自然環境輸電線及絕緣子覆冰狀態多維度評估

鄭捷寧，魏業文

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443000)

1 引言

由于各地區的自然環境差異較大，且氣候條件多變。尤其北方冬季氣溫偏低，導致北方地區的冬季輸電線絕緣子大部分區域發生不同程度的覆冰情況[1]。輸電線中絕緣子作用至關重要。因為空氣中有一定成分的導電介質，當覆冰匯集絕緣子表面時，絕緣子的絕緣能力下降。當輸電線覆冰區域融冰時，絕緣子表面的局部電阻不同，易導致線路跳閘，對線路的絕緣設計及電力系統的安全運行有很大威脅，因而對輸電線及絕緣子覆冰進行在線監測意義重大。

各界對輸電線覆冰情況的研究越來越關注。文獻[2]提出了一種計及氣象因素時間累積效應的輸電線路覆冰預測，該方法通過建立不同氣象條件下覆冰厚度的增長模型，獲得在不同環境下覆冰厚度隨著時間的變化關系。同時充分考慮覆冰的狀態和該地區的氣象條件的相關性，給出了不同的氣象條件下覆冰厚度增長程度參數，通過將預測結果和真實情況的對比，證實該方法在預測精度方面存在優勢，但是存在方法應用速度較慢問題。文獻[3]提出基于圖像處理技術的輸電線及絕緣子覆冰狀態評估。以鋁合金表面為基底，利用激光二次掃描方法，將水滴在其表面結冰過程圖像用閾值法分割，并進行形態學運算，分析結冰過程中輪廓及狀態變化，獲取水滴結冰時間與結果，該方法在運行速度存在優勢，但由于評估指標單一，導致所得結果誤差較大且不具說服力。

為保證覆冰狀態評估準確性與時效性，提出自然環境輸電線及絕緣子覆冰狀態多維度評估方法。分析自然條件下輸電線覆冰類型及形成條件，定義影響覆冰程度各相關指標權重值，獲取輸電線覆冰后對環境、人員及經濟產生影響程度。通過對覆冰過載狀體狀態研究，計算出各區域輸電線絕緣子水平、垂直荷載量及該區域的覆冰厚度，綜合考慮覆冰厚度與被測區域的環境溫度、環境風速、環境濕度等相關指標在覆冰過程中的重要程度，得出覆冰狀態的計算方法，多維度評估輸電線覆冰狀態。

2 電線及絕緣子覆冰類型分析

輸電線覆冰狀態與覆冰量取決于當地氣溫、空氣濕度及電線尺寸及覆冰持續時間。雖然各個地區的輸電線絕緣子[4]覆冰情況差異性較大，但可以綜合總結為3大類型：雨凇，霧凇和混合凇。

一般情況下，雨凇是在凍雨或雨夾雪天氣中形成的，覆冰在該段輸電線中的比重系數約在0.8～0.92之間。當水滴落在輸電線上后，由于雨滴凍結需要時間，在其凍結前會沿電線表面流動。雨凇質地堅硬，通常呈透明狀，其粘附力較強，主要在輸電線及絕緣子迎風面形成。當風向不確定時，會在絕緣子傘盤表面均勻覆冰，由于雨水未完全凍結時會沿絕緣子傘盤下落形成懸掛式冰柱，當輸電線絕緣子長時間覆冰時，各絕緣子冰柱會串聯起來，形成橢圓形冰柱[5]。

霧凇是冷云霧與極小的水粒遇冷凍結的沉積物。因水粒對比雨水體積較小，遇冷則會迅速凍結，重復堆積形成了霧凇。按照其硬度能劃分為硬霧凇與軟霧凇兩類。軟霧凇為蓬松狀白色結晶顆粒，比重在0.1～0.6之間。附著力較小，要在氣溫較低的環境下形成。在海拔較高地區中，因過冷水體積較小，軟霧凇則成為當地輸電線絕緣子常見覆冰類型。硬霧凇為小水粒凍結逐漸累積形成，呈白色不透明狀，比重在0.5～0.8之間，并且含有氣泡。具有較強附著力。

