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1、华北电力大学（北京）硕士学位论文高压输电线路运行状态监测技术方法研究姓名：韩立章申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：刘连光20080101华北电力大学硕士学位论文摘要输电线路的运行状态关系到电网运行的效率和安全。本文在阐述了架空输电线路状态监测的研究现状和亟待解决的问题后，在实现输电线路动态增容功能的基础上，提出了对线路状态参量监测的具体方法和解决方案；根据方案的功能要求，完成了输电线路状态监测系统前端装置的硬件结构及电路设计，并结合监测硬件装置所处的工作环境，提出了一种新的基于G P R S 和短距离无线传输相结合的数据无线接力的传输技术，解决了监测系统的数据传输问题；论文完
2、成了监测终端应用软件的初步设计，并对监测系统的实现技术和可靠性等问题进行了分析。关键词：输电线路，状态监测，动态增容，无线数据传输A B S T R A C TT h et r a n s m i s s i o nl i n e So p e r a t i n gs t a t e sa r eo fv i t a li m p o r t a n c et ot h ep o w e r 鲥d，so p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n ds a f e t y A f t e ri n t r o d u c i n gt h ep r e s e
3、 n ts i t u a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e so p e r a t i n gs t a t e sm o n i t o r i n ga n dt h ep r o b l e m st ob es o l v e d，a n db a s e do nr e a l i z a t i o no fd y n a m i cc u r r e n t r a t i n g si n c r e a s i n g,t h i sp a p e rp r e s e n t st h es p e c i f i cm
4、e t h o d sa n ds o l u t i o n so nt r a n s m i s s i o nl i n e so I m m t i n gc h a r a c t e r sm o n i t o r i n g A c c o r d i n gt ot h es c h e m e sf u n c t i o nd e m a n d，t h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dc i r c u i td e s i g n sa r ea c c o m p l i s h e d,a n di na s s o
5、c i a t e dw i t ht h ed e v i c e sw o r k i n gc o n d i t i o n,an e wt e c h n i q u eb a s e do nG P R Sa n ds h o r t-d i s t a n c ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ni sa d v a n c e dw h i c he f f e c t i v e l ys o l v e dt h ed a t at r a n s m i s s i o np r o b l e m F i n a l l y,t
6、 h em o n i t o r i n gt e r m i n a l ss o f t w a r ep a r ti sp r e l i m i n a r i l yl a y o u ta n dt h es y s t e m sr e a l i z a t i o nt e c h n i q u e&r e l i a b i l i t ya r ep r o p o s e d H a nL i z h a n g(P o w e rS y s t e ma n dA u t o m a t i o n)D i r e c t e db yP r o f L i u
