基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法.pdf

本发明公开的基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，其方法为：在杆塔与绝缘子低压侧连接处安装上传感器单元，在相邻两杆塔之间的导线正前方设置双目摄像机，在杆塔侧安装输电线路综合在线监测装置，建立相邻两杆塔之间的覆冰导线模型；在导线上均匀施加集中载荷模拟导线覆冰，根据架空线选点不等高模型的悬链方程和力矩平衡原理计算得到施加于导线上的集中载荷的大小；用同等重量的重物来等效替代所得到的载荷，将同等重量的重物通过磁铁吸合装置均匀施加于导线上，通过控制磁铁吸合装置内磁铁的吸合来模拟导线脱冰的过程。本发明输电线路模拟脱冰方法能预防因输电线路脱冰而造成的架空线路跳跃、舞动、振动及由于金具和绝缘子破损而引发的事故。

1.  基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、预先在杆塔与绝缘子低压侧连接处安装上传感器单元，在相邻两杆塔(1)之间的导线(2)正前方设置双目摄像机(4)，在杆塔侧安装输电线路综合在线监测装置(5)，建立相邻两杆塔(1)之间的覆冰导线模型；
步骤2、经步骤1后，在相邻两杆塔(1)之间的导线(2)上均匀施加集中载荷，用于模拟导线覆冰，根据架空线选点不等高模型的悬链方程和力矩平衡原理进行计算，得到施加于导线(2)上的集中载荷的大小；
步骤3、经步骤2获得施加于导线(2)上集中载荷的大小后，用具有同等重量的重物来等效替代所得到的载荷，再将同等重量的重物通过磁铁吸合装置(7)均匀施加于导线(2)上，最后通过控制磁铁吸合装置(7)内磁铁的吸合来模拟导线脱冰的过程。

2.  根据权利要求1所述的基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、预先在杆塔(1)与绝缘子低压侧连接处安装拉力传感器及倾角传感器，在相邻两杆塔(1)之间导线(2)的正前方设置双目摄像机(4)，并设定弧垂最低点为特征点；
步骤1.2、经步骤1.1，由拉力传感器获得模拟导线脱冰时导线拉 力，由倾角传感器获得模拟导线脱冰时倾角大小的变化，由双目摄像机(4)获得导线脱冰前、后的视频图像；
步骤1.3、经步骤1.2后，由拉力传感器、倾角传感器和双目摄像机(4)分别通过485总线、以太网将获取的拉力、倾角和视频图像数据传送到杆塔(1)侧安装的输电线路综合在线监测装置(5)，再由输电线路综合在线监测装置(5)将拉力、倾角和视频图像数据传输到监测中心；
步骤1.4、将相邻两杆塔(1)之间的导线(2)分成N等分，并设定导线(2)上均匀覆冰。

3.  根据权利要求1所述的基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下方法实施：
步骤2.1、以导线(2)左侧悬挂点A为坐标原点，建立二维坐标系，设点K₁、K₂……K_i、K_N-1将导线(2)沿长度方向均分为N份，集中载荷Fi+1作用于第i份导线段K_i-1～K_i中点位置K_i^’；
将导线(2)的两端A、B作为两个悬挂点；γ为沿导线长度方向作用均布载荷；σA为A点受到的应力，σ₀为A点受到的水平应力，σγA为A点受到的垂直应力；两个悬挂点A、B之间的水平档距为l，两个悬挂点A、B之间竖直方向上垂直距离为h；两个悬挂点A、B到导线(2)最低点O之间水平距离分别为a、b；x为所加集中载荷中点位置K_i’到导线(2)左侧A点的水平距离；
悬点不等高时架空线悬链线方程具体如下：


将x＝l时y＝h的边界条件代入，则得到如下算法：

通过对悬链线方程求导得到如下算法：

基于导线微长度的计算公式：
利用导线微长度计算公式对进行积分，得到导线(2)上任意一点距离左侧悬挂点间的线长的算法，其算法具体如下：

设定x₁、x₂...x_i...x_N-1将导线2等分为N段，x′₁、x′₂...x′_i...x′_N分别为每一段导线中点到A点的位置坐标，继续实施如下算法：


则通过计算得到第i段导线左侧端点x_i和中点x′_i到A点的水平距离为：


步骤2.2、设定导线(2)上的冰层分布载荷为q_ice，F_i+1为导线(2)上所加集中载荷的大小，并且导线(2)上各段分布载荷对左侧悬挂点形成的力矩与各段中点等效集中载荷力矩等效，则得到：