混合凇即雨凇與霧凇的混合物，氣象變化時，呈現能引起霧凇與雨凇的氣候環境，其比重一般在0.4～0.6之間。剛開始發生覆冰時氣溫較高，過冷水不會迅速結冰，而在輸電線的表面產生雨凇，隨溫度不斷降低，小水粒則形成霧凇附著在雨凇外層部分，當氣溫再次回升時，輸電線絕緣子外層霧凇又一次融化，若遇到冷空氣則會再次凍結形成雨凇，若此過程反復發生在凍結天氣中，則會在輸電線上形成厚度較大的混合凇覆冰。

上述的三種覆冰類型在輸電線絕緣子帶電和不帶電的時都會產生。并且根據觀測，在輸電線兩種條件下的覆冰形態和覆冰數量大致相同，也就是說絕緣子雖然帶電，但是其泄漏電流產生的微小熱效應對覆冰過程沒有較大影響。

3 輸電線絕緣子覆冰狀態多維度評估

3.1 輸電線覆冰風險分析

自然環境中，輸電線在寒冷條件下，就會發生覆冰風險，從溫度、地形、濕度、覆冰程度、冰區劃分等5方面對發生覆冰風險可能性進行分析。首先將風險指標體系定義為目標層U、分層B、分層C。如表1所示：

表1 覆冰風險評估表

由于各項指標的影響程度不同，因此對各個指標的權重系數進行計算，過程如下：

1)建立矩陣[6]。假設B層對U的構造的矩陣為A1(矩陣元素為aij)則：aij={1：Bi和Bj同樣重要；3：Bi比Bj略重要；5：Bi比Bj明顯重要；7：Bi比Bj重要得多；9：Bi比Bj極端重要；2、4、6、8：相鄰判斷的中值}，B1>B3>B2>B4，則

(1)

同理可得：

(2)

式(2)中，A21、A22、A23、A24分別是危險性、暴露性、脆弱性、防災減災能力的矩陣。

2)確定B層參數的權重值[7]。對矩陣A1的特征向量進行歸一化處理，則可以得到：ω1=[0.657 4 0.094 2 0.202 7 0.045 7]，此時一致性指標ICR=0.0632<0.1，因此四舍五入ω1，將其兩位有效數位作為B層指標的權重值。

3)對C層的危險指標權重值進行確定。歸一化處理矩陣A21，獲得其特征向量集為ω2=[0.032 5 0.032 5 0.068 1 0.257 3 0.134 6 0.475 0]四舍五入ω2，將其兩位有效數位作為C層危險指標的權重值。

4)對C層暴露性指標和脆弱性指標的權重系數進行確定，因該層只考慮經濟的影響，所以將二者的權重系數同時定義為1。

5)對C層的防災減災能力的權重值進行確定。將矩陣A24進行歸一化處理，得到R1、R2的權重系數d1=0.25，d2=0.75。

通過加權綜合評分法可得危險性計算公式可表示為

(3)

暴露性計算公式為

E=E1b

(4)

脆弱性[8]計算公式為

V=V1c

(5)

防災減災能力計算公式為

(6)

則覆冰的風險指數為

Ir=HaEβVγ[e+(1-e)(5-R)δ]

(7)

式(7)中，e為不可抗系數。若H、E、V中任何一種指標為零，則輸電線的覆冰風險為零。若被測區域有極強的防災減災能力，則輸電線的覆冰風險指標的值會降到最小。

3.2 覆冰過載狀態計算

通過物理力學特征來對覆冰過載進行描述，根據對輸電線各個相關因素的分析，得出各角度過載力學計算方法如下：

輸電線在垂直方向的過載計算公式

A=B(M，N)×C

(8)

式(8)中，A表示輸電線塔桿垂直方向的最大荷載量[9]；M為B層覆冰導線長度；N代表B層地線的最大覆冰荷載；C表示為輸電線到地面的垂直距離。

E=F×G

(9)

式(9)中，E代表輸電線塔桿垂直方向的最大荷載量；F表示輸電線的拉力角；G為輸電線所在區域的風向角。

H=I(J，K)×L

(10)

式(10)中，H為地線在垂直方向的最大荷載量；J代表地線自重；K代表地線的總覆冰量；

輸電線在水平方向的過載計算公式如下

(11)

式(11)中，d代表導線的直徑；a代表風壓系數；μz代表風壓高度變化系數；L代表相鄰塔桿之間的水平距離；θ代表風向角。

(12)

