昭通北部地区某220kV输电线路在线覆冰监测系统的应用

　　摘要：输电线路的覆冰常会引起线路的跳闸、断线、倒塔、导线舞动、绝缘子闪络和通讯中断等事故。本人作为一名设计人员，针对云南省的覆冰灾害情况，特别是云南昭通地区，结合工程实际，着重讨论输电线路覆冰在线监测、预警和诊断方法的心得体会，偏颇或不到之处请予指正。

　　关键词：输电线路;覆冰;在线监测

　　0引言

　　工程背景：昭通北部220kV电网加强工程，起于500kV甘顶变220kV侧间隔，迄于220kV北门变西侧220kV间隔。单回架设，线路路径长度约88km。设计基本风速为27m/s，本工程覆冰情况复杂，共划分为四个冰区。导线型号推荐在30mm冰区采用2×JLHA1/G1A-460/60-54/7钢芯铝合金绞线，其他段采用2×JL/LB1A-400/50铝包钢芯铝绞线。地线型号地线在30mm冰区采用JLB20A-150铝包钢绞线，在20mm冰区地线采用JLB20A-120铝包钢绞线，其余段采用JLB20A-100铝包钢绞线，对侧光缆相应配置。本工程目前处于可研设计阶段。

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　　根据对沿线调查资料的分析，以及昭通市输电管理所的资料，线路区域2008年冰灾情况：盐津境内的黎山、罗汉沟、酸枣溪梁子-大凉风凹等地为覆冰最严重地段，大关境内的甘顶、金宝山、罗汉坝、罗汉岭等地为覆冰最严重的地段，覆冰性质主要有雨凇、雨雾凇混合冻结及雾凇。2008年覆冰过程中本工程线路区域覆冰具有以下特性：覆冰的量级增加较大，常年覆冰轻的地方在本次覆冰过程中的量级增加较大，10mm冰区多为2-3倍，常年覆冰中的地方在本次覆冰过程中增加的量级较小，20mm冰区多为1.5-1.8倍，30mm冰区多为1.2-1.6倍。一些多年未发生覆冰现象的低河谷地带(海拔800m以下)发生了覆冰。

　　雨凇及以雨凇为主的混合凇是造成区域内电力线路覆冰灾害的主要原因。本工程区域内的覆冰以雨凇和以雨凇为主的混合凇为主。电力线路覆冰灾害主要发生在1月18日-2月3日，其中又以18日-23日较为集中，说明冻雨强度大。目前，检测线路覆冰的方法主要有人工巡视检测、观冰站、模拟覆冰导线等，这些方法存在着劳动强度大、投资高，检测结果和实际出入大等问题。等值覆冰综合在线监测装置具有以下特点：①可取代造价高、维护困难的观冰站;②随时掌握沿线气象条件;③在线监测等值覆冰状况和覆冰发展趋势，提高监测精度;④扩展监测功能，增加杆塔荷载监测、导线风偏监测等功能;⑤完善的预报警系统。因此输电线路在线监测技术的研究是检测覆冰技术发展的重要方向之一。

　　1导线覆冰在线综合监测装置原理

　　1.1数据/图象传输

　　系统通过现场在线采集风速、风向、温度、湿度、垂直荷载(垂直挡距内的导线、绝缘子、金具的质量以及冰荷载和风荷载)、绝缘子倾斜角等数据和图象，采用无线通信网络技术进行实时数据/图象传输。

　　1.2后台软件分析程序

　　后台软件分析程序是建立在风荷载数学模型、垂直荷载数学模型、等值覆冰计算模型、杆塔三维力学模型、风偏距离数学模型的基础上编制，根据前台获取的数据，直接得出等值覆冰厚度、杆塔纵向不均衡张力和导线风偏距离等数据，实现对导线等值覆冰厚度、杆塔纵向不均衡张力、导线风偏距离的在线监测。

　　1.3预测模型

　　考虑到覆冰生长预测模型的精度和可测算性，在国际上通用的20多种覆冰生长预测模型中，选择采用更接近国内设计条件的Makkonen模型进行导线覆冰生长预测。

　　1.4报警系统

　　通过上述各种功能的实现，建立线路运行状况的预、报警系统，预、报警系统包括：导、地线等值覆冰厚度发展趋势、气象条件、杆塔纵向不均衡张力和导线风偏距离等。

　　2基本功能介绍

　　2.1导线(地线)等值覆冰厚度在线监测

　　在线测量绝缘子荷载的变量，建立在一个垂直挡距单元内导线自重、风压系数、绝缘子倾角、绝缘子垂直荷重和导线等值覆冰厚度的数学模型，在线监测在一个垂直挡距单元内等值覆冰厚度变化。