其中，k＝0,1,2...i...N-1，x₀＝0；且当x＝0时，力矩为0，则得到：

得到：


4.  根据权利要求1所述的基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、如图3所示，用具有同等重量的重物来等效替代经步骤3计算得到的集中载荷的大小；
步骤3.2、先将步骤3.1中的重物通过磁铁吸合装置(7)均匀吸附于导线(2)上，然后通过控制磁铁吸合装置(7)内磁铁的吸合来 模拟导线脱冰的过程。

基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法
技术领域
本发明属于输电线路监测方法技术领域，涉及一种基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法。
背景技术
输电线路作为电力系统的大动脉，在电力系统中占据着非常重要的地位。然而由于输电线路长期曝露于室外，在严寒的冬季，常常会由于冰灾引发各种事故，导致电网的瘫痪，给人们的生活造成极大的不便。
在我国的某些地区，冬季气温非常的低，加之常常会出现持续冰冻雨雪天气，使得处于室外的输电线路会因为覆冰而造成线路跳闸、断线、倒塔、导线舞动、金具及绝缘子损坏等事故，从而影响到电力的供给。研究覆冰线路脱冰时导线受力变化规律，对于输电线路的合理设计以及输电线路安全运行的可靠性和经济性具有指导性意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，以相邻杆塔之间覆冰导线为研究对象，通过对导线均匀施加集中载荷模拟覆冰线路，根据架空线悬点不等高模型的悬链线方程和力矩平衡原理得到均匀施加在导线上的集中载荷大小。
本发明所采用的技术方案是，基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、预先在杆塔与绝缘子低压侧连接处安装上传感器单元，在相邻两杆塔之间的导线正前方设置双目摄像机，在杆塔侧安装输电线路综合在线监测装置，建立相邻两杆塔之间的覆冰导线模型；
步骤2、经步骤1后，在相邻两杆塔之间的导线上均匀施加集中载荷，用于模拟导线覆冰，根据架空线选点不等高模型的悬链方程和力矩平衡原理进行计算，得到施加于导线上的集中载荷的大小；
步骤3、经步骤2获得施加于导线上集中载荷的大小后，用具有同等重量的重物来等效替代所得到的载荷，再将同等重量的重物通过磁铁吸合装置均匀施加于导线上，最后通过控制磁铁吸合装置内磁铁的吸合来模拟导线脱冰的过程。
本发明的特点还在于：
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、预先在杆塔与绝缘子低压侧连接处安装拉力传感器及倾角传感器，在相邻两杆塔之间导线的正前方设置双目摄像机，并设定弧垂最低点为特征点；
步骤1.2、经步骤1.1，由拉力传感器获得模拟导线脱冰时导线拉力，由倾角传感器获得模拟导线脱冰时倾角大小的变化，由双目摄像机获得导线脱冰前、后的视频图像；
步骤1.3、经步骤1.2后，由拉力传感器、倾角传感器和双目摄像机分别通过485总线、以太网将获取的拉力、倾角和视频图像数据 传送到杆塔侧安装的输电线路综合在线监测装置，再由输电线路综合在线监测装置将拉力、倾角和视频图像数据传输到监测中心；
步骤1.4、将相邻两杆塔之间的导线分成N等分，并设定导线上均匀覆冰。
步骤2具体按照以下方法实施：
步骤2.1、以导线左侧悬挂点A为坐标原点，建立二维坐标系，设点K₁、K₂……K_i、K_N-1将导线沿长度方向均分为N份，集中载荷F_i+1作用于第i份导线段K_i-1～K_i中点位置K_i’；
将导线的两端A、B作为两个悬挂点；γ为沿导线长度方向作用均布载荷；σA为A点受到的应力，σ₀为A点受到的水平应力，σγA为A点受到的垂直应力；两个悬挂点A、B之间的水平档距为l，两个悬挂点A、B之间竖直方向上垂直距离为h；两个悬挂点A、B到导线最低点O之间水平距离分别为a、b；x为所加集中载荷中点位置K_i’到导线左侧A点的水平距离；
