高 明,张江涛,赵振刚*,李 川,许晓平,梁仕斌

(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明 650500;2.云南电力试验研究院(集团)公司,昆明 650217)

近年来,气象灾害事故的频频发生给电网的安全运行构成严重威胁。其中,导线覆冰是冬季线路发生故障的主要原因,输电线路覆冰轻则导致绝缘子串冰闪跳闸、相间闪络跳闸等短期事故,重则可导致杆塔倾斜倒塌、线路金具损坏、线路断线等严重事故,从而造成巨大的经济损失和严重的社会影响[1-5]。

输电导线覆冰监测方法主要有称重法、图像检测法、导线倾角法等[6-9]。现有的监测装置多采用电子式传感器,存在监测装置的供电问题、通信问题和强电磁环境下系统工作可靠性问题等[10-11]。与电测量传感器相比,光纤传感器有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、传输距离远、无需野外电源等优点。随着光纤传感技术的发展和测量性能的进一步提高,光纤传感器相对于传统电子传感器的优势日益明显。目前,国内外对输电线路监测进行了大量的研究:2018年河南工业大学岳龙旺等,构建了由数据采集模块、无线传输模块、智能决策模块、除冰机器人模块组成的输电线路覆冰远程监控系统,实现高压输电线路覆冰的实时监测与自动维护[12]。挪威Bjerkan等人将光纤布拉格光栅传感器直接布置在导线表面用于测量环境荷载引起的导线形变,因而可监测导线水平静态和动态荷载变化,如可监测导线覆冰、舞动等现象[13]。2016年西安工程大学黄新波等提出了一种基于光纤光栅应变传感器的铁塔应力监测方法,通过测量光纤光栅中心波长的变化反映铁塔应力的变化[14-16]。2016年重庆大学胡琴等在分裂导线等值覆冰厚度模型中提出将分裂导线的覆冰等效成单根导线的覆冰,与人工测量结果进行比对,相对误差为7.8%[17]。2016年张子翀给出一种基于导线倾角和拉力的输电线路复合荷载等效覆冰模型,该模型中考虑了风偏平面内定向风载荷的复合荷载[18]。2016年华北电力大学张永谦提出一种新型高压输电线路在线监测系统,利用GPRS和GSM将监测数据传输至监控中心,实现了对线路电流、电压、温度和角度等状态的监测[19]。

针对目前国内输电导线覆冰厚度的光纤监测主要处于实验室研究阶段的现状,本文结合输电塔线体系的结构特点和输电导线覆冰厚度的计算模型,实现了光纤监测参量的优化选取。结合输电线路关键结构参量的光纤监测与直线塔输电线路覆冰厚度分析模型,实现了导线覆冰厚度的实时监测与分析,并与人工观冰结果进行对比验证。

1 输电线路覆冰厚度计算方法

覆冰在线监测系统是基于国内外广泛采用的称重法原理,并且考虑了绝缘子和导线风偏变化对覆冰结果的影响,建立反映线路覆冰状况的力学模型。其中,基础参数为:主杆塔A与小号侧杆塔B及大号侧杆塔C间的档距分别为l1和l2,导线原始长度为S1和S2,导线悬挂点高度差为h1和h2,高差角为β1和β2。图1为风偏平面内输电线路的模型[20]。

图1 风偏平面内输电线路的模型

绝缘子串轴向拉力F由拉力传感器测得,该力的方向与风偏平面内垂直方向的夹角即为风偏平面的倾斜角θ′。

(1)

设Gt为导线、绝缘子串和金桔自重之和,绝缘子串和金具自重为Gi,w为导线单位长度无冰荷载,则有

Gt=Gi/2+w(Sa+Sb)

(2)

风偏平面内,覆冰前垂直方向向下的力为导线、绝缘子串和金具自重之和与风共同作用形成的综合荷载,而覆冰后增加了因覆冰形成的覆冰荷载。在垂直平面内导线覆冰前、后保持静力平衡,则有式(3)成立

(3)

qice为均匀覆冰时每根分裂导线的载荷集度,对于每个杆塔,Gt是常数,则有

(4)

F′为去掉风、雨等因素形成的拉力后悬垂绝缘子垂直方向上所受的拉力。

(5)

按照线路设计标准覆冰形状为均匀圆柱形,则导线等效覆冰厚度为:

(6)

