南福军

(中航天建设有限公司，北京 100070)

0 引言

电力系统的安全、稳定依赖完善的检测技术，智能电网的建设也要依靠完善检测技术的有效支撑。在输变电系统中普遍存在着输电线路覆冰的现象，输电线路一旦覆冰，就有可能导致杆塔倾斜甚至倒塌、导线舞动等一系列问题，会极大地影响人们正常的生产和生活，给国家和人民带来难以估量的经济损失[1]。

由于我国陆地面积宽广，经纬度跨度大，山岭、盆地、平原等地形错综复杂，从世界范围来看，是遭受输电线路覆冰灾害比较严重的国家之一。2005年春节期间，湖南、湖北以及重庆地区，出现了严重的冰灾，此次冰灾影响范围大、持续时间长、覆冰程度重，现场实测结果显示，导线覆冰的一般厚度达到40～80 mm，局部达到100 mm，共造成17条供电线路瘫痪，影响生产和生活长达1个多月，仅湖南省就有700多万人受灾，直接经济损失超过10亿元[2]。2008 年春节期间，我国多个省市遭受了大范围的雨雪冰冻天气，南方多个省市的输电线路被厚冰覆盖，不断出现断线、倒塔等电力损害事故，很多地方出现大范围停电现象，不仅影响了人民群众的正常生产、生活，也给我国带来巨大的经济损失[3]。因此，研究输电线路覆冰的在线监测系统，是一件非常必要而且具有现实意义的工作。通过检测系统及时检测输电线路的覆冰情况，利用针对性的维护和抢修技术，保证我国电力网络系统稳定、安全运行。

1 输电线路覆冰的原因、分类及危害

1.1 输电线路覆冰的原因[4]

导线覆冰是一种随机发生、不能人为控制的自然现象。影响覆冰状态的因素有多种，包括气象条件、搭建输电线路的位置以及地形、地貌等。一旦空气湿度及温度达到一定条件，借助风力的作用，这些空气中的水滴就会被吹向输电线路，慢慢地就会造成大面积的输电导线覆冰。

1.2 输电线路覆冰的分类

根据冻结性质，输电线路覆冰可分为冻雪、混合冻结、雾凇、雨凇4种类型。其中，雨凇类输电线路覆冰的危害最大，因其比较坚硬，易结冰、易附着；冻雪类输电线路覆冰危害较轻，成分以雪片为主；雾凇类输电线路覆冰，是由水气升华凝结而成的结晶体；混合冻结类输电线路覆冰，是由雨凇和雾凇混合形成[5]。

根据覆冰横截面，可将输电线路覆冰分为圆形、椭圆形、翼形和新月形等[1]。根据输电线路覆冰的发展过程，可将输电线路覆冰分为湿增长过程和干增长过程[1]。

1.3 输电线路覆冰的危害

输电线路一旦覆冰，将会产生诸多难以弥补的危害，严重影响人们的正常生产、生活[6]。

(1)造成杆塔损坏甚至折断。输电线路上的导线覆冰超过一定厚度，会使杆塔压力承载超重，一旦超过临界值，有可能导致杆塔倾斜甚至折断。

(2)导线跳跃，短路跳闸，供电中断。在输电线路中，有一些导线是垂直排列的，如果下面的输电导线先行脱落覆冰，会引起下层导线跳跃，造成供电系统短路，形成跳闸，供电就会中断，影响人们的正常生产、生活。

(3)导线下垂，引发接地事故。一般遭受覆冰灾害时，输电线路不同导线段的覆冰厚度是不同的，这样就会引起导线不同程度的下垂，绝缘子串将会随之倾斜，有可能引发接地事故。

2 输电线路覆冰过程的数学模型

目前，国内外在研究覆冰演变趋势预测方面，利用了很多数学建模方法，取得了一定的理论成果[7]。在覆冰研究领域，目前常用的数学模型基本上有3类。

2.1 以热力学机制为基础建立的数学模型[8]

覆冰与热力学密切相关，它是一个热量交换和传递的过程，液态的水滴释放热量后固化形成晶体，进而在输电线路上形成覆冰。覆冰的具体状态(晶体形状、厚度或密度等)与热平衡状态紧密相关。以热力学机制为基础建立的数学模型，主要研究热力学的能量平衡关系，进而获得输电导线上覆冰的厚度、增长状况等参数。以热力学机制为基础建立的数学模型的不足之处是：忽略了热量流失的影响，如刮风带走的一部分热量等，没有考虑导线表面粗糙度、已有覆冰形状、导线传输电流及电场对导线覆冰的影响，对输电线路覆冰的整个过程不能进行细节说明，相关因素的作用机制没能够具体体现。而且限于目前的技术手段，在工程上还不能进行大规模使用。

2.2 以流体力学机制为基础建立的数学模型[8]

