架空输电导线覆冰及舞动在线监测技术综述

电力OPGW光缆覆冰性能研究及在线监测技术应用1. 引言1.1 研究背景电力输电线路在雨雪天气中易受到冰封覆冰的影响，造成传输线路故障甚至短路的风险增加。

特别是在寒冷地区，冰覆盖可能会对输电线路造成灾难性后果。

对于电力输电线路的覆冰情况进行有效监测和预防显得尤为重要。

在过去，针对电力输电线路的覆冰状况，主要采用人工巡检和定期清理的方式来解决。

由于人力资源有限和天气条件限制，这种方法往往无法及时、准确地监测到线路的覆冰情况，难以及时采取应对措施。

开展OPGW光缆覆冰性能研究及在线监测技术应用，有望为电力输电线路提供更有效的监测和预防措施，提高线路的安全可靠性。

通过对OPGW光缆的覆冰性能进行深入研究，并结合在线监测技术的应用，可以有效提高电力输电线路的覆冰监测水平，为输电线路的安全稳定运行提供技术支持和保障。

1.2 研究意义电力OPGW光缆在输电线路中起着至关重要的作用，而其覆冰性能一直是影响线路安全稳定运行的重要因素之一。

随着气候变化和极端天气事件的频发，覆冰对于光缆的影响不可忽视。

对于OPGW光缆的覆冰性能进行研究并开发相应的在线监测技术具有重要的研究意义。

研究OPGW光缆的覆冰性能可以为电力行业提供科学依据，指导光缆的设计，改进材料以及施工工艺，提高光缆的覆冰抗风雪能力，提升输电线路的安全可靠性。

通过在线监测技术对光缆的覆冰情况进行实时监测和预警，可以及时发现问题并采取措施，避免因为覆冰导致的故障和事故，保障电网的正常运行。

电力OPGW光缆覆冰性能研究及在线监测技术应用具有重要的实用价值和社会意义，对于提高电力系统的安全可靠性和稳定性，保障电网运行具有重要意义。

2. 正文2.1 OPGW光缆覆冰性能研究在OPGW光缆覆冰性能研究方面，主要关注光缆在不同环境条件下的覆冰情况及其对电力传输的影响。

这项研究的目的是为了确定光缆在冰雪覆盖区域的可靠性和稳定性，以保障电力系统的正常运行。

研究人员需要考虑不同区域的气候条件对光缆覆冰情况的影响。

架空输电线路的防冰与除冰技术摘要：为了更好地适应我国市场经济的持续发展，国家输电电压和负荷不断增加，该地区架空输电线路表现出密集的性能，因为该地区和环境相对复杂，因此与环境因素相关的风险也越来越普遍。

一旦出现低温、冰雪等不利天气条件，航空公司可能会造成冰盖问题，此时稳定的电力输送可能构成严重威胁，一旦事故不可避免地发生，对社会和经济造成负面损失。

在这方面，探索空中输电线路的防冰和除冰技术具有巨大的实际价值。

关键词：架空输电线路；防冰；除冰技术1架空输电线路的覆冰、防冰、除冰理念1.1覆冰危害冰盖可能对世界各地输电线路的安全构成严重威胁，研究数据表明，冰盖的风险可能导致输电塔过载，从而导致严重事故，如线路故障、输电塔倒塌、电力泄漏和冰盖脱离。

国内架空输电线路，在冰盖危险的情况下，往往会导致严重的断电事故，因为架空线路的高度相对较高，因此维修工作的时间成本也相对较高，相对困难，即使在维修过程中也会引起新的问题，因此，探索空中输电线路防冰除冰技术具有很高的实用价值。

1.2防冰除冰技术防冰主要涉及在电力线结冰之前应用积极有效的预防控制措施，该技术的优点有助于在极端天气条件下保护和预防输电线路结冰风险。

虽然除冰在输电线路可承受的压力范围内，但对于常规除冰线路，为了实现线路正常运行的保护功能，不需要实时或立即除冰工作。

2输电线路冰害故障的主要机理绝缘子上覆有冰层。

在冰雪天气下，由于绝缘子表面结了冰层，使其绝缘电位下降，从而造成了绝缘子的闪络。

在此之前，当绝缘子被污物沾染时，会使飞弧电压进一步下降。

同时，由于绝缘子上覆冰层的持续粘着，会导致线路和铁塔之间发生短路，从而导致短路。

冰层覆盖失效。

覆冰舞动故障。

输电线路的导地线附着积雪、覆冰的情况下，在微风特别是北风的作用下，发生跳舞的现象，就是导地线的舞动现象。

当线路路径的走向与主导风向角度大的情况下，在不均匀脱冰的影响下，舞动现象会进一步加剧，处于特别地形的线路更容易受到舞动的负面影响。

因冰冻大风天气,往往会出现覆冰输电线路随风舞动的现象，覆冰导线舞动对输电线路安全运行造成了严重危害,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、拉倒杆塔、导线折断等严重事故，从而造成重大经济损失。

国内外学者对覆冰导线舞动机理及防护已进行了大量的研究工作.根据导线舞动加速度来模拟导线舞动轨迹,并对输电线路导线舞动监测系统以及基于无线传感器网络的输电线路导线舞动多点监测系统进行研究。