式中:ρ为覆冰密度,值为0.9×10-3kg/(m·mm2),d为导线直径(mm)。从计算导线等效覆冰厚度的公式可知,式中有绝缘子拉力F(N)、绝缘子风偏角η(度)及倾斜角θ(度)3个状态参量需要监测。因此,须在杆塔上布设拉力传感器、倾角传感器,用来监测导线的覆冰情况。

2 基于光纤传感的输电线路覆冰监测系统设计方案

由于输电线路覆冰断线等现象通常发生在人烟稀少的高海拔地区,环境比较恶劣,出现问题后维修起来比较困难,而且电源需要长期供电,经常更换电池会耗费很多的人力物力,输电线路周围环绕着很强的电磁干扰,对信号传输的准确性造成很大的影响。而光纤光栅传感器不需要工作电源,其传输信号使用的激光源来自于解调仪,光纤传感器本身良好的抗电磁干扰和绝缘能力使其能够在外界强大的电压和电磁干扰下正常工作。

项目实施在云南电网某110 kv架空输电线路,模块挂接在OPGW主网络上,塔上光网络总体示意图,如图2所示。

图2 光网络示意图

图3 输电线路覆冰监测系统整体结构

图3即为输电导线在线监测系统的架构图。该系统由安装于绝缘子串上方的拉力传感器、双轴倾角传感器、OPGW及ADSS、置于变电站内的光纤解调仪等构成。光纤通讯则从29#杆塔的OPGW接续盒引出两芯作为光纤传感信号的传输通道,通过架设ADSS光缆连接到30#杆塔上。打开接续盒后,将选好的两芯ADSS传感沿接续盒备用孔穿入,断开前选好OPGW光纤中的两芯,然后将ADSS与OPGW光纤熔接,最后密封接续盒,并把接续盒安装到29#杆塔上。

本次工作所采用的传感器的主要技术指标如表1 所示。

表1 传感器的主要技术指标

对光纤光栅拉力传感器进行实验室标定,标定系统示意图如图4所示。将传感器放置于拉力试验机,通过拉力试验机对传感器拉力进行设定与控制。传感器中心波长由光纤光栅解调仪来读取,解调仪得到传感器中心波长信息后通过数据线送至计算机进行存储。

图4 传感器标定系统示意图

待环境温度稳定后,开始对传感器施加递增荷载,当荷载达到试验荷载后进行递减荷载。实际加载拟合曲线如图5所示。

图5 波长变化与所加荷载拟合曲线

利用传感器数据进行分析得到灵敏度0.049 5 pm/N。如图5所示,传感器线性度定义为

ξL=Δλmax/λFS

(7)

式中:ξL为传感器拉力响应线性度,%;Δλmax是拟合误差的最大值,nm;λFS是光纤光栅温度传感器输出波长的最大变化量,nm。

根据式(7)与图5中传感器数据分析得到传感器线性度为0.76%。

2.1 传感器连接金具的安装

确定光纤布拉格光栅称重传感器的量程是传感器设计的第1步,只有确定了传感器的测量范围,才能更好优化传感器的结构和性能。根据选取的实际线路进行计算,确定传感器的最大测量范围为40 kN。

为了在准确测量直线塔悬挂绝缘子串所受张力的同时避免对现场设备过大的改动,称重传感器的安装结构,如图6所示。称重传感器替换现有金具中的第2部分(ZS-7型挂板)和第3部分(QP-7球型挂头),传感器的长度与被替换金具的总长度相同。为防止因机械加工或接触不均匀造成力传递过程中的损失和方向发生变化,弹性体和上下接头为一体化形式加工。将FBG粘贴在柱体表面中央位置,测量拉力产生的轴向应变,它具有结构简单紧凑、体积小、坚固耐用 、量程较大、加工材耗小等优点。在风偏平面内,由绝缘子拉力F(N)、绝缘子风偏角η(度)及倾斜角θ(度)3个状态参量及公式(5),可以得到去掉风、雨等因素形成的拉力后悬垂绝缘子垂直方向上所受的拉力。由于风、雨等因素会引起导线的舞动,故在后续数据处理时进行滤波处理,把风、雨因素滤除掉,以减小其对最后计算结果的影响。