悬点不等高时架空线悬链线方程具体如下：
y=σ0γ[chγ(x-a)σ0-chγaσ0]---(1);]]>
=2σ0γshγx2σ0shγ(x-2a)2σ0---(2);]]>
将x＝l时y＝h的边界条件代入，则得到如下算法：
a=l2-σ0γarcshh2σ0γshγl2σ0---(3);]]>
通过对悬链线方程求导得到如下算法：
dydx=shγ(x-a)σ0---(4);]]>
基于导线微长度的计算公式：
利用导线微长度计算公式对进行积分，得到导线上任意一点距离左侧悬挂点间的线长的算法，其算法具体如下：
Lx=σ0γ[shγ(x-a)σ0+shγaσ0]=2σ0γshγx2σ0chγ(x-2a)2σ0---(6);]]>
设定x₁、x₂...x_i...x_N-1将导线2等分为N段，x₁′、x₂′...x_i′...x′_N分别为每一段导线中点到A点的位置坐标，继续实施如下算法：
iLxN=σ0γ[shγ(xi-a)σ0+shγaσ0]k=1,3,...i...N-1---(7);]]>
(i-1)LxN+Lx2N=σ0γ[shγ(xi′-a)σ0+shγaσ0]k=1,2...i...N---(8);]]>
则通过计算得到第i段导线左侧端点x_i和中点x_i'到A点的水平距离为：
xi=a+σ0γarcsh(iγLxσ0N-shγaσ0)k=1,2...i...N-1---(9);]]>
xi′=a+σ0γarcsh[γσ02(i-1)Lx+Lx2N)-shγaσ0]k=1,2...i...N---(10);]]>
步骤2.2、设定导线上的冰层分布载荷为q_ice，F_i+1为导线上所加集中载荷的大小，并且导线上各段分布载荷对左侧悬挂点形成的力矩与各段中点等效集中载荷力矩等效，则得到：
xi+1′Fi+1=∫xixi+1(Lx+dx-Lx)dxqicexdx=∫xixi+1dLdxqicexdx=∫xixi+1qicexchγ(x-a)σ0dx=qiceσ0γ∫xixi+1xdshγ(x-a)σ0=qiceσ0γ[xshγ(x-a)σ0-∫shγ(x-a)σ0dx]xixi+1=qiceσ0γ[xshγ(x-a)σ0-σ0γchγ(x-a)σ0+C]xixi+1---(11);]]>
其中，k＝0,1,2...i...N-1，x₀＝0；且当x＝0时，力矩为0，则得到：
C=σ0γchγaσ0---(12);]]>
得到：
Fi+1=qiceσ0γ[xshγ(x-a)σ0-σ0γchγ(x-a)σ0+σ0γchγaσ0]xixi+1/xi+1′.]]>
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、用具有同等重量的重物来等效替代经步骤3计算得到的集中载荷的大小；
步骤3.2、先将步骤3.1中的重物通过磁铁吸合装置均匀吸附于导线上，然后通过控制磁铁吸合装置内磁铁的吸合来模拟导线脱冰的过程。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法中，采用对相邻杆塔之间的导线均匀施加集中载荷来模拟导线的覆冰情况，更加接近于真实的覆冰线路脱冰过程。
(2)本发明基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，根据已有架空线悬点不等高模型的悬链线方程和力矩平衡原理，能够较为准确的计算出均匀加载于导线上的集中载荷大小；再通过模拟导线脱冰的方法来研究输电线路脱冰过程中导线受力的变化及导线脱冰前、后跳跃高度变化规律；在模拟脱冰的过程中用具有同等重量的重物来等效替代所求出的集中载荷大小，并将重物通过磁铁装置均匀加载在导线上，最后通过控制磁铁吸合来模拟导线脱冰的过程。