研发出了输电线路导线风偏（舞动、弧垂）在线监测预警系统。

输电线路导线风偏（舞动、弧垂）在线监测预警系统根据位物体移传与物体加速度的原理为输电线路导线舞动监测设计出了方案.该方案利用数字信号处理技术、远程控制技术、无线通讯技术、新能源及低功耗应用技术.通过布置输电线路上的无线传感器网络和杆塔监测分机,实现对输电导线舞动进行远程的定性和定量分析。

根据输电导线的舞动机理以及前期的相关数据为电力运行部门做在特殊时期做决策提供重要依据。

输电线路导线（风偏、舞动、弧垂)在线监测系统由前端硬件设备与监控中心监控软件两大部分组成.可实现对导线风偏度、弧垂度或导线的对地距离的监测.并将测量采集到的各种数据值如导线倾角、温度、张力、图像等,进行相应计算得出导线弧垂与对地距离状态量，并存储.系统将计算结果通过通信网络传输到监控中心.系统满足测量数字化.输出标准化、通信网络化等特征。

具备自动采集功能，按设定时间间隔自动采集导线弧垂或对地距离相关数据，最小采集间隔宜大于5分钟，在温升过快、线路过载等情况下，具备自动判别以及加密采集的功能；具备受控采集功能，能响应远程指令，按设置采集方式、自动采集时间、采集时间间隔、采集点数启动采集;具备自检自恢复功能:具备对装置自身工作状态包括采集、存储、处理、通信等的管理与自检测功能,当判断装置出现运行故障时,能启动相应措施恢复装置的正常运行状态。

系统输出的信息包括：导线弧垂、对地距离状态量、电源电压、工作温度、报警信号、装置心跳包、应答信息、通信连接状态(含信号强度）等等。

2020年软 件2020, V ol. 41, No. 1作者简介: 陈拽霞(1988–)，女，中级工程师，主要研究方向：电力信息通信；王颖(1980–)，女，高级工程师，主要研究方向：电力信息通信；姜辉(1967–)，女，教授级高级工程师，主要研究方向：电力信息通信管理；李君婷(1987–)，女，高级工程师，主要研究方向：电力信息通信；刘洋(1981–)，女，高级工程师，主要研究方向：电力信息通信；王乔木(1985–)，男，高级工程师，主要研究方向：电力信息通信；李灿(1993–)，女，工程师，主要研究方向：电力信息通信；高菲璠(1989–)，女，中级工程师，主要研究方向：电力信息通信；张书林(1968–)，男，中级工程师，主要研究方向：电力信息通信管理；刘冬梅(1969–)，女，高级工程师，主要研究方向：电力信息通信管理；刘军(1970–)，男，高级工程师，主要研究方向：电力信息通信管理。

电力OPGW 光缆覆冰性能研究及在线监测技术应用陈拽霞，王 颖，姜 辉，李君婷，刘 洋，王乔木，李 灿，高菲璠，张书林，刘冬梅，刘 军（国家电网有限公司信息通信分公司，北京 100761）摘 要: 本文基于统计数据和运行事件查找运行风险点，开展通信线路覆冰情况统计分析，为提升电力通信系统干线光缆运维水平奠定理论基础。

通过对曾经遭受覆冰影响的光缆区段进行BOTDR 在线监测，切实掌握运行年限较长光缆的应力应变数据，为解决干线光缆运行性能问题提供科学方法和依据，为提升电力通信系统安全水平提供科学保障。

关键词: OPGW 光缆；覆冰；性能分析；BOTDR ；在线监测中图分类号: TN913.31 文献标识码: A DOI ：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.033本文著录格式：陈拽霞，王颖，姜辉，等. 电力OPGW 光缆覆冰性能研究及在线监测技术应用[J]. 软件，2020，41（01）：152 155Research on Performance of Icing OPGW Cable AndApplication of On-line Monitoring TechnologyCHEN Zhuai-xia, WANG Ying, JIANG Hui, LI Jun-ting, LIU Yang, WANG Qiao-mu,LI Can, GAO Fei-fan, ZHANG Shu-Lin, LIU Dong-mei, LIU Jun(State Grid Information & Telecommunication Branch, Beijing 100761, China )【Abstract 】: Based on the statistical data and operation events, this paper finds out the operation risk points, carries out the statistical analysis of the icing situation of the communication lines, and lays the theoretical foundation for improving the operation and maintenance level of the main optical cable in the power communication system. Through the on-line monitoring of BOTDR on the optical cable section that has been affected by icing, the stress-strain data of the optical cable with long service life can be grasped, which provides scientific methods and basis for solving the operation performance problems of the optical cable in the trunk line and provides scientific guarantee for improving the safety level of the power communication system.【Key words 】: OPGW; Line icing; Performance analysis; BOTDR; On-line monitoring0 引言目前，国网一级骨干通信系统（以下简称“一干网”）OPGW 光缆总里程已达8万余公里，且近60%的OPGW 光缆运行年限已超过15年。