7、L i a n g u a n gK E YW O R D S：t r a n s m i s s i o nl i n e，o p e r a t i n gs t a t e sm o n i t o r i n g，d y n a m i cc u r r e n t-r a t i n g si n c r e a s i n g，w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n华北电力大学硕士学位论文摘要输电线路的运行状态关系到电网运行的效率和安全。本文在阐述了架空输电线路状态监测的研究现状和亟待解决的问题后，在实现输电线路动态增容功能的基础
8、上，提出了对线路状态参量监测的具体方法和解决方案；根据方案的功能要求，完成了输电线路状态监测系统前端装置的硬件结构及电路设计，并结合监测硬件装置所处的工作环境，提出了一种新的基于G P R S 和短距离无线传输相结合的数据无线接力的传输技术，解决了监测系统的数据传输问题；论文完成了监测终端应用软件的初步设计，并对监测系统的实现技术和可靠性等问题进行了分析。关键词：输电线路，状态监测，动态增容，无线数据传输A B S T R A C TT h et r a n s m i s s i o nl i n e So p e r a t i n gs t a t e sa r eo fv i t a
9、li m p o r t a n c et ot h ep o w e r 鲥d，so p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n ds a f e t y A f t e ri n t r o d u c i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e so p e r a t i n gs t a t e sm o n i t o r i n ga n dt h ep r o b l e m st ob es o l v e d，a n db a s e do
10、 nr e a l i z a t i o no fd y n a m i cc u r r e n t r a t i n g si n c r e a s i n g,t h i sp a p e rp r e s e n t st h es p e c i f i cm e t h o d sa n ds o l u t i o n so nt r a n s m i s s i o nl i n e so I m m t i n gc h a r a c t e r sm o n i t o r i n g A c c o r d i n gt ot h es c h e m e sf
11、 u n c t i o nd e m a n d，t h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dc i r c u i td e s i g n sa r ea c c o m p l i s h e d,a n di na s s o c i a t e dw i t ht h ed e v i c e sw o r k i n gc o n d i t i o n,an e wt e c h n i q u eb a s e do nG P R Sa n ds h o r t-d i s t a n c ew i r e l e s st r a n
12、 s m i s s i o ni sa d v a n c e dw h i c he f f e c t i v e l ys o l v e dt h ed a t at r a n s m i s s i o np r o b l e m F i n a l l y,t h em o n i t o r i n gt e r m i n a l ss o f t w a r ep a r ti sp r e l i m i n a r i l yl a y o u ta n dt h es y s t e m sr e a l i z a t i o nt e c h n i q u