(3)本发明基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，充分利用了架空线悬点不等高模型的悬链线方程和力矩平衡原理，巧妙地推算出加载在导线上的集中载荷大小，并通过提前安装在杆塔与绝缘子低压侧相连接处的拉力传感器、倾角传感器和安装于相邻杆塔之间导线正前方的双目摄像机就可以获得模拟导线脱冰时导线拉力、倾角大小的变化以及导线脱冰前、后的视频图像，克服了现有输电线路模拟脱冰方法的诸多不足。
附图说明
图1是本发明基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法中相邻杆塔之间覆冰导线的模型图；
图2是本发明基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法中在相邻杆塔之间导线均匀施加集中载荷时的导线受力分析示意图；
图3是本发明基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法中等效替代集中载荷并模拟覆冰导线脱冰过程的示意图。
图中，1.杆塔，2.导线，3.覆冰，4.双目摄像机，5.输电线路综合 在线监测装置，6.传感器单元，7.磁铁吸合装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、预先在杆塔1与绝缘子低压侧连接处安装上传感器单元，在相邻两杆塔1之间的导线2正前方设置双目摄像机4，在杆塔1侧安装输电线路综合在线监测装置5，建立相邻两杆塔1之间的覆冰导线模型，具体方法如下：
其中，传感器单元由拉力传感器及倾角传感器组成；
步骤1.1、预先在杆塔1与绝缘子低压侧连接处安装拉力传感器及倾角传感器，在相邻两杆塔1之间导线2的正前方设置双目摄像机4，并设定弧垂最低点为特征点；
步骤1.2、经步骤1.1，由拉力传感器获得模拟导线脱冰时导线拉力，由倾角传感器获得模拟导线脱冰时倾角大小的变化，由双目摄像机4获得导线脱冰前、后的视频图像；
步骤1.3、经步骤1.2后，由拉力传感器、倾角传感器和双目摄像机4分别通过485总线、以太网将获取的拉力、倾角和视频图像数据传送到杆塔1侧安装的输电线路综合在线监测装置5，再由输电线路综合在线监测装置5将拉力、倾角和视频图像数据传输到监测中心；
步骤1.4、如图1所示，将相邻两杆塔1之间的导线2分成N等 分，并设定导线2上均匀覆冰。
步骤2、经步骤1后，在相邻两杆塔1之间的导线2上均匀施加集中载荷，用于模拟导线覆冰，根据架空线选点不等高模型的悬链方程和力矩平衡原理进行计算，得到施加于导线2上的集中载荷的大小，具体按照如下方法实施：
计算推导均匀施加在导线上集中载荷的原理是根据架空线选点不等高模型的悬链方程和力矩平衡原理，由于集中载荷是模拟输电线路覆冰、脱冰力学实验方法的重要载体，所以集中载荷的数量以及施加的位置都会对导线的力学特性存在一定的影响，具体如下方法为：
步骤2.1、如图2所示，以导线2左侧悬挂点A为坐标原点，建立二维坐标系，设点K₁、K₂……K_i、K_N-1将导线2沿长度方向均分为N份，集中载荷F_i+1作用于第i份导线段K_i-1～K_i中点位置K_i’；
将导线2的两端A、B作为两个悬挂点；γ为沿导线长度方向作用均布载荷；σA为A点受到的应力，σ₀为A点受到的水平应力，σγA为A点受到的垂直应力；两个悬挂点A、B之间的水平档距为l，两个悬挂点A、B之间竖直方向上垂直距离为h；两个悬挂点A、B到导线2最低点O之间水平距离分别为a、b；x为所加集中载荷中点位置K_i’到导线2左侧A点的水平距离；
悬点不等高时架空线悬链线方程具体如下：
y=σ0γ[chγ(x-a)σ0-chγaσ0]---(1);]]>
=2σ0γshγx2σ0shγ(x-2a)2σ0---(2);]]>
将x＝l时y＝h的边界条件代入，则得到如下算法：
a=l2-σ0γarcshh2σ0γshγl2σ0---(3);]]>
