1、 重慶輸電線路覆冰的實時監測方案徐焜耀3況軍吳彬(重慶市電力公司, 重慶400014摘要:輸電線路覆冰在我國造成許多事故, 嚴重影響了電力系統的安全、線路圖像實, 、覆冰形成過程和覆冰的嚴重程度進行全過程的實時監測, 造成線路故障。文中敘述了該方案的理論分析、, 為輸電線路覆冰監測、融冰提供了一定的借鑒。關鍵詞:; ; 導線張力監測2008年12, 冰雪災害給電力系統造成嚴重影響, 湖北、湖南、江西、浙江、安徽、貴州、重慶、四川、云南、廣西、廣東等地區都發生了輸電線路覆冰斷線倒塔事故。據國家電網公司統計,220千伏及以上輸電線路桿塔損毀1505基, 10千伏110千伏輸電線路桿塔損毀1411萬

2、多基, 低壓電桿倒塌5117萬多根, 損毀線路1513萬千米。線路停運7917條, 變電站停運707座。此次災害中, 重慶電網累計發生倒塔、倒桿2355處次, 斷線或受損1619條次, 嚴重覆冰4094條次。其中500k V 張長線、張恩線7基鐵塔嚴重受損, 斷線3處, 8條線路嚴重覆冰, 7條220k V 線路嚴重覆冰, 11基110k V 鐵塔嚴重受損, 斷線8處, 20條線路嚴重覆冰, 35k V 倒桿斷桿30起, 斷線62處, 77條線路嚴重覆冰, 配電變壓器受損851臺次, 40萬戶居民因災停電, 主要集中在渝東南及渝東北地區。本文提出采用弧垂實時監測、線路圖像實時監視和小型氣象站相

3、結合的綜合方法來實時監測架空線路覆冰的新方案。該方案可以對線路覆冰形成的氣象條件、覆冰形成過程和覆冰的嚴重程度進行全過程的實時監測, 以便對該地區線路覆冰進行較深入的研究, 以便及時采取措施防止覆冰的進一步發展造成線路故障。一、架空輸電線路覆冰在線監測方法及原理11視頻觀察法在沿線桿塔上安裝圖像監測裝置, 定時監測導線、絕緣子、桿塔、線路走廊的覆冰情況。視頻監控裝置是隨著電子技術的進步發展起來的新技術, 多年來已在電廠和變電站的監控中有了很大的應用, 目前也已在線路監控中發揮作用。國內生產線路視頻監控裝置的廠家較多, 產品也已相對成熟。裝置將線路關鍵地段現場圖像信息通過GS M /GPRS傳輸

4、到監控中心, 運行管理人員可以通過監控中心的服務器或者遠程進行登錄, 查看線路的監控圖像, 從而實現對輸電線路全天候監測。視頻監控裝置可實時觀察導線和絕緣子串覆冰形成和發展的情況, 及覆冰的嚴重程度, 以便提出正確的處理意見。視頻監控裝置的缺點是在嚴重風雪下, 鏡頭可能被冰雪掩蓋, 造成圖像不清晰或無圖像, 太陽能充電的電池在連續的冰雪天氣下供電不足。21導線水平張力監測方法及原理筆者提出在線路上直接安裝監測導線溫度-傾角測量裝置的方法。該裝置提供了在線直接測量導線溫度和導線傾角計算導線弧垂的方法, 同時裝置也能測量導線電流。裝置采用線路電流產生的感應電源、數字式溫度傳感器、高精度角度傳感器、

5、GS M /GPRS/RF通信模式、多層屏蔽與密封等多項新技術, 確保裝置能在高壓電場和高低溫等惡劣天氣環境下可靠工作。該裝置可用于測量線路負荷變化, 由于導線發熱造成的張力變化, 也可測量由于導線覆冰, 導線重量增加造成的水平張力變化。(1 導線的張力和懸掛點傾斜角原理。輸電線路的架空導線在工程計算上常忽略它的剛度而視為柔索, 且認為它的自重力是按兩懸掛點連線方向均勻分布的, 這樣導線就可用懸鏈線方程或拋物線方程來計算, 懸鏈線方程計算精度較高, 但計算復雜, 拋物線方程計算精度略差, 但計算較簡單, 當兩塔高差不大時其計算誤差在工程允許范圍內, 故本文以拋物線方程來計算。當導線二懸掛點A

6、、B 間的檔距為l (m , A 、B 間的高差為h (m 時(B 高于A , 懸掛點A 處導線的傾斜角為:A =tg-12H cos -(1a 懸掛點B 處導線的傾斜角為:916中國電力教育2008年研究綜述與技術論壇?？?作者簡介:徐焜耀, 男, 重慶市電力公司生計部主任, 高級工程師。 B =tg-12H cos +(1b 式中H 為導線最低點水平張力(N 。w 導線單位長度的自重力(荷載(N /m 。圖1導線覆冰后, 假設覆冰是均勻分布的, 導線仍可用懸鏈線方程或拋物線方程來計算。所以上式對于覆冰后懸掛點與導線最低點水平張力的關系照樣存在, 只是這時W 是導線單位長度的覆冰后的荷載。由