13、e&r e l i a b i l i t ya r ep r o p o s e d H a nL i z h a n g(P o w e rS y s t e ma n dA u t o m a t i o n)D i r e c t e db yP r o f L i uL i a n g u a n gK E YW O R D S：t r a n s m i s s i o nl i n e，o p e r a t i n gs t a t e sm o n i t o r i n g，d y n a m i cc u r r e n t-r a t i n g si n c r e
14、a s i n g，w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o np 士=l明明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压输电线路运行状态监测技术方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：日期：关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关
15、保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件j 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)作者签名：日期：砍乡魂一；匀名智。导师签名：日华北电力大学硕士学位论文1 1 本课题的提出第一章引言近年，我国国民经济快速增长，对电力的需求量也呈急剧增加趋势。我国煤炭、水力一次资源分布极其不均衡，决定了能源主要靠电网传输，作为电网中极其重要的组成部分，输电线路的运行安全
16、性和可靠性越来越受到电力系统运行、管理和科研人员的关注。目前，随着我国输电线路总长度和传输容量的不断增长，对线路巡视、检修等运行管理的难度也越来越大，即使在特定条件下的检测也需要大量的人力物力，难以获得及时数据。在这种情况下，急需提高输电线路运行管理的自动化水平。输电线路传输能力取决于稳定极限。设计时，其热容等级是一种静态的、保守的数值：钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度采用+7 0(大跨越可采用+9 0)；环境气温应采用最高气温月的最高平均气温；风速应采用0 5 m s(大跨越可采用0 6 m s)；太阳辐射功率密度应采用0 1 W c m 2；与世界各国相比，我国的规定最为严格。运行经验
17、表明，在绝大多数情况下允许容量超出一些，不会造成设备故障和系统损坏1 1 捌。因此，在确保系统稳定、设备安全的前提下，对线路及运行环境进行实时监测和分析，及时调整输电线路的热稳定限额，可最大限度地发挥输电线路的传输能力，减少设备的投资，对满足社会经济快速增长有着积极的作用。高压输电线路基本都采用架空线路，由于架设在空中，要承受自重、风力、冰雪等机械力的作用和空气中有害气体的侵蚀，同时还受温度变化的影响，运行条件恶劣。在冬季，导线覆冰及同时诱发的风舞(振动)等都可能造成对杆塔、导线、金具及部件的损害，造成线路频繁跳闸与停电，对输电线路安全运行的危害很大，造成重大的经济损失和社会影响。我国是输电线
18、路覆冰严重的地区之一，线路发生冰害事故的概率居世界前列f 3-4 1。仅2 0 0 5 年春节期间，在湖南、湖北以及重庆等地区，由于连日持续大范围雨雪天气，出现了5 0 年来罕见的冰灾，输电线路大面积覆冰，导致一些输电铁塔不堪重负而倒塔断线，使电力设施遭到毁灭性破坏，1 7 条供电线路陷于瘫痪，影响人们的生活和生产长达一个多月，损失难以估量【5 J。综上所述，输电线路的运行状态关系到电网的运行安全。及时发现和掌握输电线导线的温度、覆冰、气象环境等情况，对提高输电线负载能力、防止电网事故的发生具有重要意义。基于以上原因，本文提出了研究线路运行状态监测系统，通过对输电线路各种状态量的测量和报告，将
19、数据传送到后台专家系统进行分析与决策，能准确反映出输电线路当前的各种状态，使电力系统的运行、管理人员把握输电线路运行的情况，减少维护和检修的工作量，帮助运行人员进行决策和安全评价。华北电力大学硕士学位论文1 2 国内外线路状态监测技术研究现状国外对动态增容技术的研究较早，确定实时限额的方法有：1、由环境温度调节限额；2、白天夜晚(日照能量)调节限额；3、风速和导线温度调节限额；4、耐张段应力调节限额。这些方法都是利用热模型计算载流量，主流算法有：I E E ES t d7 3 8-1 9 9 3的计算裸架空导线电流和温度关系的标准、国际大电网会议(C I G R E)E L T1 4 4 线路
