李晓光，龚浩，金铭，王建，刘春翔，李昆，刘健

(1．国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐830011；2.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106；3．国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074)

0 引言

极端环境灾害影响范围广，受灾损失巨大[1-3]，以沙漠区域的风沙灾害最为典型.风沙灾害带来的系列故障中输电线路绝缘子风偏、连接金具磨损等问题尤为突出.

有关输电线路风偏相关的研究，早期主要以计算仿真模拟为主.考虑到线路的阻尼效应，研究者通常采用频域计算方法，深入分析了振型组合阶数以及组合方式对输电线路动态风偏结果的影响[4-5]，或者分析输电塔线体系在风振影响下的响应频域特征[6-7].也有研究者考虑到绝缘子串和导线之间的耦合效应，采用有限元仿真了自然风灾环境下的线路风偏情况，给出了相应的计算手段[8].沙尘环境引起的风偏间隙放电相关的研究，放电间隙的安全评估工作[9]，沙粒大小、空间分布和沙粒密度等因素对放电的影响研究[10-12]，是目前研究者关注的热点问题.

绝缘子风偏运动过程引发的连接金具磨损问题，相关的研究报道较少，研究主要集中在试验模拟方面.较为系统的是国网电力科学研究院和新疆电力科学研究院等单位，实验模拟了金具沙粒磨损特征，分析了风力、沙粒等环境参数对金具磨损的影响以及磨损引起的金具电晕特性[12-14]，并探索了地理环境、风速风向等因素对线路金具寿命的综合影响[15].此外，采用CIGRE、EPRI以及东京电力研究院推荐的图像分析方法研究了输电导线的运动轨迹，推测运动中绝缘子和导线的结构特征[16-18]；利用视频图像分析方法，新疆电科院通过导线运动轨迹获取导线运动周期，通过自制设备模拟金具风振情况，但运动周期取值有待商榷.国网武汉高压研究院建立了长串绝缘子的试验模拟设备，对盘形悬式瓷绝缘子串、玻璃绝缘子串和复合绝缘子开展了系列试验，其中的绝缘子耐张串试验，强度下降较多[19].清华大学建立了特高压复合绝缘子耐张串振动试验装置，获得了微风振动对复合绝缘子耐张串机械性能的影响因素[20].但针对绝缘子风偏过程的振动研究较少，相关试验参数尚待考证.

沙漠区域性大风为典型的空气湍流，这种湍流包含有巨大的能量，推动了线路的运动，从而导致线路绝缘子风偏产生，出现无规律的振幅.绝缘子的运动迫使线路回应，并出现了线路的抖振反应，这种抖振反应瞬间出现多个小幅值现象，可能导致绝缘子风偏放电的产生.强风环境绝缘子风偏振动过程可以看作风偏和振动2个运动的合成.本文中采用视频分析方法和振动分析获得绝缘子的风偏和振动，在这2个量的基础上进行合成.采用视频分析方法分析绝缘子的风偏过程，通过位移传感器捕捉振动的过程.

1 分析方法

图1 绝缘子照片

1.1 图像分析绝缘子视频系统在成像过程中受到环境因素的制约，系统常出现透镜色差及像差等固有缺陷，出现光路衍射、成像噪声、运动绝缘子图像失真以及失焦模糊等问题.正常情况下，从杆塔横担的视角，获取的绝缘子图像如图1(a)所示.在实际风偏运动过程中，获取清晰的图像非常困难，但绝缘子的特征明显.图1(b)为某次沙尘暴天气获得的绝缘子图像，图1(b)可以视为图1(a)的图像获取过程的退化照片.

假设退化函数用H表示，环境干扰噪声用I表示，这2个影响因素共同作用在图像f(x,y)(图1(a))上，获得退化图像g(x,y)[21]，即图1(b).假设该退化图像的二值图像为b(x,y)，其过程可由流程图2(a)给出，通过该流程可以获取绝缘子的运动振幅轨迹.这些过程包括：

1)绝缘子图像获取过程受到各种干扰因素而退化，该退化过程H与干扰噪声I作用在图像f(x,y)上，对于一般光学成像来说，退化过程可近似认为是线性的，有方程式(1)成立：

g(x,y)=H(x,y)×f(x,y)+I(x,y)

(1)

图2 绝缘子图像处理流程及效果图

2)退化后的绝缘子图像g(x,y)，二值变换B后获得的二值图像b(x,y)非常清晰简单，如图2(b)所示，绝缘子特征明显，略去背景干扰，可以直接用来做中间过程计算，有方程式(2)成立：

b(x,y)=B(x,y)×g(x,y)

(2)

3)复原变换过程可采用直接盲解卷积[22]、维纳解卷积图像复原[23]等方法实现，绝缘子图像处理流程中，整个绝缘子运动过程不需要考虑复原变化过程，在重点环节进行校对时才考虑复原变化，识别出绝缘子的2个端点位置，并且图形精度要求不高；

4)建立绝缘子坐标，以无风状态绝缘子高压端为原点，垂直导线和绝缘子方向为横向坐标(X坐标)，以绝缘子方向为纵向坐标(Y坐标)，沿着导线为水平坐标(Z坐标).获得的绝缘子运动照片，经步骤1)和步骤2)的二值变换B处理，识别出绝缘子两端，从而计算出绝缘子运动的时间、方向和幅度.