电力OPGW光缆覆冰性能研究及在线监测技术应用电力OPGW光缆是一种用于输电线路的光纤通信电缆，因其覆盖在输电线路上，通常暴露在恶劣的环境中。

在冬季寒冷的气候条件下，光缆表面容易结冰，这可能会对光缆的性能和通信传输造成影响。

对电力OPGW光缆的覆冰性能研究以及在线监测技术的应用显得非常重要。

1. 超高压输电线路的冰灾影响在我国，冰灾是导致输电线路事故的主要原因之一。

当输电线路遭遇大范围的冰灾时，冰覆盖在光缆上可能导致光缆的张力增大，并且由于冰的重量使得光缆跳闸，对电网运行安全带来极大隐患。

冰覆盖也可能导致光缆的振动增大，甚至引起光缆的断裂。

2. 光缆的覆冰性能研究基于实际工程需要，研究人员通过对电力OPGW光缆的覆冰性能进行大量试验和分析，得出了一系列关于光缆在不同冰雪条件下的性能参数。

这些参数包括光缆覆冰质量、覆冰形态以及覆冰对光缆张力和振动的影响等，为电网管理部门提供了重要的参考依据。

1. 传感器技术针对电力OPGW光缆的覆冰性能，研究人员逐渐将传感器技术应用于实际监测中。

通过在光缆上安装温度、湿度、风速和冰厚传感器等设备，可以实时监测光缆表面的温度、湿度和冰厚等参数，为电力设备管理者提供重要数据支持。

2. 基于大数据的监测系统基于大数据技术的光缆覆冰监测系统具备实时性强、数据准确性高的特点。

该系统利用大数据分析技术，通过收集光缆覆冰数据并结合气象数据和输电线路负荷数据，实时分析光缆覆冰情况，提供预警和预测，帮助电网管理者及时采取措施，确保输电线路的安全运行。

三、结语电力OPGW光缆的覆冰性能研究及在线监测技术的应用对于电力输电线路的安全运行具有重要意义。

未来，随着科技的不断发展和进步，相信这些技术将会得到更广泛的应用，为电力输电线路的安全运行提供更加完善的保障。

输电线路绝缘子覆冰预测及防护方法综述摘要：架空输电线路是电力输送的重要通道。

随着我国电网规模的不断扩大，架空输电线路的数量日益增长。

近年来，极端恶劣天气频繁，输电线路覆冰灾害事故频发，据统计，覆冰灾害引起的线路故障占比高达３７％。

因此，对输电线路覆冰预测模型进行研究，利用覆冰预测模型对输电线路覆冰厚度进行准确预测，对于减少覆冰灾害损失和提高供电可靠性具有重要意义。

本文对输电线路绝缘子覆冰预测及防护方法进行分析，以供参考。

关键词：输电线路；覆冰监测；覆冰风险预测引言输电线路覆冰会引起闪络、舞动、断线、倒塔等事故，威胁电力系统的安全稳定运行，由于我国地形地貌多样，输电线路多数要通过严寒地区。

因此，开展输电线路覆冰厚度预测研究对于减少线路遭受覆冰灾害，提高电力系统稳定性具有重要意义。

国内外研究人员针对覆冰预测模型开展了深入研究。

覆冰模型主要分为基于覆冰机理的数学物理模型，如Makkonen模型雾凇覆冰模型等，此类方法在预测精度上较高，但某些参数在实际观测中不易测量。

另一类是基于实际历史数据的统计模型，如BP神经网络、支持向量机回归模型及其优化算法等，但人工神经网络对样本需求量大，易陷入局部最优解，支持向量机适用于小样本且泛化能力较强，得到许多学者的重视。

采用粒子群算法优化SVM参数，并预测覆冰厚度，但模型误差较高，预测精度不足。

上述模型虽然能较准确地预测线路的覆冰厚度，但都没有考虑各影响因素的权重，不能准确地预测覆冰现象。

1覆冰厚度预测模型1.1数据预处理（1）去除异常数据依据输电线路形成覆冰的条件去除实测数据中的异常数据。

（2）线性插值对于缺失数据，利用线性插值使数据具有更好的连续性与平滑性，保证预测结果的准确性。

（3）数据归一化由于影响输电线路覆冰厚度的因素众多，且各因素数据的单位量纲不同，为避免不同数据集的值相距较大。

1.2数据选取及灰色关联度分析线路覆冰现实情况比较复杂，如果根据实际情况选择输入变量，则预测模型影响因素较多，使模型效率下降，学习时间变长；若过于简化输入量的个数，则导致模型预测准确性降低等问题。