图6 柱式称重传感器安装结构

2.2 光纤光栅称重、双轴倾角传感器安装

图7 光纤光栅称重、双轴倾角传感器安装示意图

为了在准确测量直线塔悬挂绝缘子串所受张力的同时,避免对现场设备做大的改动,光纤光栅称重、双轴倾角传感器安装示意图如图7所示。拉力传感器大多数只安装在直线塔上,且多以非标替金具式拉力传感器为主。拉力传感器替换现有金具中球型挂头,传感器的长度与被替换金具的总长度相同,所测力的方向为悬垂绝缘子串轴向。双轴倾角传感器由顺线光纤光栅倾角传感器和横向光纤光栅倾角传感器组成,通过测得的波长数据,可实现对悬垂绝缘子串顺线的倾斜角度和横向的倾斜角度的测量,实现悬垂绝缘子串的二维倾斜角度的实时测量。双轴倾角传感器通过固定件加紧在拉力传感器上,通过调整调零螺丝可以使双轴倾角传感器调零。光纤光栅传感器通过光纤连接到OPGW光缆接续盒上,将光纤与光网络进行熔接,最后经光纤解调仪接入监控中心。图8是光纤光栅称重、双轴倾角传感器现场安装效果图。

图8 光纤光栅称重、双轴倾角传感器现场安装图

3 基于光纤传感的输电线路覆冰监测系统设计

输电塔线覆冰监测系统有4个主要功能模块,分别为在线监测模块、时序曲线显示模块、报表信息模块、后台操作模块。

在线监测模块,在线监测模块的界面采用flash制成,单击flash界面上的光纤复合绝缘子监测区域,可显示该区域当前监测的悬垂绝缘子串轴向力和二维倾斜角度的实时数据;单击导线覆冰监测区域,可实时显示当前监测的导线覆冰监测值。

时序曲线显示模块,时序曲线显示模块包含时序曲线显示和未来趋势分析两个子模块。时序曲线显示可以显示光纤光栅称重、双轴倾角传感器的历史数据曲线;趋势分析算法依据传感器的历史数据可分析推算出光纤光栅称重、双轴倾角传感器的未来数据趋势。

报表信息模块,报表信息模块包括日报表信息管理和月报表信息管理,数据库会将每小时和每日的光纤光栅称重、双轴倾角传感器的平均数据自动添加到日报表和月报表。报表信息模块可对不同时间的日、月报表信息进行查询。

后台操作模块,后台操作模块可对用户权限进行操作管理,用户登录系统后,可完成用户登录信息的核验,用户信息核验正确后,才能进入后台操作系统,后台操作系统会获取用户的权限信息,并对用户的信息进行记录,指引用户进入相应的界面操作。退出监测系统:点击退出系统,退出监测系统,全部监测程序将关闭。输电线路状态监测主界面如图9所示。

图9 输电线路状态监测主界面

4 输电导线在线监测结果与分析

本篇文章以云南电网某110 kV输电线路30#直线塔上安装的监测终端的运行数据为例,运用模型计算导线的覆冰等效厚度并与人工观冰值进行对比。

根据前期研发的输电线路覆冰在线监测系统,可实时获取输电线路的拉力、倾斜角及风偏角等参数,该线路设计承受覆冰厚度为20 mm。收集整理云南电网某110 kV某输电线路2015-12-18至2016-02-17期间的覆冰期的人工观冰记录和在线监测数据。

图12 风偏角数据统计图

图10 拉力数据统计图

图11 倾斜角数据统计图

根据监测终端实际测量的拉力、倾斜角和风偏角数据,采用本文的覆冰厚度分析方法可计算出2015-12-18至2016-02-17期间的输电线路覆冰厚度,为了对比,还给出了人工观冰的结果。

用本文的模型计算得到的覆冰厚度引入了风偏角参量,而风舞动对输电导线覆冰有影响,因此需要用滤波把风因素滤掉。图13即为滤波后输电导线覆冰厚度变化曲线。

图13 输电导线覆冰厚度变化曲线

表2为4个时间段的系统监测值与人工观冰值

表2 人工观冰与系统监测值的对比 单位:mm

表2中,人工观冰值为输电导线观冰点的最大覆冰厚度,即覆冰最严重处的值,而系统监测值是输电导线的等效覆冰厚度(平均值),人工观冰值约为系统监测值的2倍～4倍。

5 结论

本文结合输电塔线的结构特点和输电导线覆冰厚度的计算模型,实现了光纤监测参量的优化选取。收集整理云南电网某110 kV输电线路主要覆冰期(2015年12月18日至2016年2月17日)的监测数据,并与人工观冰结果进行对比验证。结果表明,基于光纤传感的输电线路覆冰监测方法可用来监测导线的等效覆冰厚度,为直流融冰等除冰过程提供数据支撑,以保障电网的安全稳定运行。