式(12)中代表地線的直徑，μsc代表輸電線的規格。

設覆冰厚度為b，則

(13)

式(13)中，q代表總荷載量，ρ代表覆冰密度。

4 實驗分析

為驗證所提方法的有效性和準確性，對多個處于不同氣候條件下的輸電線絕緣子進行狀態驗證，并與真實數據進行對比分析。

4.1 評估指標設定

根據研究數據，提取傳統輸電線狀覆冰態評估方法多維度指標，對各個衡量標準作如下定義：濕度(RH)論域為0%～100%；溫度(T)論域為-20℃～20℃；風速(S)論域為：0m/s～20m/s；輸電線絕緣子覆冰厚度(H)論域為：0mm～30mm；模糊語言[10]值為：極小(NB)，較小(NS)，中等(O)，較大(PS)，極大(PB)。則各衡量指標的隸屬度函數[11]如圖1。

圖1 各指標隸屬度函數圖

將絕緣子覆冰狀態最終可能給出的4種評估狀態[12]作如下描述：

NA：指自然條件下，環境和氣候不會發生覆冰情況，或輸電線絕緣子在該階段不處于覆冰狀態，再或者是存在的覆冰極小，不影響線路的正常運行，可以忽略不計。

A1：指輸電線上的覆冰情況較為嚴重。

A2：指輸電線覆冰嚴重。

A3：指輸電線上的覆冰狀態極為嚴重。

則可以通過溫度、濕度、風速等參考數值來評估自然環境是否達到覆冰狀態，然后根據輸電線的覆冰厚度對的覆冰狀態進行評估，其規則如下：

1)當輸電線的覆冰厚度為NB或NS時，則輸出NA。

2)當輸電線的覆冰厚度為O時，則輸出A1。

3)當輸電線的覆冰厚度為PS時，則輸出A2。

4)當輸電線的覆冰厚度為PB時，則輸出A3。

4.2 所提方法評估結果與實際情況擬合度測試

得到的對比分析結果如下表：結合3.3節給出的評估指標，對濕度、溫度、風速及覆冰厚度分別進行記錄，結果與真實數據越接近說明評估性能越好。表2中，“等效覆冰厚度”是監測系統根據監測參數計算得到的；“實際情況”是經人工定量獲得的，“評估結果”是所提算法最終輸出的覆冰狀態。

表2 所提方法評估結果與實際情況的擬合度驗證

從表2中可以看出，被測區域1，4，9被測出覆冰厚度分別為2.4mm、3.7mm、2.7mm，但是由于環境溫度過高，不符合冰凍條件，所以最終給出的評估結果是NA，即無覆冰狀態，這和實際狀態相符，這證明了所提方法不會因為單一評估指標計算存在誤差而產生誤判，同時其它待測區域的測試結果也與實際結果一致。表2的數據表明，提出的自然環境輸電線及絕緣子覆冰狀態多維度評估方法可以實現對輸電線絕緣子的智能化評估，并且準確性較高。

4.3 不同方法的評估效率對比

為進一步驗證所提評估方法的評估效率，將所提方法與文獻[1]方法、文獻[2]方法、文獻[3]方法的評估消耗時間進行對比分析，消耗時間越少表明評估方法效率越高。對比結果如圖2所示。

圖2 不同算法測試速度對比圖

根據圖2的數據對比結果表明，傳統方法的應用耗時明顯高于所提方法。所提算法的應用時間消耗均不超過2s，且隨檢測目標增加對其效率影響較小，得到評估效率高于傳統方法，具有更高應用價值。

5 結論

由于輸電線路覆冰產生情況復雜，且受環境因素綜合影響，提出了自然環境輸電線及絕緣子覆冰狀態多維度評估方法。定義影響覆冰程度各個相關指標的權重值。計算出各區域輸電線絕緣子水平、垂直荷載量及該區域的覆冰厚度，完成輸電線覆冰狀態多維度評估。實驗結果表明：所提方法與實際情況一致，且所提方法對比傳統方法應用效率更高，在對多個輸電線目標進行覆冰狀態評估時，消耗時間不超過2s。綜上所述，所提方法具有更好的應用效果，可以為相關研究提供可靠依據。