第28卷㊀第2期2023年4月㊀哈尔滨理工大学学报JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY㊀Vol.28No.2Apr.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀架空输电线路弧垂及覆冰的在线监测杨小龙,㊀袁翰青,㊀孙辰军,㊀马㊀超,㊀李㊀静(国网河北省电力有限公司信息通信分公司,石家庄050000)摘㊀要:为实现架空输电线路在线覆冰及舞动监测,提出了一种基于分布式相敏光时域反射计(Φ-OTDR )架空输电线路在线监测方法㊂文章通过建立了输电线路的数学模型,理论分析得到导线的弧垂㊁舞动频率等参数计算公式;其次提出了基于Φ-OTDR 分析方法,并对其监测原理进行了分析㊂通过搭建架空线在线监测模型,分别开展架空线舞动试验及覆冰试验,分析得到了架空输电线路的动态应变特性,验证了基于Φ-OTDR 的输电线路状态在线监测方案㊂试验结果表明,在厘米尺度上,弧垂估计误差小于5.8%,在亚毫米尺度上,冰厚估计误差不大于10.84%,可准确描述了输电线路状态,为输电线路故障预警提供了有力支持㊂关键词:分布式光纤传感器;在线监测;架空输电线路;Φ-OTDR DOI :10.15938/j.jhust.2023.02.012中图分类号:TM726.3文献标志码:A文章编号:1007-2683(2023)02-0099-09On-line Monitoring of Sag and Icing of Overhead Transmission LinesYANG Xiaolong,㊀YUAN Hanqing,㊀SUN Chenjun,㊀MA Chao,㊀LI Jing(Information and Communication Branch of State Grid Hebei Electric Power Co.,Ltd.,Shijiazhuang,050000)Abstract :In order to realize on-line icing and galloping monitoring of overhead transmission lines,an on-line monitoring method for overhead transmission lines based on phase-sensitive optical time domain reflectometry (Φ-OTDR)is proposed.In this paper,by establishing mathematical models of transmission line,the calculation formulas of conductor sag,galloping frequency and other parameters are obtained through theoretical analysis.Secondly,by building the overhead line online monitoring model,the overheadline galloping test and the icing test are proposed respectively,and the leakage principle is analyzed.The dynamic acquisition characteristics of overhead transmission lines are analyzed,and the online status monitoring scheme of transmission lines based on Φ-OTDR is verified.The test results show that the estimation error of sag is less than 5.8%on centimeter scale,and the estimation error of ice thickness is no more than 10.84%on sub-millimeter scale,which gives an accurate description of transmission line status andprovides strong support for early warning of transmission line failures.Keywords :distributed optical fiber sensor;online monitoring;overhead transmission line;phase-sensitive OTDR㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2021-10-14基金项目:科技部科技创新重大项目(2020AAA0107500).作者简介:袁翰青(1973 ),男,硕士,高级工程师;孙辰军(1981 ),男,硕士,高级工程师.