通过对悬链线方程求导得到如下算法：
dydx=shγ(x-a)σ0---(4);]]>
基于导线微长度的计算公式：
利用导线微长度计算公式对式(5)进行积分，得到导线2上任意一点距离左侧悬挂点(A点)间的线长的算法，其算法具体如下：
Lx=σ0γ[shγ(x-a)σ0+shγaσ0]=2σ0γshγx2σ0chγ(x-2a)2σ0---(6);]]>
设定x₁、x₂...x_i...x_N-1将导线2等分为N段，x₁′、x₂′...x_i′...x′_N分别为每一段导线中点到A点的位置坐标，继续实施如下算法：
iLxN=σ0γ[shγ(xi-a)σ0+shγaσ0]k=1,3,...i...N-1---(7);]]>
(i-1)LxN+Lx2N=σ0γ[shγ(xi′-a)σ0+shγaσ0]k=1,2...i...N---(8);]]>
则通过计算得到第i段导线左侧端点x_i和中点x_i'到A点的水平距离为：
xi=a+σ0γarcsh(iγLxσ0N-shγaσ0)k=1,2...i...N-1---(9);]]>
xi′=a+σ0γarcsh[γσ02(i-1)Lx+Lx2N)-shγaσ0]k=1,2...i...N---(10);]]>
步骤2.2、设定导线2上的冰层分布载荷为q_ice，F_i+1为导线2上 所加集中载荷的大小，并且导线2上各段分布载荷对左侧悬挂点(A点)形成的力矩与各段中点等效集中载荷力矩等效，则得到：
xi+1′Fi+1=∫xixi+1(Lx+dx-Lx)dxqicexdx=∫xixi+1dLdxqicexdx=∫xixi+1qicexchγ(x-a)σ0dx=qiceσ0γ∫xixi+1xdshγ(x-a)σ0=qiceσ0γ[xshγ(x-a)σ0-∫shγ(x-a)σ0dx]xixi+1=qiceσ0γ[xshγ(x-a)σ0-σ0γchγ(x-a)σ0+C]xixi+1---(11);]]>
其中，k＝0,1,2...i...N-1，x₀＝0；且当x＝0时，力矩为0，则得到：
C=σ0γchγaσ0---(12);]]>
得到：
Fi+1=qiceσ0γ[xshγ(x-a)σ0-σ0γchγ(x-a)σ0+σ0γchγaσ0]xixi+1/xi+1′.]]>
步骤3、经步骤2获得施加于导线2上集中载荷的大小后，用具有同等重量的重物来等效替代所得到的载荷，再将同等重量的重物通过磁铁吸合装置7均匀施加于导线2上，最后通过控制磁铁吸合装置7内磁铁的吸合来模拟导线脱冰的过程，具体方法如下：
步骤3.1、如图3所示，用具有同等重量的重物来等效替代经步骤3计算得到的集中载荷的大小；
步骤3.2、先将步骤3.1中的重物通过磁铁吸合装置7均匀吸附于导线2上，然后通过控制磁铁吸合装置7内磁铁的吸合来模拟导线 脱冰的过程。 
本发明基于集中载荷的输电线路模拟脱冰方法，首先通过对输电线路施加集中载荷来模拟覆冰导线，并根据架空线悬点不等高模型的悬链线方程和力矩平衡原理推导计算出所加集中载荷的大小；然后用具有同等重量的重物来等效替代所求出集中载荷的大小，并将重物通过磁铁吸合装置7均匀加载在导线2上，最后通过控制磁铁吸合来模拟导线脱冰的过程。整个过程中，首先通过提前安装在杆塔与绝缘子低压侧相连接处的拉力传感器、倾角传感器和安装于相邻杆塔之间导线正前方的双目摄像机4就可以获得模拟导线脱冰时导线拉力、倾角大小的变化以及导线脱冰前后的视频图像，然后拉力、倾角传感器和双目摄像机分别通过485总线和以太网将拉力倾角和视频图像数据传送到杆塔侧输电线路综合在线监测装置，再由输电线路综合在线监测装置将数据传输到监测中心；监测中心通过对拉力倾角和双目摄像机传输的视频图像数据处理和存储就可以得到覆冰线路模拟脱冰过程中导线受力的变化以及导线脱冰前后跳跃高度、弧垂等变化规律并通过专家软件界面显示出来。所以这种基于集中载荷的输电线路模拟脱冰试验方法对于输电线路分析设计以及线路安全运行的可靠性和经济性具有指导性意义。