,通过积分运算,我们就可以得到该段输电导线在未来一段时间内的预测运动轨迹S:为了能运用计算机强大的算法进行编程计算,式子(1)必须离散化为式子(2):由于输电导线在舞动过程中,伴随有轴方向的扭转,此时可以忽略扭转方向的位移,只求水平、垂直方向的位移有:我们就可以拟合相应输电线路段的舞动位移曲线,根据相应的边界条件,再把各个段的位移进行整合,我们就可以得到输电线路AB 档在未来t 时刻的舞动轨迹图。
图2中的1'-2'-3'-4'-5'-6'-7'曲线就是1-2-3-4-5-6-7曲线在未来时间t时刻的预测轨迹图。
按上述设计思想,该导线舞动在线监测系统的难点就在于传感器的安装与数量的选择以及曲线拟合算法的选择。
安装的传感器越多,得到的数据越多,曲线拟合越好,精度越高,但相应的成本很高,软件的计算量很大,且过多的传感器的安装还有可能破坏输电导线舞动的数学模型。
反之,成本降低了,但由于监测点有限,就不能精确地计算、拟合输电导线舞动的轨迹。
因此,在实际应用中,要权衡利弊,结合输电线路的实际情况综合考虑。
3系统简介与构成基于上述的设计思想,该系统的总体设计方案框图如图3所示。
整个系统主要由加速度/位移监测节点,杆塔监测分机、监控中心等几部分组成。
图3 系统总体设计方案框图Fig.3 The Whole Block Diagram of the System每个加速度/位移节点有独立的控制器和电源,将传感器网络的各节点放置在输电导线的特征点上。
各节点与杆塔监测分机之间采取主从式星形网络拓朴结构,利用ZigBee无线网络将信息发送至杆塔监测分机[5]。
杆塔监测分机集中各节点上传的信息,对信息进行分析并作相应数据处理后,通过远距离无线通讯(GPRS/CDMA)的方式输出有效数据到监控中心。
监控中心根据相应输电线路舞动信息库信息对数据进行不同的处理,主要是对相应的数据进行拟合,从而实时生成输电导线某一监测点在不同时期的位移变化图以及整条输电线路的位移变化图,还可以根据得到的相关信息预测未来某一时刻输电线路的位移变化图形。
4杆塔监测分机的设计4.1 监测参量的选择舞动地区气候状况往往极其复杂,导线舞动往往与导线覆冰雪、环境温湿度、风速等因素具有很强的相关性,因此需要监测系统环境温度、湿度、风速、风向以及线路覆冰等信息[6];此外,舞动必然会引起风偏角的明显变化,因此还需要对风偏角度进行监测。
4.2 杆塔监测分机的功能杆塔监测分机定期将导线重力变化、绝缘子串倾斜角、环境温湿度、雨量以及风速等信号送入信号处理单元[7],放大和滤波过的信号经隔离之后直接进入单片机,模拟信号经过16 位A/D 转换器后再进入单片机,由单片机进行计算、处理。
此外,通过ZigBee网络协调器节点接收加速度/位移传感器节点传输的运动信息。
加速度/位移节点安装在每个局部气象小区的架空导线或导线接头上,实际测量导线在该节点处的运行信息,通过ZigBee模块将节点采集的数据发送给杆塔监测分机上的协调器节点,由杆塔监测分级将各个监测节点的信息进行打包,通过GPRS DTU模块/CDMA模块发送到监测中心。
4.3 杆塔监测分机的硬件设计由于整个系统在野外工作,所以要求整个系统功耗低、免维护运行。
杆塔监测分机主要完成覆冰导线重力变化、绝缘子倾斜角度、环境信息(温度、湿度、风速、风向)以及各加速度/位移传感器节点处信息的采集、存储和传输。
为了有效存储数据,系统选用闪速存储器,即使分机掉电,数据仍可有效保存10年以上。
杆塔监测分机主要由太阳能电池板、充电电路、高性能蓄电池、数据闪速存储器、低功耗单片机、16位A/D转换器、压力传感器、角位移传感器、风速、风向传感器,温湿度传感器、ZigBee传输模块、GPRS/CDMA传输模块、分机软件等组成。
5无线加速度/位移传感器节点的设计无线加速度/位移传感器节点主要实现导线舞动信息的监测,主要采集运动过程中输电导线各监测点在3个坐标轴上的加速度分量和位移分量。
无线传感器监测节点具体硬件设计如图4所示,系统采用电池供电方式,采用ZigBee模块进行短距离无线通信。
6系统仿真基于Matlab 软件的强大功能以及前期获得的输电导线舞动的相关信息,本文在理论上模拟了该在线监测系统各监测点的情况,并且根据本系统的设计思想,对各监测点在同一时刻和不同时刻的数据进行了处理、拟合,从而得到了某一监测点以及某一输电线路的位移变化仿真图。
7结语本文提出的基于位移传感器、加速度传感器的图4 传感器节点硬件图。