通信作者:杨小龙(1989 ),男,硕士,高级工程师,E-mail:277135930@.0㊀引㊀言由于我国东西部资源与消费的严重不均,通过高压远距离传输电能,实现资源在国家内部的优化配置成为了必然选择㊂当前,国内多个区域架空输电线路经常受到覆冰和舞动的威胁[1-3]㊂输电线路的载荷和迎风面积通常由于结冰而增加,可能导致架空线路舞动,进而导致断线㊁倒塔㊁闪络等事故,造成巨大的经济损失[2,4,5]㊂因此有必要采用可靠有效的检测方法,及时㊁准确地获取输电线路的覆冰状态㊂目前,输电线路的在线监测主要通过点传感器或图像监测实现[6-9]㊂大多数点传感器是电传感器,通常都存在非线性㊁零点漂移和强电磁环境耐受差等缺点[10-11]㊂此外,这些传感器的安装,包括电源和数据传输网络布设实施步骤复杂且费用较高㊂光纤传感器(optical fiber sensors,OFSs)是一种以光波为载体㊁光纤为传感介质的传感器,随着光纤通信技术的发展,应用已愈来愈广泛㊂OFSs具有一系列独特的优点,如测量精度高㊁鲁棒性好和绝缘性能高㊂基于OFS的传输线监测始于1997年,其中光纤布拉格光栅(fiber bragg gratings,FBG)可用于测量相邻两个城镇之间输电线路的应变[12]㊂但由于FBG制造和部件成本较高,通常比同类电子产品贵一到两个数量级㊂此外,与电子传感器一样,FBG 属于单点传感器,只能提供较低的传感器分布密度㊂此传感器必须采用额外传输线路连接到输电线路,这会降低传输线的稳定性㊂与光纤光栅不同,分布式光纤传感器(distribu-ted optical fiber sensors,DOFSs)依靠一整套光学系统与光纤一起实现对物理电气参数进行采集和空间解调,可以取代成千上万的点传感器㊂因此,DOFSs 可以用来监测目标的整体行为,而不是从几个测量点进行外推㊂电力传输系统中的通信主要基于光缆,同时光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire,OPGW)得到了广泛的应用㊂通过DOFSs,OPGW网络可以构成在线监测的传感网络㊂目前基于DOFSs的输电线路覆冰在线监测主要通过布里渊光时域反射计(BOTDR)监测输电线路的应变变化来实现[13-16]㊂虽然研究人员已经证明了该方案的可行性,但仍有一些不足之处㊂首先,光纤一般有0.6%~0.7%长度的尾纤,其中填充的润滑脂降低了光纤附着力[7,12],使得架空线的应力很难作用在光纤上㊂因此,只有当外部张力大于阈值时,才能测量架空线的应变㊂此外,BOTDR 的单个采集周期通常为几十分钟,由于舞动,架空线的应变将会不断变化,这可能导致测量结果不准确㊂这些缺点共同带来应力测量的不确定性,进而导致测量结果的置信度较低㊂近年来,具有高灵敏度实时测量能力的相敏光时域反射计(Φ-OTDR)引起了众多研究人员的兴趣[6-10,17-21]㊂Φ-OTDR具有响应速度快㊁机械振动灵敏度高等优点,适于输电线路的在线监测㊂2019年,有研究人员使用Φ-OTDR监测传输线的舞动频率,并将结果与FBG的结果进行比较,但他们并未对这些参数代表的意义以及如何利用它们进行进一步解释或分析[22]㊂本文基于输电线路数学模型,提出了基于Φ-OTDR的在线监测的分析方法;搭建架空线路弧垂㊁覆冰监测平台,通过试验证明Φ-OTDR的测量结果(包括弧垂㊁舞动㊁覆冰)的准确性㊂1㊀在线监测原理分析1.1㊀输电线路的力学特性分析在分析输电线路力学特性时,建立一个包含导线㊁减震器㊁绝缘子串和杆塔的全套计算模型是非常复杂和困难的㊂相对于架空线路而言,塔架可视为刚性固定,因此输电线路模型在分析时可简化为无刚度和无阻尼的导线,导线两端的边界可认为是固定㊂图1㊀无刚度和阻尼的导线Fig.1㊀A wire with no stiffness and no damping如图1所示,L为导线的长度;l为跨度长度;h 为从导线弧垂的最低点到两固定点连接线的垂直距离;T0为导线的初始水平张力㊂那么导线长度㊁跨距和弧垂之间的关系可以表示为[20]L=l+8h23l(1)当覆冰或落冰时,L将相应地改变ΔL,此时弧垂可以表示为hᶄ=3l8ΔL+h20(2)其中:h0为初始弧垂;hᶄ为L变化后的弧垂㊂故只要获得ΔL,就可以计算得到hᶄ㊂导线振动的固有频率是其固有特性之一,可表示为[21]f k=k2l T0m(3)其中:k为振动阶数;f k为k阶震动的频率;m为单位长度导线的质量㊂用裸导线的振动频率除以覆冰001哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀导线的振动频率:f icef 0=m 0m 0+m ice(4)m ice =ρice d (d -2r 0)(5)式中:m 0为导线单位长度的初始质量;m ice 为每单位长度导线的覆冰质量;r 0为导线的初始半径;d 为冰厚度;ρice 为冰的密度(0.92g /cm 3),由于覆冰厚度仅与导线振动频率比的变化有关㊂将式(5)代入式(4),振动频率与冰厚度之间的关系可以表示为d =m 0(f 20-f 2ice )πρice f 2ice+r 20-r 0(6)因此,通过对输电线路振动频率的检测,可以得到覆冰厚度㊂1.2㊀Φ-OTDR 监测原理分析Φ-OTDR 利用窄线宽激光产生高相干光脉冲,在传感光纤上获得相对稳定的瑞利背向散射(Ray-leigh backscatter,RBS)相位分布㊂在没有外界干扰和不考虑激光频率漂移的情况下,传感光纤任意截面上的RBS相位都是稳定的㊂当振动信号作用于传感光纤时,传感光纤的形状将会因振动信号而产生受力形变,光纤的折射率㊁长度和纤芯直径都会发生变化,从而导致RBS 的相位变化㊂因此,可通过测量RBS 相位差的变化来解调该部位光纤的振动信号㊂图2㊀振动引起RBS 相变Fig.2㊀Vibration causes the phase change of RBS如图2所示,r 1和r 2分别为传感光纤扰动区前后的散射中心;S 0是r 1和r 2之间初始光纤的长度㊂当相干光脉冲在传感光纤中传播时,入射光将在每个散射中心激发相干RBS㊂在仅考虑传感光纤轴向应变引起的相变时,r 