20、工作组报告架空导线的热性能提供的算法以及英国的摩尔根公式：由于摩尔根公式考虑的因素较多，并有实验基础，故有较多采用【6】。1 9 9 3 年，美国电力研究协会(E P R I)开发出一种D T C R 系统，提供多个计算模块，包括根据气象条件和导线温度来计算最大可传输容量的热模型，此系统已广泛运用并得到不断改进。还有一种是根据导线温度的改变和弧垂变化之间的关系来提高传输容量。此外，还有利用弧垂与导线温度之间关系来提高输送容量并采用概率分析等对输电线热容等级进行研究的方法 7-9 1。国内，华东电力试验研究院、浙江省电力公司、上海交通大学等单位对输电线路动态增容监测系统的原理、导线监测装置安装位
21、置、安全判据等进行过一些研究。广东电网公司对输电线路在线监测系统的结构，功能进行了分析，提出了实施建议。华北电力大学针对监测装置的电源供电部分进行过研究。杭州雷鸟、上海涌能等公司研制出的动态增容系统相关装置，已在华东电网公司的5 0 0 k V 和2 2 0 k V 线路上投入运行，。分析表明增容改造节省投资效果显著1 1 毗2 1。对于导线弧垂的测量，目前主要是通过对导线张力、悬挂点倾斜角以及导线温度进行测量等方法来计算得到。技术应用上也有相关的产品。主要是：1 美国T h eV a l l e yG r o u pI n c 公司的通过测量导线应力计算弧垂的实时监测装置C A T-1，它主
22、要由应力传感器、太阳能电源和控制部分、系统软件3 部分组成，能实时测量铁塔两侧耐张段的导线应力，通过系统软件的分析，实现从应力计算弧垂和导线温度等功能；2 美国U S I 公司的产品架空线监测系统P O W E RD O N U T 2，可以测量导线电流、电压、弧垂和倾角，利用中心处理软件对导线悬挂点倾角计算得到实时弧垂；3 美国E D MI n t e r n a t i o n a lI n c 公司生产的S a g o m e t e r，它是一种通过高精度图像分辨来测量弧垂的装置，由照相机、目标靶和软件部分组成，照相机固定安装在杆塔上，对准固定悬挂在导线上的标靶，通过正确分辨所摄取图像
23、中标靶的X，Y 坐标值，计算出线路弧垂【l 引。在覆冰监测方面，国内外理论较多，但由于各种载荷计算模型、覆冰理论尚不完善，验证手段落后以及气象部门对导线、绝缘子覆冰观测少、观测资料代表性差，对研究者提出的理论模型验证作用不明显，所以相关监测产品所见甚少，主要是以气象站监测的方式来掌握覆冰情况。西安交通大学提出一种输电线路覆冰监测技术I l 引，通过在导线与杆塔之间安装拉力传感器测量导线的张力，求得覆冰重量，进而计算出覆冰的厚度。对野外、偏远地区线路巡视以及对线路危险点监测，利用无线图像监控技术可实现华北电力大学硕士学位论文输电线路及周边环境情况的全方位掌握。图像监控的特点是直观、方便、信息内容
24、丰富，其发展主要经历了三个阶段：本地模拟图像监控、基于P C 的多媒体监控和基于嵌入式系统的数字图像监控技术，将来发展方向是基于W e b 服务器的无线监控。目前，电子芯片、传感器技术以及无线通信网络等技术发展迅速，图像处理、压缩等技术已日趋成熟，在电力系统中的无人值守变电站的遥视、设备和危险点现场监控预警等领域得到了大量应用I l 列。图像监控系统多采用C C D 或C M O S 图像传感器获取现场画面，经过处理电路对图片压缩、编码，经G P R S C D M A 网络发送至主站后解压缩，得到现场图片。综上所述，国内外对输电线路状态监测已有一些研究，但这些监测系统的功能比较简单、单一，大
25、都是对单个设施或监测量的监测，并没有实现导线温度、覆冰、运行状态的综合监测：因此，本文的研究工作具有学术意义和实用价值。1 3 本论文的工作在阅读大量文献并参考国内外的相关监测技术之后，根据线路部门对输电线路状态在线监测系统的要求，本文设计了一种经济、切实有效的综合在线监测系统，系统借助G P R S 无线通信等技术实现对输电线路多种状态量的综合监测。主要工作如下：(1)阐述了国内外输电线路在线监测系统的研究现状，分析了输电线路运行中的各关键参数，提出选取线路温度、气象环境、弧垂、导线张力、线路图像等参数作为系统的监控对象，实现输电线路动态增容和输电线路运行状态的监测。(2)对监测系统硬件、软
