輸電線路覆冰在線監測系統的研究現狀

南福軍

(中航天建設有限公司，北京 100070)

0 引言

電力系統的安全、穩定依賴完善的檢測技術，智能電網的建設也要依靠完善檢測技術的有效支撐。在輸變電系統中普遍存在著輸電線路覆冰的現象，輸電線路一旦覆冰，就有可能導致桿塔傾斜甚至倒塌、導線舞動等一系列問題，會極大地影響人們正常的生產和生活，給國家和人民帶來難以估量的經濟損失[1]。

由于我國陸地面積寬廣，經緯度跨度大，山嶺、盆地、平原等地形錯綜復雜，從世界范圍來看，是遭受輸電線路覆冰災害比較嚴重的國家之一。2005年春節期間，湖南、湖北以及重慶地區，出現了嚴重的冰災，此次冰災影響范圍大、持續時間長、覆冰程度重，現場實測結果顯示，導線覆冰的一般厚度達到40～80 mm，局部達到100 mm，共造成17條供電線路癱瘓，影響生產和生活長達1個多月，僅湖南省就有700多萬人受災，直接經濟損失超過10億元[2]。2008 年春節期間，我國多個省市遭受了大范圍的雨雪冰凍天氣，南方多個省市的輸電線路被厚冰覆蓋，不斷出現斷線、倒塔等電力損害事故，很多地方出現大范圍停電現象，不僅影響了人民群眾的正常生產、生活，也給我國帶來巨大的經濟損失[3]。因此，研究輸電線路覆冰的在線監測系統，是一件非常必要而且具有現實意義的工作。通過檢測系統及時檢測輸電線路的覆冰情況，利用針對性的維護和搶修技術，保證我國電力網絡系統穩定、安全運行。

1 輸電線路覆冰的原因、分類及危害

1.1 輸電線路覆冰的原因[4]

導線覆冰是一種隨機發生、不能人為控制的自然現象。影響覆冰狀態的因素有多種，包括氣象條件、搭建輸電線路的位置以及地形、地貌等。一旦空氣濕度及溫度達到一定條件，借助風力的作用，這些空氣中的水滴就會被吹向輸電線路，慢慢地就會造成大面積的輸電導線覆冰。

1.2 輸電線路覆冰的分類

根據凍結性質，輸電線路覆冰可分為凍雪、混合凍結、霧凇、雨凇4種類型。其中，雨凇類輸電線路覆冰的危害最大，因其比較堅硬，易結冰、易附著；凍雪類輸電線路覆冰危害較輕，成分以雪片為主；霧凇類輸電線路覆冰，是由水氣升華凝結而成的結晶體；混合凍結類輸電線路覆冰，是由雨凇和霧凇混合形成[5]。

根據覆冰橫截面，可將輸電線路覆冰分為圓形、橢圓形、翼形和新月形等[1]。根據輸電線路覆冰的發展過程，可將輸電線路覆冰分為濕增長過程和干增長過程[1]。

1.3 輸電線路覆冰的危害

輸電線路一旦覆冰，將會產生諸多難以彌補的危害，嚴重影響人們的正常生產、生活[6]。

(1)造成桿塔損壞甚至折斷。輸電線路上的導線覆冰超過一定厚度，會使桿塔壓力承載超重，一旦超過臨界值，有可能導致桿塔傾斜甚至折斷。

(2)導線跳躍，短路跳閘，供電中斷。在輸電線路中，有一些導線是垂直排列的，如果下面的輸電導線先行脫落覆冰，會引起下層導線跳躍，造成供電系統短路，形成跳閘，供電就會中斷，影響人們的正常生產、生活。

(3)導線下垂，引發接地事故。一般遭受覆冰災害時，輸電線路不同導線段的覆冰厚度是不同的，這樣就會引起導線不同程度的下垂，絕緣子串將會隨之傾斜，有可能引發接地事故。

2 輸電線路覆冰過程的數學模型

目前，國內外在研究覆冰演變趨勢預測方面，利用了很多數學建模方法，取得了一定的理論成果[7]。在覆冰研究領域，目前常用的數學模型基本上有3類。

2.1 以熱力學機制為基礎建立的數學模型[8]

覆冰與熱力學密切相關，它是一個熱量交換和傳遞的過程，液態的水滴釋放熱量后固化形成晶體，進而在輸電線路上形成覆冰。覆冰的具體狀態(晶體形狀、厚度或密度等)與熱平衡狀態緊密相關。以熱力學機制為基礎建立的數學模型，主要研究熱力學的能量平衡關系，進而獲得輸電導線上覆冰的厚度、增長狀況等參數。以熱力學機制為基礎建立的數學模型的不足之處是：忽略了熱量流失的影響，如刮風帶走的一部分熱量等，沒有考慮導線表面粗糙度、已有覆冰形狀、導線傳輸電流及電場對導線覆冰的影響，對輸電線路覆冰的整個過程不能進行細節說明，相關因素的作用機制沒能夠具體體現。而且限于目前的技術手段，在工程上還不能進行大規模使用。

2.2 以流體力學機制為基礎建立的數學模型[8]