1和r 2处RBS 的简化表达式可写成[23]:E r 1=E 1cos(ωt +φ1)(7)E r 2=E 2cos ωt +φ1+4πnλ(S 0+ΔS )()(8)其中:E 1和E 2为RBS 的振幅;ω为入射光角频率;φ1为初始相位;n 为光纤芯的折射率;λ为入射光的波长;ΔS 为振动引起的长度变化㊂由此,r 1和r 2之间的相位差为[24]Δφ=4πn λS 0+4πnλΔS =φS 0+Δφυ(9)式中:φS 0为初始光纤长度引入的相位差,它决定了相位差曲线的初始位置,在稳定环境下通常为常数;Δφυ为振动引入的相位差,决定相位差曲线的形状㊂因此,可通过RBS 信号检测和数据处理,解调相位变化以及光纤长度变化㊂由于光纤长度的变化与振动幅度呈线性关系,从而实现振动的精确测量㊂1.3㊀基于Φ-OTDR 的输电线路在线监测假设图2中的导线为OPGW,两个端点分别为r 1和r 2,可通过Φ-OTDR 获得导线的长度变化㊂首先,假设OPGW 的负载在无振动的情况下发生变化,L 也会相应变化,其该变量ΔL 可以表述为[25]ΔL =S ᶄ0-S 0=λ4πn(φᶄS 0-φS 0)(10)式中:S ᶄ0为荷载变化后的光纤长度;φᶄS 0为光纤长度变化后相位差曲线的水平位置㊂需要指出的是,尽管由于环境不稳定,φS 0可能随时间而缓慢变化,冻雨或冰降引起的输电线路负荷变化通常是快速或突然的,所以φS 0对计算影响不大㊂因此,通过观察相位差曲线的水平位置变化,弧垂的计算表达式为h ᶄ=3λl32πn(φᶄS 0-φS 0)+h 20(11)然后假设风导致架空线舞动,导线负载保持不变,L 也会相应变化,ΔL 可以表述为ΔL =ΔS =λ4πn Δφυ(12)平衡状态下最低位置弧垂变化可表示为[25]G =3λl32πnΔφυ+h 20-h 0(13)这里,弧垂的变化反映为振幅变化,也可以相应地获得振动频率㊂由此,可以通过将荷载变化前后的固有频率代入式(6)来计算冰厚度㊂应该注意的是根据式(3),f 与l ㊁T 0和m 相关,因此不同跨度中f 0也不一致㊂于是需要根据不同跨度的实际测量结果校准f ㊂此外,根据式(3)和式(4),当冰厚度相同时,振动阶数越高,f 0和f ice 之间的差异越大㊂由此可知,高阶振动对输电线路的负荷变化更为敏感㊂101第2期杨小龙等:架空输电线路弧垂及覆冰的在线监测2㊀试验研究2.1㊀试验平台搭建本文搭建了演示试验系统,其硬件设置示意图如图3所示㊂所使用的Φ-OTDR 设备为日本光纳株式社生产,型号为NBX -S300,设备采样率为4kHz,空间分辨率为0.1m,测量距离可达100m㊂设计的铝合金框架用于悬挂钢绞线,考虑后续覆冰及舞动试验施加的激励方式,本文在实验室内开展模拟试验时以钢丝绳替代导线,分析覆冰和舞动的情况㊂导线在固定滑轮上缠绕数米以此作为固定方式,试验布置时设定两个固定滑轮之间的距离即跨度为30m,将0.9mm 的光纤紧密固定在导线上㊂将一根100g 的绳子悬挂在导线的中心(即跨度的中间位置),通过切割绳子释放悬挂在导线上的重量来激发导线振动㊂利用H 1减去H 2获得导线的初始弧垂,其中H 1是固定点的高度,H 2是导线最低点的高度,可随冰厚度的变化而变化㊂本文所使用的导线(即上文提到的钢丝绳)直径和单位长度质量分别为1.5mm 和46.4g /m㊂由于很难实现导线覆冰均匀且各处位置厚度一致,所以本文用橡皮泥来替代实际的冰,也可达到导线荷载增加的效果㊂在开展覆冰试验时,冰的厚度逐渐从0.25mm 增加至为1.25mm,梯度为0.25mm,冰的质量可以根据式(5)进行计算㊂图3㊀覆冰舞动模拟装置原理图Fig.3㊀Schematic diagram of the device forsimulating icing and galloping2.2㊀试验结果分析2.2.1㊀舞动试验图4(a)为振动的功率谱密度(power spectraldensity,PSD),可以看出主振动频率约为1.3Hz,中间振动强度最大,两侧减小㊂有9个区域受到悬挂重物重量下降的影响,选择中间7个区域分析振动变化,其振动情况一致,如图4(b)所示㊂然后,沿导线方向进行积分,可以获得整个振动过程的相位变化,如图4(c)所示㊂分析图4(c),由于悬挂物重量的下降,将使得悬挂中心位置产生46000rad 的振动,且振动强度呈指数衰减并逐渐趋于稳定㊂图4㊀导线舞动试验结果Fig.4㊀Wire galloping test result首先对弧垂进行评估,依次卸下5个悬挂在线路中间的重量为10g 的橡皮块㊂图5(a)为导线悬挂部分随橡皮块卸下的相位变化,初始值为0rad,随着悬挂重物重量的减轻,相位逐渐向y 轴负方向移动,这意味着悬挂导线的长度变短,弧垂也应相应减小㊂图5(b)为用软尺测量的实际弧垂,以及校正201哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀前后的估计弧垂㊂弧垂测量值和估计值的趋势一致,由于两者绝对误差几乎为常数,故实际值和未经校正的估计值之间的相对误差随着弧垂的减小而增大㊂可以看出,实际值和估计值之间的误差单调,且估计值均大于实际值,如图5(c)所示㊂根据式(11)和式(9),如果h ᶄ高于实际值,则S 0-S ᶄ0小于其理论值,误差最有可能是光纤与导线的固定松动而引起的㊂由图5(b)得出,实际值和未经校正的估计值之间的平均差为0.0158m,将该差值和初始弧垂(0.458m )代入式(1),计算出的额外长度为0.0016m㊂经校正后,实际值与估计值之间的相对误差减小了一个数量级以上,均小于5.8%㊂图5㊀弧垂测量结果分析Fig.5㊀Analysis