　　2.2气象数据监测

　　在线监测小气象环境的温度、湿度、风速、风向等数据，可满足线路设计和对气象条件的需求。必要时，可增加降雨量、日照等功能。

　　2.3杆塔荷载监测

　　相邻档的不均匀覆冰或线路不同期脱冰会在杆塔上产生张力差，线路设计时，对杆塔导线横担和地线支架所允许承受的不均衡张力差有严格的控制，本系统通过在线监测绝缘子顺线路方向的倾斜度及荷载，建立杆塔三维力学模型，在线监测杆塔纵向张力差的变化。

　　2.4导线风偏状态监测

　　通过在线监测绝缘子垂直线路方向的倾斜角，建立绝缘子倾斜度、风速、风向和风偏系数(设计值)的数学模型，找出在不同的气象条件下，风偏系数和电气距离之间的对应关系，验证风偏系数取值的合理性。

　　2.5视频在线监测

　　采用耐低温、防覆冰视频技术，获取半球水平360°旋转，垂直向下任一点的图片，景深范围可在200～400m内选择，图片通过GPRS/CDMA技术将需要的图片传至后台与监测数据进行对比分析。

　　2.6预警系统

　　对应线路设计标准或用户要求，设定予、报警值，予、报警值可在后台监测中心和调度中心显示，并能通过移动网络以短信方式及时发送给相关人员。

　　3数学计算模型

　　3.1导线覆冰厚度计算模型

　　根据导线综合载荷是导线固有载荷、冰载荷、风载荷之和建立载荷平衡模型：(1)式中，ΣG为综合垂直载荷;G1为垂直档距内导线和绝缘子自重载荷;G2为垂直档距内冰载荷;P为垂直档距内风载荷。ΣG可通过拉力传感器测量的绝缘子及导线负荷计算得出，G0可依据工程实际情况得出，P可以通过风速传感器、导线直径和风向夹角等算出。还要考虑导线受风体形系数\风压不均匀系数以及线路导线风载调整系数等。建立垂直载荷数学模型，得出冰载荷。再依据覆冰厚度等效模型计算出，导线等值覆冰厚度：(2)式中，δ为导线覆冰厚度;d为无冰时导线外径;m3为导线每米覆冰后总质量，可由重力传感器测得数据进行计算;m1为无冰时导线每米总质量;ρi为覆冰密度。以此式计算出等效导、地线均匀覆冰厚度。

　　3.2导线风荷载计算模型

　　风作用于输电导线上产生的正交风载荷，并非理论风压与导线受风截面积之和，还需要考虑导线的体型系数、风压不均匀系数、风载荷调整系数、风速高差换算系数以及风夹角等影响。导线风载荷计算依据空气动力学原理，建立悬垂导线风载荷计算公式为：(3)式中，α为风压不均匀系数;W0为基准风压标准值;μz为风压高度变化系数;μsc为体型系数;βc为风载调整系数;d为导线外径;Lp为杆塔水平档距;B为覆冰时风荷载增大系数;θ为风向与电线轴向间的夹角。

　　3.3杆塔荷载监测、分析模型

　　通过安装在绝缘子串轴线上的双轴角度传感器，测得绝缘子的倾斜角，建立综合拉力的数学模型，获取杆塔横担端部的垂直方向的下压力和顺线路方向的水平拉力。

　　3.4导线风偏距离监测、分析模型

　　用双轴角度传感器测得绝缘子串垂直线路方向的倾斜角风偏角，建立导线风偏距离数学模型：L1=L2-λcosθ2。式中，L1为导线水平风偏距离;L2为导线与塔身的净空距离;λ为绝缘子串长度;θ为倾斜角。

　　4结语

　　通过大量的试验研究证明，此方法能满足重覆冰地区输电线路的基建、生产、运行的需求。因此，对于昭通北部220kV电网加强工程，考虑重覆冰线路段安装覆冰在线监测系统，通过覆冰在线监测装置的传感器、数据采集、通讯、分析系统、预报警系统等取得大量数据和图片，为未来该地区的输电线路设施建设提供充实的技术支撑。

　　参考文献

　　[1]张予.架空输电线路导线覆冰在线监测系统.高电压技术，2009，34(9)：1992-1995

　　[2]110kV～750kV架空输电线路设计规范.GB50545-2010

　　作者简介彭洋