26、件整体方案进行了设计和研究，就状态监测系统整体构架和数据采集部分主要硬件实现作了详细的介绍，阐述了相应功能的硬件实现方法，包括微处理器系统、数据采集存储和传输部分以及装置供电部分。(3)针对系统野外工作的特点，硬件设计选用高性能1 6 位微控制器和先进的模块化设计，模块化设计不仅可加快了设计的速度，同时，也方便系统的分析和维护，增加了系统配置的灵活性，有效地避免了器件间的相互干扰，降低了整体系统的风险性。(4)针对线路多分布在野外及偏远地区等特点，系统采用了G P R S 无线传输技术进行数据传输。目前中国移动的G P R S 网络已经覆盖绝大多数地区，采用这种方式没有距离限制，使用灵活、方便
27、，通讯时间短，数据完整性好，通讯费用低。另外，在监控数据之间的交换中采用了短距离无线传输技术，简化了系统结构，降低系统的成本。(5)由于现场系统安装在高压铁塔上，系统的安全可靠性非常重要。文中最后从理论上分析了整个系统可能受干扰的情况，从硬件、软件设计上提出了一些抗干扰措施。华北电力大学硕士学位论文第二章输电线路状态监测系统监测方法2 1 输电线路动态增容技术2 1 1 动态增容的含义目前，在我国运用的提高现有输电线路输送容量的办法有两种，一是静态提温增容技术，二是动态监测增容技术。静态提温增容技术是突破现行技术规程的规定，将导线的允许温度由现行规定的7 0 适当地提高，从而加大线路的输送容量
28、。静态提温增容技术由于突破了现行技术规程的规定，因此必须考虑提高导线允许温度后，导线线损、弧垂、配套金具的机械强度和寿命等影响【1 6 1。载流量A允许温度乙=0 t,=l O t 口=2 0 t 口=3 0 t 口=4 0 7 01 0 3 99 5 08 4 97 3 15 8 3表2 1L G J-4 0 0 3 5 在不同环境温度和导线允许温度下的载流量动态监测增容技术就是在不突破现行技术规程规定(导线温度限额)的前提下，通过安装在线监测装置，对导线运行状态(导线温度、电流等)和气象条件(环境温度、风速、风向、日照等)进行实时监测，充分利用线路客观存在的隐性容量，提高输电线路的输送能力
29、。其优点是现行运行规程不变，线路运行安全性不变。根据我国(1 1 0-5 0 0 k V 架空送电线路设计技术规程，输电线路在设计、架设时，热容等级往往是以最恶劣的气象条件为基础而给出的一个保守的静态热容极限值【r 刀。例如，计算导线允许载流量时，导线的允许温度为：钢芯铝绞线、钢芯铝合金绞线可采用+7 0(大跨越可采用+9 0)；环境气温应采用最高气温月的最高平均气温；风速应采用O 5m s(大跨越采用0 6 m s)；日照强度应采用0 1W c m 2。但事实上，这样恶劣的气象条件很少发生，这就造成了在绝大多数情况下，无法真正高效地利用输电线路的传输潜力。鉴于以上原因，本文引入动态热容量的概
30、念。所谓动态热容量是指在输电线路运行的实际气象环境中，导线温度达到允许温度(+7 0)时导线的载流量值。通过实时监测输电线路附近的气象环境，我们可以得到输电线路实时的允许载流量值。图2 1 显示了某条线路的负荷概率分布及热容等级概率分布情况：华北电力大学硕士学位论文U W3 嘲野0 O 0 1 5 0 0 载流量，A图2 1 输电线路的载流量概率分布由图2。1 可见，输电线的实际负荷比静态传输容量等级小，并且在绝大多数情况下，动态传输容量等级要比静态等级大。因此，线路的传输容量有很大的潜力可以挖掘，同时，动态传输容量等级的变化范围较大，这是因为动态传输容量等级对周围气象因素尤其是风速较为敏感。
31、2 1 2 输电线路允许载流量的计算在输电线路实际运行中，通常根据热平衡方程计算导线载流量，当导体通过电流时，其内部产生的热量一部分使导体本身温度升高，另一部分散失到周围介质中去，它们之间呈动态分配，直至导体发热过渡到稳态时，导体发热温度达到稳态温升。导体稳态热平衡方程如下：Q c+Q，=Q s+I2 R(t)(2 1)上述动态变化过程可以用热平衡方程描述如下：们二等+Q c+Q，-1 2 尺(t)+Q(2 2)式中：Q c 一导线的对流散热，W m；Q r 一导线的辐射散热，W m；幺一导线的日照吸热，W m；，一导线电流值，A；R f，删一温度瓦时导线的交流电阻，Q m；M一单位长度导线的