以流体力学机制为基础建立的数学模型研究认为，空气中存在着过冷却水滴，在风力、环境温度等因素混合作用下与导线发生碰撞摩擦，再结合导线的一些具体情况，如导线的直径大小、表面状态等参数，从而推导出输电线路导线的覆冰状态和发展规律。

在研究导线上覆冰形状方面，有很多经典的、应用广泛的模型，包括翼形模型(Makkonen)、椭圆形模型(Chaine)、圆柱形模型(Goodwin)等。以流体力学机制为基础建立的数学模型同样存在着许多缺点，从实际情况看，输电导线上的覆冰是极不规则的，对覆冰状况进行近似的形状化处理，就会造成对当地地理状况或者气象条件反映的失真，进而影响对输电导线覆冰状态预测的准确性。

此外，国内外一些研究者也提出了一些简单的新模型。学者刘和云、周迪等将风速、过冷却水滴的直径、降水率等因素考虑进来，提出了一种新的输电线路导线覆冰增长模型[9]。

2.3 以实测数据模拟为基础建立的数学模型[10]

以实测数据模拟为基础建立的数学模型是指利用以前进行现场实际测量所积累的数据进行模型拟合，进而建立起的一种数学模型。但由于输电导线的覆冰状态与多种因素有关，因此，这种数学模型不具有很强的推广应用性。

3 输电线路覆冰在线监测系统概述

3.1 输电线路覆冰在线监测技术

在我国，输电线路覆冰情况的检测主要靠人工长途巡查输电导线，这种方式受地理环境、天气状况等因素影响较大，检测效率非常低，而且周期很长。随着科技的进步，我国开始建设500 kV高压输电线路，自2008年春节期间发生冰雪灾害之后，我国开始逐步重视输电线路覆冰监测技术的研究与应用，其手段主要是从国外引进、借鉴一些先进的技术，由于时间短，自主开发的成熟技术相对较少。就目前的技术手段而言，覆冰导线的监测产品可分为以下几类：导线应力测量法、倾角-弧垂法、水平张力-倾角法、测重法、视频图像法等[11]。有的学者从数据传输、传感器等方面入手，研究了输电线路导线覆冰监测系统，形成了一些覆冰导线在线监测技术的新成果。

3.1.1 视频监测技术

将视频拍摄装置安装在杆塔上，对导线进行拍摄，一旦发现有覆冰现象，就可以利用数据传输将这些数据信息传送到管理后台，再利用一些数学工具进行计算，最终判断导线的覆冰状况。文献[12]提出了一种基于图像处理的输电线路覆冰监测方法，并详细介绍了其实现方式，该系统通过摄像机采集覆冰图像，进而对图像进行边界检测处理，测量出覆冰厚度，覆冰图像及覆冰厚度通过分组无线电业务(GPRS)无线传输方式发送到监控中心，由监控人员做出相应的处理。文献[13]讨论了基于小波的图像边缘检测方法在线监测输电线路覆冰厚度的原理，提出了一种新的输电线路导线与绝缘子覆冰厚度的在线监测方法，即通过对安装在高压铁塔上的摄像机和图像采集卡获得的导线与绝缘子覆冰图像进行实时处理，提取其边界轮廓来测量导线与绝缘子上的覆冰厚度。

通过视频监测手段，可以直观地监测到输电线路导线的覆冰情况，操作简便，若覆冰造成摄像头遮挡，会出现无法观测的情况。

3.1.2 测重法

将拉力传感器安装在原来球头挂环的位置，通过测量导线的质量，再结合风的速度和方向以及绝缘子串产生的倾斜角度等各相关因素的参数值，计算出输电导线的覆冰质量，再利用冰的密度(0.9 g/cm3)换算出相应输电导线上覆冰厚度的数据。就目前的研究成果而言，测重法在所有的计算模型中是最为准确、可靠的一种算法。

文献[14]建立了导线覆冰厚度和导线弧垂变化的力学模型，设计了力传感器的安装结构，研发了基于全球移动通信系统(GSM)短信业务(SMS)的输电线路导线覆冰情况的在线实时监测系统，已经证实可以通过安装的分机对风的速度和方向、绝缘子倾斜角度等计算参数进行实时测量，并快速发送至管理监测中心进行处理。

测重法具有非常实用的优点，拉力传感器结构简单，方便施工安装，不仅适用于静态测量，也能够进行动态测量。测重法的不足之处是，现有的拉力传感器是基于电阻应变片研制而成的，随着工作时间的延长，会有稳定性和可靠性方面的问题。所以，目前正在研制利用光纤传感的拉力传感器。

3.1.3 水平张力-倾角法

水平张力-倾角法是根据输电线路的状态方程，利用传感器传送过来的绝缘子串轴向张力、悬挂点倾角等数据计算输电线路导线覆冰质量的方法。

文献[15]开发了基于架空输电线路轴向张力、二维倾角和风速/风向、温/湿度等气象信息测量的覆冰监测系统。利用GSM/GPRS网络，线路监测终端与中心监控主站进行数据传输，由主站专家系统软件利用相关覆冰理论模型分析导线覆冰状况，及时给出除冰信息。