of sag measurement results进一步分析光纤固定松动引起的额外长度变化,在式(2)中引入了误差项ΔL ,有无额外长度的弧垂估计表示如下:h 1=3l8ΔL +h 20(14)h ᶄ1=3l8(ΔL +ΔL ᶄ)+h 20(15)相对误差可以表示为h ᶄ1-h 1h 1=1+ΔLΔL +83lh 2-1(15)220kV 输电网络的跨度通常为100m,假设l =400m,h 0=10m,h 1从10.5m 增加到12.5m,间隔为0.5m,ΔL 的取值范围为0.1ɢ~0.3ɢ,接着计算相对误差,如图5(d)所示㊂可以看出,在引入实际刻度参数后,虽然额外长度的比例增加,但相对误差小于10%,并且随着弧垂的增加而减小㊂显然,由于模拟设备与实际情况之间存在一定差异,引起误差放大㊂对相变曲线上进行高通滤波,截止频率设定为0.5Hz,以获得Δφυ,可根据式(13)计算最低点的位移㊂为了评估计算结果的准确性,在导线的最低点布置了MEMS 加速度计作为对比,其分辨率为6.1ˑ10-5g,传感范围为ʃ16g㊂将加速度器的结果进行两次积分,可以得到最低点的位移信息㊂如图6(a)所示,加速度器和Φ-OTDR 获得的位移信息基本一致,这证明等式(13)给出的转换关系是有效的㊂图6(b)给出了振动的PSD 图,可得导线固有振动频率的值,证明了加速度器和Φ-OTDR 结果的一致性㊂301第2期杨小龙等:架空输电线路弧垂及覆冰的在线监测因此,在已知初始垂度的情况下,Φ-OTDR 可以检测导线的位移㊂图6㊀振动频谱分析Fig.6㊀Vibration spectrum analysis2.2.2㊀覆冰试验图7为覆冰厚度变化后悬挂部分导线的相位变化,它不仅体现了振动激励的一致性,还描述了导线振动固有频率的变化㊂随着振动的不断变化,由于共振,振动能量逐渐集中在导线的固有频率上㊂图7㊀不同冰厚下的相变Fig.7㊀Phase change under different ice thickness通过比较振动PSD,可以进一步分析振动频率与冰厚之间的关系㊂图8(a)为不同冰厚下的振动PSD,可以看出振动具有多个频率分量㊂根据式(3),一次谐波和二次谐波之间的频率间隔应与二次谐波和三次谐波之间的间隔相同,但观察图8(a)明显与理论不符,将图8(a)局部放大为图8(b)㊁(c)和(d)㊂很明显,随着冰厚度的增加,振动频率向低频漂移,其关系如图8(e)所示㊂高次谐波的频移对冰厚的变化更为敏感,冰厚度与f /f 0之间的关系如图8(f)所示㊂401哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图8㊀覆冰试验结果分析Fig.8㊀Analysis of icing test results㊀㊀根据式(4),f/f0的值仅受导线质量的影响,因此对于不同的f0,比率的变化趋势应该是相同的㊂在图8(f)中,当f0为3.0275Hz和5.0225Hz时,比率变化一致,而当f0为1.34Hz时,斜率显著不同,这表明这组频率不符合等式(3)㊂分析原因,认为这组频率的出现是由铝合金框架的振动引起的㊂一方面,在由导线和铝合金框架组成的振动系统中,铝合金框架在外力作用下可能发生低频弹性变形,振动频率低于由绳索和固定点组成的振动系统㊂另一方面,由于铝合金架质量较大,导线质量变化引起的整体振动频率变化相对较小㊂结果表明,1.34Hz 左右的频率簇出现在低频段,对冰厚的变化不太敏感㊂分析二阶和三阶谐波的变化,根据式(6)可计算预估的覆冰厚度,结果如图9所示㊂估计值与实际值吻合良好,在亚毫米尺度上绝对偏差小于10.84%,这意味着可以线路结冰初始阶段即产生预警信息㊂图9㊀实际与预测的冰厚度Fig.9㊀Actual and estimated ice thickness3㊀结㊀论综上所述,本文建立了输电线路状态的数学模型,通过分析黏附在导线上光纤的相变特性,提出了基于Φ-OTDR的在线监测方案的分析方法,并搭建了演示装置对分析结果进行验证㊂试验结果表明,在厘米尺度上,弧垂的预测误差小于5.8%,在亚毫米尺度上,覆冰厚度的预测误差不大于10.84%㊂因此,本文的研究结果可为输电线路的日常检查和维护提供了有效途径,且具有更低的成本㊁更高的可信度和更早的警告㊂虽然本文已做了较多的工作,然而在工程应用中仍存在一些问题需要解决㊂首先,OPGW中光纤的额外长度将影响弧垂和振动测量,尾纤的存在可能导致弧垂预测偏大和振动位移预测偏小㊂其次,固有频率的选择决定了覆冰厚度预测的准确性㊂对于实际输电线路,振动的激励源通常是强风,除固有频率外,强风还可能引起更多频率分量㊂因此,还需对此方法开展深度研究,从而实现工程应用㊂另外,本文试验研究时考虑的是均匀覆冰,与实际存在一定差别,后续将在覆冰实验室开展试验,验证本文方法工程应用的可行性㊂501第2期杨小龙等:架空输电线路弧垂及覆冰的在线监测参考文献:[1]㊀李海荣.500kV架空输电线路次档距振荡原因与防范策略的分析[J].电工技术,2018(17):120.LI Hairong.Causes Analysis and Prevention Strategies ofSubspan Oscillation of500kV Overhead TransmissionLines[J].Electric Engineering,2018(17):120. 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输电线路覆冰舞动治理技术1、输电线路舞动情况概述1.1舞动基本概念架空输电线路在运行过程中会因自然条件的作用而发生多种灾害事故，舞动就是其中危害较为严重的一种。