32、质量，k g m；G一导线综合热容系数，J(k g)。上述Q pQ r 和么的计算公式有很多，日本、前苏联、美国、英国和法国等国都有不华北电力大学硕士学位论文同的方法，其中，英国摩尔根公式考虑的影响载流量因素较多，并具有一定的实验基础，不过计算比较复杂。式(2 3)是我国现行标准中采用的对其简化后的导线载流量计算公式(适用于雷诺系数为1 0 0 -3 0 0 0，环境温度为4 0，风速0 5 m s，导线温度不超过1 2 0，直径4 2 m m,-一l O O m m)。lt=(2-3)其中：彳甲巴妨【(舛乙+2 7 3)4 一心+2 7 3)4】式中：五一导线载流量，A；D 一导线外径，m；
33、e 一辐射系数，光亮新线为0 2 3 0 4 6，发黑旧线为0 9 0 9 5；口一导线载流时温升，；y 一风速，m s：a，一导线吸热系数，光亮新线为0 2 3 0 4 6，发黑旧线为0 9 加9 5；厶一日照强度，W m 2；S S t e f a n s 系数，取5 6 7 x 1 0-8W m 2：毛一环境温度，；R f 一导线温度为舢乞时交流电阻，Q。1)日照强度的估算：我国推荐的日照强度计算值为1 0 0 0 W m 2，比I E C 6 1 5 9 7-1 9 9 5 推荐的9 0 0 W m 2 的日照强度计算值要保守。通过计算得出，日照强度从1 0 0 0 W m 2 减少到
34、9 0 0 W m 2，载流量仅提高1-4。因此，为简化运算，只对日照强度进行估算，但此时得到的值仍为保守值。2)在某一温度下导线的交流电阻的计算：喇_【一卜孙尺，p 4，大多数导线中金属的电阻值随温度的增加而呈线性增大，只要珀动与死o M，介于最高温度和最低温度之间，上述方程便可进行估算f 1 8 l。由经验值可得，当选取翰袖，死例分别为7 5。C 和2 5 C 时，计算出疋温度下的导线的电阻值与实际的电阻值之间的误差是可以忽略的。所以：删=f 警卜-2 5 M(2 5)(2-5)在文献1 1 8 中，给出了6 0 H z 频率下的两个电阻的值：R(2 5)=7 2 8 3 5 1 0 一Q
35、 m；R(7 5)=8 6 8 7 7 1 0 一Q m；华北电力大学硕士学位论文依据文献中的介绍，换算成5 0 H z 下的电阻值为：R(2 5 C)=7 2 8 3 5 1 0 5 1 3 3=5 4 7 6 3 1 0 5f 2 m；R(7 5)=8 8 8 7 7 1 0 5 1 3 3=6 5 3 2 3 1 0 5Q m；故R(耻P 掣掣卜一2 5)+5 4 7 6 3 1。巧(2-6)所以，如果得到导线温度、环境温度、风速等参数后，可以根据公式(2 6)、(2 3)计算出导线实时允许载流量。2 2 线路弧垂和张力的监测输电线路弧垂是线路设计和运行的主要指标，关系到线路的运行安全，
36、因此必须控制在设计规定的范围内。线路运行负荷和周围环境的变化都会造成线路弧垂的变化，过大的弧垂不但会造成事故隐患，也会限制线路的输送能力。在线路增容系统中，由于导线温度的增加，弧垂和张力都会产生变化，所以，也要对导线的弧垂和张力进行监测和安全性判定【1 9 1。影响弧垂的因素有很多，其中主要有导线应力、传输容量、大气温度、风、导线覆冰等。气温或传输容量的改变引起的导线温度的变化，会使导线热胀冷缩，从而影响输电线路弧垂的大小。导线温度越高，伸长量越大，弧垂的增加也越多。导线张力也是决定弧垂的主要因素，在架线施工的时候己经对导线应力与弧垂的情况进行了比较充分的考虑。导线弧垂和张力的变化是同时的，张
37、力变大会使弧垂变小，反之亦然。风对输电线路的影响主要体现在：风加快导线周围空气的对流进而引起导线温度的变化、在风作用下导线荷载的变化以及不同风速引起的导线振动和舞动。导线覆冰也会使弧垂增大造成闪络并有可能烧伤烧断导线。在这里只考虑了由于温度变化引起的线路张力变化导致的应力变化。2 2 1 输电线弧垂的计算工程计算时，考虑到导线两悬挂点间的距离较大，常忽略架空线的刚度而视其为一柔索，并且在档内架空线的实际长度最大约比档距大5 o 时，近似考虑导线单位长度自重力沿两悬挂点连线均匀分布，此时得到的架空线悬垂函数是抛物线型的，因此称为抛物线方程。同样条件下，抛物线法和较精确的悬链线弧垂公式相比，计算结