1.2 振动位移分析采用武汉伊莱维特设计的光纤光栅位移传感器(型号：YLWT-DMS-102)，改进基础设计以满足现场需求，改进后该传感器参数为量程 ± 500 mm，精度0.3%，灵敏度0.1%，频率响应3 500 Hz，光栅中心波长1 525～1 565 nm，光栅反射率 ≥ 90%.测量步骤如下：

1)光纤光栅位移传感器直接附着在绝缘子高压端的金具上，观测位置与视频观测位置保持一致；

2)传感器测量范围为-500 ～ 500 mm，超过该范围振幅的测量采用视频图像分析实现；

3)振动位移测量的时间参数与视频图像测量的时间参数保持一致，方便运动叠加合成.

2 结果与分析

图3 绝缘子风偏观测塔

选择位于沙漠风区某超高压线路的直线塔作为研究对象，如图3，该直线塔在某次风害过程中发生绝缘子风偏放电事件，是沙漠风区绝缘子风偏研究的重点对象.

图4(a)是利用图像分析方法获得的结果，绝缘子图像处理步骤见1.1部分，观测位置为均压环，见图3.从图4(a)中可以得出，绝缘子风偏幅度与极大风速值之间强相联，略微滞后风速值约10 s.极大风速值在80 ～ 160 s的风速稳定时间区域，绝缘子风偏幅度值也进入稳定区域，稳定阵风推动线路的整体运动，从而导致线路绝缘子风偏略微滞后；此外，极大风值不断变化区域，绝缘子风偏幅度值也不断变化.短时间的风规律表现为无规律的空气湍流，出现的绝缘子风偏表现为无规律的风偏运动，极大风速的范围为25 ～ 45 m/s，风偏值为1 ～ 3 m.

图4(b)叠加合成振动位移部分数据.绝缘子风偏受到风力影响，风力本质上是空气的湍流，引发2种结果：1)时间上，风力的能量处于变化过程中；2)风力的能量平面非均匀分布.第一种结果引发风力提升力的连贯非均匀性，导致导线和绝缘子的非线性运动，引发绝缘子抖振；第二种结果引发风力推动导线的非均匀作用，也将引发绝缘子抖振，这些现象表现为位移传感器获得的小振幅运动，约为 ± 400 mm的无规律运动，相关结果如图4所示.

图4 绝缘子风偏分析结果

长时间的绝缘子风偏过程如图5所示，本研究中风向与输电走廊的垂直方向为10° ～ 25°，导线受到湍流的抬升力，导线阻力系数随着风速的变化而迅速变化，导线的阻力FD由方程式(3)给出[18]：

(3)

其中，ρair为空气密度(标准温度和压力情况下大约为1.2 kg/m3)，Φ为导线直径(m)，单导线为φ(m)，分裂导线需要根据分裂数进行换算，Vr为相对风速(m/s)，CD为阻力系数(k/h)，该常数由风速和导线粗糙度确定，如果出现非对称沉积物(比如冰、雪等)使表面出现偏心率，CD依赖于风攻角，参考相对于风向的冰位置，同时分裂导线需要根据非对称沉积物界面进行换算得出.空气湍流过程中，导线阻力能够在三维空间推动导线动态运动，在导线阻力作用形成的风偏抖振极易受到风速值的影响.长时间绝缘子风偏运动过程则表现为图5的形式.

一般情况下，风向与输电走廊并不垂直，风的垂直分量引起绝缘子风偏向上运动，从而有垂直位置变化，同时，风的水平分量导致导线水平运动，其运动过程引发导线摆动，进而引发绝缘子摆动，摆动幅值约为 ± 1.5 m，如图6所示.整个绝缘子风偏运动过程非常有害，直接加剧绝缘子两端连接金具(U型环)的磨损过程，文献[12-13]中的摆动周期取值为5 s，本文中的结果与该取值有一定的差异；文献[12-13]中对比了现场和实验的分析结果，认为存在粘着磨损和磨料磨损的两个磨损过程，但从本文中角度出发，大幅度的绝缘子摆动将引发连接金具之间的碰撞，而绝缘子抖振过程则引发粘着磨损，粘着磨损和磨料磨损协同作用，直接增加绝缘子两端连接金具磨损故障发生的几率.

图5 长时间绝缘子风偏运动过程的时间序列

图6 绝缘子风偏的水平位置与垂直位置的关联图

3 结论

1)强风环境下绝缘子风偏振动可以看作风偏和振动两个运动的合成，绝缘子风偏过程采用视频分析方法实现，振动位移过程通过光纤光栅位移传感器捕捉；

2)绝缘子风偏幅度与极大风速值之间强相联，整个运动过程包含无规律的风偏运动和抖振运动，风偏值为1 ～ 3 m/s，抖动值为-400 ～ 400 mm；

3)风的垂直分量引起绝缘子风偏向上运动，风的水平分量导致导线水平运动，这个摆动过程将加剧连接金具的磨损.