以流體力學機制為基礎建立的數學模型研究認為，空氣中存在著過冷卻水滴，在風力、環境溫度等因素混合作用下與導線發生碰撞摩擦，再結合導線的一些具體情況，如導線的直徑大小、表面狀態等參數，從而推導出輸電線路導線的覆冰狀態和發展規律。

在研究導線上覆冰形狀方面，有很多經典的、應用廣泛的模型，包括翼形模型(Makkonen)、橢圓形模型(Chaine)、圓柱形模型(Goodwin)等。以流體力學機制為基礎建立的數學模型同樣存在著許多缺點，從實際情況看，輸電導線上的覆冰是極不規則的，對覆冰狀況進行近似的形狀化處理，就會造成對當地地理狀況或者氣象條件反映的失真，進而影響對輸電導線覆冰狀態預測的準確性。

此外，國內外一些研究者也提出了一些簡單的新模型。學者劉和云、周迪等將風速、過冷卻水滴的直徑、降水率等因素考慮進來，提出了一種新的輸電線路導線覆冰增長模型[9]。

2.3 以實測數據模擬為基礎建立的數學模型[10]

以實測數據模擬為基礎建立的數學模型是指利用以前進行現場實際測量所積累的數據進行模型擬合，進而建立起的一種數學模型。但由于輸電導線的覆冰狀態與多種因素有關，因此，這種數學模型不具有很強的推廣應用性。

3 輸電線路覆冰在線監測系統概述

3.1 輸電線路覆冰在線監測技術

在我國，輸電線路覆冰情況的檢測主要靠人工長途巡查輸電導線，這種方式受地理環境、天氣狀況等因素影響較大，檢測效率非常低，而且周期很長。隨著科技的進步，我國開始建設500 kV高壓輸電線路，自2008年春節期間發生冰雪災害之后，我國開始逐步重視輸電線路覆冰監測技術的研究與應用，其手段主要是從國外引進、借鑒一些先進的技術，由于時間短，自主開發的成熟技術相對較少。就目前的技術手段而言，覆冰導線的監測產品可分為以下幾類：導線應力測量法、傾角-弧垂法、水平張力-傾角法、測重法、視頻圖像法等[11]。有的學者從數據傳輸、傳感器等方面入手，研究了輸電線路導線覆冰監測系統，形成了一些覆冰導線在線監測技術的新成果。

3.1.1 視頻監測技術

將視頻拍攝裝置安裝在桿塔上，對導線進行拍攝，一旦發現有覆冰現象，就可以利用數據傳輸將這些數據信息傳送到管理后臺，再利用一些數學工具進行計算，最終判斷導線的覆冰狀況。文獻[12]提出了一種基于圖像處理的輸電線路覆冰監測方法，并詳細介紹了其實現方式，該系統通過攝像機采集覆冰圖像，進而對圖像進行邊界檢測處理，測量出覆冰厚度，覆冰圖像及覆冰厚度通過分組無線電業務(GPRS)無線傳輸方式發送到監控中心，由監控人員做出相應的處理。文獻[13]討論了基于小波的圖像邊緣檢測方法在線監測輸電線路覆冰厚度的原理，提出了一種新的輸電線路導線與絕緣子覆冰厚度的在線監測方法，即通過對安裝在高壓鐵塔上的攝像機和圖像采集卡獲得的導線與絕緣子覆冰圖像進行實時處理，提取其邊界輪廓來測量導線與絕緣子上的覆冰厚度。

通過視頻監測手段，可以直觀地監測到輸電線路導線的覆冰情況，操作簡便，若覆冰造成攝像頭遮擋，會出現無法觀測的情況。

3.1.2 測重法

將拉力傳感器安裝在原來球頭掛環的位置，通過測量導線的質量，再結合風的速度和方向以及絕緣子串產生的傾斜角度等各相關因素的參數值，計算出輸電導線的覆冰質量，再利用冰的密度(0.9 g/cm3)換算出相應輸電導線上覆冰厚度的數據。就目前的研究成果而言，測重法在所有的計算模型中是最為準確、可靠的一種算法。

文獻[14]建立了導線覆冰厚度和導線弧垂變化的力學模型，設計了力傳感器的安裝結構，研發了基于全球移動通信系統(GSM)短信業務(SMS)的輸電線路導線覆冰情況的在線實時監測系統，已經證實可以通過安裝的分機對風的速度和方向、絕緣子傾斜角度等計算參數進行實時測量，并快速發送至管理監測中心進行處理。

測重法具有非常實用的優點，拉力傳感器結構簡單，方便施工安裝，不僅適用于靜態測量，也能夠進行動態測量。測重法的不足之處是，現有的拉力傳感器是基于電阻應變片研制而成的，隨著工作時間的延長，會有穩定性和可靠性方面的問題。所以，目前正在研制利用光纖傳感的拉力傳感器。

3.1.3 水平張力-傾角法

水平張力-傾角法是根據輸電線路的狀態方程，利用傳感器傳送過來的絕緣子串軸向張力、懸掛點傾角等數據計算輸電線路導線覆冰質量的方法。

文獻[15]開發了基于架空輸電線路軸向張力、二維傾角和風速/風向、溫/濕度等氣象信息測量的覆冰監測系統。利用GSM/GPRS網絡，線路監測終端與中心監控主站進行數據傳輸，由主站專家系統軟件利用相關覆冰理論模型分析導線覆冰狀況，及時給出除冰信息。