38、果偏小，比较保守，本文采用抛物线法计算弧垂。在抛物线法中，当已知导线两悬挂点A、B(B 高于A)时，示意图如图2 2，图2 3是进一步的受力分析平衡：=嚣麓三毒薹篡、矛、妻姗嗍于哼咖蹴，央称助意臻最既冁髓蝴批华北电力大学硕士学位论文2 2 2 线路控制应力控制应力是指在最恶劣条件及最大荷载情况下，起控制作用的限定条件下的应力，其相对应的状态有最大风、最大覆冰、年平均运行温度、最低气温四种情况，对于控制应力的判定如下式所示：C=一如三z 2 2 4 吒2+a E t，式(2 8)g 一导线的比载(N m m m 2)E 一导线的弹性系数(牛顿平方毫米)a 一导线的膨胀系数(1)Z 一代表档距(m
39、)由上式可见，C 式的大小只与最大风、最大覆冰、年平均应力、最低温度四种状态下的控制应力、相应温度及该耐张段内的代表档距有关，将其代入C 式，得C 最大风、C 最大覆冰、C 年平均应力和C 量低温度四个值，选最小的C 值，与最小C 值相对应的控制条件即为该代表档距的控制条件。2 2 3 输电线路状态方程输电线路导线上作用的载荷或温度产生变化时，由于导线伸长的不同和线性膨胀或收缩，将引起悬挂导线的弧线线长产生变化，输电线路状态方程就是表示架空线从一种悬挂状态改变到另一种状态下应力变化关系的方程。不论档距两端的悬挂点间有无高差，均可采用斜抛物线近似状态方程式【2 0 l 计算，如式(2 9)所示。
40、吁警筹埘小(2 9)式中：8 2、s l 一工作条件2 与1 情况下，架空线应力，M P a；9 2，g l 工作条件2 与1 情况下，架空线自重比载，N m m m 2；t 2、t l 工作条件2 与1 情况下，架空线的温度()Z 导线档距，m；驴一导线的弹性系数，M P a；a 导线的线膨胀系数，1。当某一气象条件下s l、9 1、t 1 以及待求气象条件下的9 2，t 2 已知后，上式变成一个一元三次方程，有直接计算方程求解和牛顿逐渐趋近求解法两种求解方法，本文采用牛顿逐渐趋近法求解。令：华北电力大学硕士学位论文口：磐一吼+a E(t：)2 幻f1“6：垒芝2 4式(2 9)写成：0-2
41、 20-2+口)一b=0a、b 为已知数，a 可正可负；b 则永远为正值，了2 必有一个正实数解。再令：厂(吒)=吒2 k+口)一b则厂h)*o 时的s n 即为所求解，函数厂h)的逐次渐近计算公式为：吒一矧即吒一害仁1 反复迭代，通常解到l 吒一o r 柚ls0 0 1 即可满足计算要求。初设值s l 哥n 1 为最大设计应力s M 较为稳妥，将其代回式(2 1 0)，求出s n 若不能满足判别式，可自动将s n 作为$2-5 n 一1 再代回式(2 1 0)，求第二个s n，直至满足判别式，此时的s n 即为所求。根据上面的公式和一个已知的应力值及与它相对的气象条件，可依次求出盯最大风、仃
42、最大覆冰、仃年平均应力和0-屉低温度，然后计算C 最大风、C 最大覆冰、C 年平均应力和C 最低温度，进行比较，选取最小C 值对应的0-做为控制应力。当控制应力求取后，便可求待求气象条件下的应力值。2 2 4 通过导线温度测量弧垂由于导线温度或外荷载变化将造成导线内部张力产生变化，因此利用前面介绍的线路状态方程式，当已知工作条件I I I 时的水平张力H m，以及条件m、n 时导线的温度、比载之后，代入(2 9)式，便可求得工作条件I I 时的水平张力H n 的值。通过状态方程求得工作条件n 时的水平张力H n，即可通过式(2 7)计算温度t。时线路的弧垂。下面以钢芯铝铰线L G J 一4 0
43、 0 3 5 为例，通过简单计算说明利用温度求取导线弧垂的步骤。导线参数为：导线计算截面积：S=4 2 5 2 4 m m 2，外径：D=2 6 8 2 r a m；单位质量：m=1 3 4 9 k g m；华北电力大学硕士学位论文弹性系数：E=6 5 k N m m 2：线膨胀系数：二=2 0 5 X1 0。6。假设线路两杆塔等高，档距为3 5 0 m，平均气温1 5。C 时，导线水平张力为2 4 6 7 5 N。按上面公式可相应求得不同导线温度时的各项数据，见表2 2。从表中可明显看出张力、弧垂随导线温度的变化。表2 2 导线不同温度时的张力弧垂2 3 线路覆冰情况的监测我国除南方地区外许
44、多输电线路都有覆冰情况发生，导线覆冰后不但引起导线重量和弧垂的增加，而且在有风时产生舞动，严重时有可能造成断线、倒塔(杆)、闪络事故，如何有效监测线路覆冰情况是电力部门亟待研究的课题。导线覆冰的监测方法主要有：一是在导线或杆塔上安装测力、测重传感器，采集拉力、重量等数据，根据拉力、重量与覆冰状况之间的对应关系进行计算判定，通过对线路弧垂的实时测量也可对线路覆冰情况进行实时监测。二是在易覆冰区域的铁塔上安装覆冰自动监测站，实时测量环境温度、湿度、风速、风向、雨量等参数，工作人员根据监测到的气象条件，及时适当的调整符合，增加线路电流，提高到显温度，以防止导线覆冰。三是直观地在线路现场安装视频监控装