水平张力-倾角法能够直接反映输电线路导线的安全情况。这个模型的不足之处是实际应用范围受限，只能应用于稳态下输电线路导线覆冰情况的研究。

3.1.4 倾角-弧垂法

倾角-弧垂法同样是利用了输电线路的状态方程，并结合一些气象参数信息，利用传感器传送过来的导线倾角、弧垂等数据信息，计算出的输电线路导线覆冰状况。

文献[16]从导线的基本方程出发，推导了根据导线张力、倾角或温度来测量导线弧垂的方法，并介绍了计算公式和例题。

倾角-弧垂法的优点是原理简单，缺点是实施比较困难。输电线路的弧垂和倾角受到多种因素的影响，特别是500 kV及以上等级输电线路，导线的刚度较大，视作柔索将导致较大的误差。

3.1.5 导线应力测量法

导线应力测量法也是根据输电线路的状态方程，研究输电导线上多点应力，通过一定手段计算出输电导向的覆冰质量。

文献[17]分析了线路覆冰的原因及其造成的危害，介绍了利用光纤布里渊散射进行温度测量的原理。通过对光纤布里渊传感器2种主要方案的分析，提出了采用分布式光纤传感方案组建覆冰监测预警系统的建议。

导线应力测量法的优点是充分利用了光纤传感器无源、稳定性好的特点，能够在各种恶劣环境中使用，应用前景良好。不足之处是费用较高，而且尚处于研发阶段。

3.1.6 覆冰导线在线监测技术的新成果

学者汪江、田成军在覆冰监测系统中利用了ZigBee协议完成了数据传送[18]。

学者张思建、林志赟等人研究并设计了一种新型电容式传感器，传感器的电容值反映了导线覆冰厚度的变化情况[19]。

学者曾祥君、伍志华等人研究了计算输电线路平均覆冰厚度的方法。利用故障行波定位系统测量时间差计算出覆冰长度，进而通过长度、厚度之间的关系换算出覆冰厚度的平均值[20]。

学者阳林、郝艳捧等人提出了利用静力学受力平衡方面的理论知识对覆冰厚度进行计算的力学模型[21]。

3.2 输电线路导线覆冰监测系统的构成与应用

输电线路导线覆冰监测系统一般由3部分构成：监测分机，包含了许多传感器，用于监测输电线路上所需要的各个参数值；无线通信网络，是一个传输系统，将监测分机采集的数据传送到监测中心；监测中心，数据处理系统，将传送过来的数据信息进行分析，及时采取应变措施[22-23]。

在输电线路覆冰问题方面的研究，国外要比我国开始的早很多，但我国近几年加大了研究应用力度，发展也很快，取得了很大的进步，有很多公司已经安装并使用了输电线路覆冰的监测系统。例如，华中电网公司研制的输电线路覆冰监测系统，能够在线传送气象数据、覆冰发展预测、导线偏斜等各个方面的数据信息，并可以对超过设定值进行报警提示[22]；杭州某公司研发出产的温度-倾角测量球，可以实时测量导线倾角、弧垂变化情况；美国一家公司生产的CAT-1是一种利用测量导线应力计算弧垂装置[23]。

4 输电线路导线覆冰在线监测系统的不足

目前的输电线路导线覆冰在线监测系统，虽然能够在一定程度上对覆冰状况进行预警，但由于测量的精准度、稳定性都不是很好，预测偏差较大，传输系统技术水平不高等实际情况需要解决。

结合以上分析研究，输电线路导线覆冰在线监测系统需要在以下几个方面进行改进。

(1)在计算输电线路导线覆冰的厚度时，利用更为精准的数学模型，利用建模分析的方法研究导线覆冰产生舞动的情形。

(2)研制在小电流情形下就能够启动的，大电流情形下也能正常运转工作的在线取能装置。

(3)研究能够不受冰、雾、雪干扰的摄像装置，这样，在重度冰雪灾害下，也能够对输电线路导线的覆冰状况进行监测摄像。

(4)利用先进的技术提升输电线路导线覆冰监测系统的性能，进而提升其可靠性和能够在恶劣条件下完成工作的能力。

(5)利用先进的传输网络系统，完成快速传输图像数据，并提高图像数据传输的精确性。

(6)科学规划监测分机的布点，加强对一些微地形和微气象输电线路的监控。

5 结束语

输电线路覆冰在线监测系统对输电系统网络安全运行有着十分重要的意义。已经安装应用的一些输电线路导线覆冰监测系统虽然在一定程度上弥补了人工巡视的不足，但距离实际需求还差很远。本文为今后输电线路覆冰在线监测系统的改进提出了具体建议。

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