水平張力-傾角法能夠直接反映輸電線路導線的安全情況。這個模型的不足之處是實際應用范圍受限，只能應用于穩態下輸電線路導線覆冰情況的研究。

3.1.4 傾角-弧垂法

傾角-弧垂法同樣是利用了輸電線路的狀態方程，并結合一些氣象參數信息，利用傳感器傳送過來的導線傾角、弧垂等數據信息，計算出的輸電線路導線覆冰狀況。

文獻[16]從導線的基本方程出發，推導了根據導線張力、傾角或溫度來測量導線弧垂的方法，并介紹了計算公式和例題。

傾角-弧垂法的優點是原理簡單，缺點是實施比較困難。輸電線路的弧垂和傾角受到多種因素的影響，特別是500 kV及以上等級輸電線路，導線的剛度較大，視作柔索將導致較大的誤差。

3.1.5 導線應力測量法

導線應力測量法也是根據輸電線路的狀態方程，研究輸電導線上多點應力，通過一定手段計算出輸電導向的覆冰質量。

文獻[17]分析了線路覆冰的原因及其造成的危害，介紹了利用光纖布里淵散射進行溫度測量的原理。通過對光纖布里淵傳感器2種主要方案的分析，提出了采用分布式光纖傳感方案組建覆冰監測預警系統的建議。

導線應力測量法的優點是充分利用了光纖傳感器無源、穩定性好的特點，能夠在各種惡劣環境中使用，應用前景良好。不足之處是費用較高，而且尚處于研發階段。

3.1.6 覆冰導線在線監測技術的新成果

學者汪江、田成軍在覆冰監測系統中利用了ZigBee協議完成了數據傳送[18]。

學者張思建、林志赟等人研究并設計了一種新型電容式傳感器，傳感器的電容值反映了導線覆冰厚度的變化情況[19]。

學者曾祥君、伍志華等人研究了計算輸電線路平均覆冰厚度的方法。利用故障行波定位系統測量時間差計算出覆冰長度，進而通過長度、厚度之間的關系換算出覆冰厚度的平均值[20]。

學者陽林、郝艷捧等人提出了利用靜力學受力平衡方面的理論知識對覆冰厚度進行計算的力學模型[21]。

3.2 輸電線路導線覆冰監測系統的構成與應用

輸電線路導線覆冰監測系統一般由3部分構成：監測分機，包含了許多傳感器，用于監測輸電線路上所需要的各個參數值；無線通信網絡，是一個傳輸系統，將監測分機采集的數據傳送到監測中心；監測中心，數據處理系統，將傳送過來的數據信息進行分析，及時采取應變措施[22-23]。

在輸電線路覆冰問題方面的研究，國外要比我國開始的早很多，但我國近幾年加大了研究應用力度，發展也很快，取得了很大的進步，有很多公司已經安裝并使用了輸電線路覆冰的監測系統。例如，華中電網公司研制的輸電線路覆冰監測系統，能夠在線傳送氣象數據、覆冰發展預測、導線偏斜等各個方面的數據信息，并可以對超過設定值進行報警提示[22]；杭州某公司研發出產的溫度-傾角測量球，可以實時測量導線傾角、弧垂變化情況；美國一家公司生產的CAT-1是一種利用測量導線應力計算弧垂裝置[23]。

4 輸電線路導線覆冰在線監測系統的不足

目前的輸電線路導線覆冰在線監測系統，雖然能夠在一定程度上對覆冰狀況進行預警，但由于測量的精準度、穩定性都不是很好，預測偏差較大，傳輸系統技術水平不高等實際情況需要解決。

結合以上分析研究，輸電線路導線覆冰在線監測系統需要在以下幾個方面進行改進。

(1)在計算輸電線路導線覆冰的厚度時，利用更為精準的數學模型，利用建模分析的方法研究導線覆冰產生舞動的情形。

(2)研制在小電流情形下就能夠啟動的，大電流情形下也能正常運轉工作的在線取能裝置。

(3)研究能夠不受冰、霧、雪干擾的攝像裝置，這樣，在重度冰雪災害下，也能夠對輸電線路導線的覆冰狀況進行監測攝像。

(4)利用先進的技術提升輸電線路導線覆冰監測系統的性能，進而提升其可靠性和能夠在惡劣條件下完成工作的能力。

(5)利用先進的傳輸網絡系統，完成快速傳輸圖像數據，并提高圖像數據傳輸的精確性。

(6)科學規劃監測分機的布點，加強對一些微地形和微氣象輸電線路的監控。

5 結束語

輸電線路覆冰在線監測系統對輸電系統網絡安全運行有著十分重要的意義。已經安裝應用的一些輸電線路導線覆冰監測系統雖然在一定程度上彌補了人工巡視的不足，但距離實際需求還差很遠。本文為今后輸電線路覆冰在線監測系統的改進提出了具體建議。

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