45、置，通过无线通讯网络将照片、传往监控中心，在监控中心即可随时、全天候地掌握线路的覆冰的形成和发展情况。通过对照片的比较分析并结合各种气象条件，可判断积冰厚度。2 3 1 导线覆冰厚度计算线路覆冰的厚度在设计时一般采用几种近似方法统一换算为雨淞的标准冰厚(密度为O 9 9 c m 3、圆形断面厚度)，如按椭圆面积换算、按断面平均外径换算、按覆冰断面周长换算、按截面积换算等。如覆冰外围周长为三，密度为肚，假定所围截面积与外径为D的圆形面积相等，其标准覆冰厚度b 为：华北电力大学硕士学位论文一1f，b=一l2l-D)(2 1 1)l 导线覆冰；2 导线图2 4 覆冰导线结构示意图2 3 2 线路覆冰
46、时的荷载及比载在常态下导线自重力单位荷载W 1 为单位长度质量g 和重力加速度踟之积。W 1=q g q g 万=9 8 0 6 6 5q(212)式中：肠标准重力加速度，&=9 8 0 6 6 5(m s 2)其单位长度冰荷载w 2 为：W 2 一半阽+2 b)2 一D 2 h 3Nm(2-13)导线覆冰时垂向总荷载1 4 3 为导线自重荷载和比载W l 和覆冰荷载眈之和，即：W 3=W 1+W 2(2 1 4)覆冰时档内最大弧垂为：五；且(2-1 5)“8 H 3C O S 驴导线的风压比载等暂不考虑，因为它们对本文所述测量方案关系不大，但需要时也可计入。2 3 2 线路覆冰监测实现方案架
47、空线路覆冰时最明显的是导线张力的变化和弧垂的增加，本文介绍的覆冰监测华北电力大学硕士学位论文方案是通过对导线弧垂的实时监测，再配以线路实时视频装置的观察和小型气象站对气象条件的分析，从而实现对线路覆冰的实时综合监测。下面仍以钢芯铝绞线L G J-4 0 0 3 5 为例说明估算覆冰厚度的方法。导线基本参数为：计算截面积：S=4 2 5 2 4 m m 2，外径：D=2 6 8 2 m m：单位质量：m=1 3 4 9 k g m；弹性系数：E=6 5 k N m m 2：线膨胀系数：a=2 0 5X1 0 石：保证计算拉断力：T=9 8 7 0 0 N；假设线路两杆塔等高，档距为3 5 0 m
48、，平均气温1 5 (2 时导线水平张力2 4 6 7 5 N，导线覆冰时气温为5，无风，覆冰厚度1 0 -,4 0 m m。应用2 2 3 节介绍的导线状态方程式(2 9)：吒一筹叩警捌：)若工作条件l 时的历、聊、W 2、幻、t 2 已知，代入式(2 9)，用牛顿逐渐趋近法，便可求得工作条件2 时的水平张力飓值。以平均气温1 5 作为工作条件1，气温一5 设计覆冰厚度为1 0m i l l 作为工作条件2来计算。平均气温1 5 时，导线单位自重荷载按式(2 一1 2)计算可得：，1 4,1=1 3 2 2 9 2N m；已知张力-1-2 4 6 7 5N，代入式(2 7)可得导线弧垂：=8
49、2 0 9 6m；气温5 导线覆冰1 0 姗且无风时，导线单位长度冰荷载和导线覆冰时垂向总荷载分别为：W 2=1 0 2 0 9 5N m；W 3=2 3 4 3 8 7N m；根据线路状态方程用上述己知量H I、w J、W 3、t l、t 3 代入式(2 9)，用牛顿逐渐趋近法求解，可得飓=4 1 1 7 3N，再代入式(2-1 5)可得导线弧垂：=8 7 1 7m；相应地可求得气温5 导线覆冰厚度2 0、3 0、4 0I T l l n 时的各项数据，如表2 3 所示。华北电力大学硕士学位论文表2 3 导线覆冰时的张力和弧垂从上表可以看出，当导线覆冰厚度达到4 0 m m 时，导线应力是1
50、 0 0 9 8 3 N，已超过导线保证拉断力9 8 7 0 0 N，故此时导线断线是极有可能发生的。从表中还可以看出，导线弧垂随覆冰厚度的增加而变大，对多个覆冰厚度值细分，计算得到相应的弧垂值后，可得到一个近似对应曲线，利用此曲线关系，就可以通过监测弧垂近似估算覆冰厚度。2 4 线路图像的监控远程图像监控技术在电力系统中最早应用于无人值守变电站，它综合运用计算机网络、多媒体、数字视频处理等多种先进技术，更高效地实现遥测、遥信、遥控、遥调功能，是对无人值守变电站的进一步完善。近年来，随着电网建设的发展，据资料统计，全国1 1 0 k V 以上线路总长已达几百万千米，迅速增长的输电线路给线路运行