舞动是不均匀覆冰导线在风的作用下产生的一种低频率（约为0.1～5Hz）、大振幅（约为导线直径的20～300倍）的自激振动，在振动形态上表现为在一个档距内只有一个或少数几个半波。

输电线路舞动的发生通常取决于三方面的要素：导线不均匀覆冰、风激励和线路结构参数。

舞动产生的危害是多方面的，轻者会发生闪络、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、脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。

舞动问题在本质上为非线性动力学问题，加之各种复杂的随机因素作用，使得彻底治理难度很大，是架空输电线路机械力学领域公认的世界性难题。

随着我国电网建设的发展，近年来我国架空输电线路舞动事故发生的频率和强度明显增加，舞动已成为当前我国威胁线路安全的最主要因素之一。

1.2国外输电线路舞动情况舞动是输电导线由于偏心覆冰改变了导线截面特性在风激励下产生的驰振不稳定现象，舞动的观测和研究是随着架空输电线路的发展而展开的，输电线路舞动研究最早源于20世纪30年代，由美国学者Den Hartog首先提出第一个舞动激发机理。

统计表明，自输电线路舞动现象被首次发现以来，全世界有输电线路舞动记录的国家达三十多个，其中舞动较严重的地区包括北美的加拿大、美国，欧洲的比利时、丹麦、瑞典、挪威、英国及俄罗斯，亚洲的日本等。

由于近些年来发达国家输电线路的发展基本处于停滞状态，因此有关线路的舞动记录基本没有新增，相关的研究工作也没有进一步的发展。

1.3 我国输电线路舞动情况中国是舞动发生最频繁的国家之一，舞动涉及到各个电压等级的输电线路。

存在一条北起黑龙江，南至湖南的漫长的传统舞动带，因为每年的冬季及初春季节（每年的11、12月份，和次年的1、2、3月份），我国西北方南下的干冷气流和东南方北上的暖湿气流在我国东北部、中部（偏沿海地区）相汇，这些地区极易形成冻雨或雨凇地带使导线覆冰，并且由于风力较强，这条带状区域内的输电线路在冬季由于特殊的气象因素满足了起舞的基本要素后而诱发舞动。

导线覆冰在线监测技术摘要近几年，我国冬季时常有冰雪天气，使处在恶劣环境下的架空输电线路大面积覆冰，导致杆塔、绝缘子倒塌，严重影响输电网的正常运行。

在分析输电线路覆冰与气候的关系以及各种输电线路覆冰检测方法的基础上，利用光纤栅传感技术，设计了一种架空线伏兵情况自动监测系统，可代替人工对输电线覆冰情况巡检，并实时记录覆冰情况，进行预警报，提高了输电线路的可靠性关键词：覆冰；信号检测；架空输电线前言大强度的降雪天气引起的输电线覆冰，给世界各地许多架空线造成了严重的影响。

我国近几年来也经常发生大面积的降雪天气，影响了整个输电线路的运行，为了减少输电线路覆冰事故的发生，应加强输电线覆冰自动在线监测和预警的研究工作。

目前，检测线路覆冰的方法主要由人工巡视检测、视频监测等，但高压和超高压输电线路一般分布在地形复杂、环境恶劣的地理区域，人工巡检非常困难，不仅劳动强度大，而且花费时间久，检测结果也不准确。

输电线路覆冰有可能导致输电线路过负载、绝缘子串覆冰闪络、导线舞动以及发生不均匀覆冰或不同期脱冰事故，从而造成巨大的经济损失和严重的社会影响。

我国是世界上输电线路事故较多的国家，2008年初我国南方大范围冰雪灾害中，全国直接经济损失超过了1000亿元。

目前，国内外学者在输电线路覆冰机理、导线次风荷载的计算方面，取得了大量的理论成果。

在覆冰在线监测及预警技术方面，也研制出了一些装置并得以挂线运行。

但从国内实际运行情况来看，现有装置还存在许多不足，远没有达到大规模推广应用的程度。

基于此，本文对现有的输电线路覆冰在线监测技术及其应用现状进行了总结，讨论了覆冰预警技术的发展现状，结合现有技术在我国实际应用中的不足，指出了该领域出现的一些研究热点和发展趋势。

一、覆冰类型及成因1.1覆冰类型由于微气象、微地形及温度、湿度、风速等因素的影响，输电导线覆冰可以按照不同的分类方法划分为以下几种类型：（1）按照冰的表现特征可分为：雨凇、粒状雾凇、晶状雾凇、湿雪和混合凇；（2）按照冰的形成机理可分为：降水覆冰、云中覆冰和升华覆冰；（3）按照冰在导线表面的增长过程可分为：干增长过程、湿增长过程；（4）按照冰在导线上的横截面形状可分为：圆形或椭圆形覆冰、翼形覆冰和新月形。