7、于導線溫度或外荷載變化將造成導線內部張力產生變化, 因此在某己知工作條件m (w m 、t m , 其水平張力為H m , 當工作條件變為n (w n 、t n 時, 則水平張力變為H n ,其變化關系稱為架空線路的狀態方程, 相應的表達式為:Hn -l 2w 2ES24H 2ncos 3=Hm -l 2w 2ES24H 2mcos 3-ES (tn -t m cos (2H m 、H n 為工作條件m 與n 時, 導線的水平張力, N ;w m 、w n 為工作條件m 與n 時, 導線單位長度的自重力, N /m;t m 、t n 為工作條件m 與n 時, 導線的溫度, ; E 為導線的最終

8、彈性系數, N /mm2;為導線的溫度線膨脹系數, 1/;S 為導線的截面積, mm 2。若工作條件m 和n 時的H m 、w m 、w n 、t m 、t n 已知, 在覆冰時導線單位長度的自重力w n 為未知量, 而懸掛點傾角n 為實測到的己知量, 所以可由式(1 和式(2 聯立, 求解H n 和w n 。知道覆冰時導線單位長度的自重力w n 后就可以根據假設的覆冰密度求出導線的覆冰厚度b 。二、線路覆冰實時監測裝置的研發根據上述監測方法與原理的分析, 可以得知監測覆冰在理論上是可行的, 下面就這些裝置的研發提出思路。11氣象裝置目前國內外生產的小型自動氣象站的功能已很完善、可靠, 它能實

9、時測量環境溫度、濕度、風速、風向、雨量和太陽幅射等, 并能通過GS M /GPRS通道將數據傳送到監控中心。考慮采用成熟的產品來集成。21導線溫度與傾角測量裝置該裝置能提供了在線直接測量導線溫度和導線傾角計算導線弧垂的方法, 同時裝置也能測量導線電流。裝置采用線路電流產生的感應電源、數字式溫度傳感器、高精度角度傳感器、GS M /GPRS通信模式、多層屏蔽與密封等多項新技術, 確保裝置能在高壓電場和高低溫等惡劣天氣環境下可靠工作。該裝置可用于測量線路負荷變化時, 由于導線發熱造成的弧垂變化, 也可測量由于導線覆冰, 導線重量增加造成的弧垂變化。±0103°, 分01

10、6;。, 可直接采用成熟的覆冰視頻裝置國內生產線路視頻監控裝置的廠家較多, 產品也已相對成熟。但在野外輸電線路的自然環境非?？量? 對視頻監控裝置的要求也就非常高, 主要需解決如下兩個問題:(1 在野外防攝像頭被雪凍的問題。本公司專門針對該視頻攝像模塊加裝防雪凍的外殼結構, 該結構為一個傘狀的結構來保護, 能防止在一般雨雪天氣下凍住的問題。同時采用加熱技術, 能防止在冰凍情況下攝像模塊還能繼續工作。(2 低功耗的電源控制技術。視頻攝像模塊功耗本身還是比較大的, 現在關鍵要做好如何定時啟動視頻模塊, 在大部分時間里讓視頻處理模塊處于休眠狀態。41集成技術難點(1 太陽能供電和低功耗技術。線路上沒

11、有低壓交流電源, 裝置的電源一般采用蓄電池加太陽能板浮充電的方式?？紤]到裝置的成本和體積, 蓄電池的容量和太陽能板的面積不可能很大, 蓄電池一般為12V 、10-30Ah, 太陽能板為15W -30W 。為保證裝置在連續陰雨天氣(一般為15天 能正常工作, 裝置必須省電, 要采用各種低功耗的芯片, 并使裝置在不工作時處于待機節電狀態。監控的攝像頭一般不采用云臺式遙控攝像頭, 因為耗電太大, 故障時修復困難, 為解決視角問題可采用多個攝像頭, 分別監視導線、絕緣子串和桿塔等。(2 防惡劣環境技術。線路的運行環境比變電所戶外部分更嚴峻, 風霜雨雪的影響更嚴重, 因此裝置必須有更好的防護措施。比如,

12、 除了具有優良的防護電磁干擾能力, 裝置外殼在夏季必須能夠保證良好的通風, 雨季必須確保防水防銹, 在冬季還需保證良好的防寒抗凍能力, 在風沙較大地區還必須增加抗風沙能力。(3 通訊技術問題。線路監測設備具有布點分散、間距長的特點, 采用普通的有線通訊顯然不能解決問題, 不能有效地控制成本, 因此, 只能采用無線傳輸方式。目前常用的無線傳輸方式有GPRS 、CDMA, 目前的帶寬對于傳輸圖片來說, 已經綽綽有余。采用無線設備進行傳輸, 要充分考慮設備的耐高低溫要求、應具有斷線自動連接功能, 同時需要考慮圖片或者數據的大小和流量的問題, 以最低限度地節省成本。26重慶輸電線路覆冰的實時監測方案

13、三、重慶地區線路覆冰的實時綜合監測方案根據上述導線溫度和傾角監測裝置、桿塔視頻監測裝置和小型氣象站的配合可實現對線路覆冰的實時綜合監測。該方案的示意圖如圖2所示 。圖2輸電線路覆冰綜合監測系統示意圖首先從氣象站的數據了解線路附近氣象環境的變化, 是否出現能形成覆冰的氣象條件, 并從導線溫度是否低于0判斷導線覆冰的可能性。再從線路視頻裝置上觀察當地雨雪降落的情況, 絕緣子串和導線上是否出現了覆冰, 覆冰發展趨勢。最后根據實測的導線傾斜角變化來計算導線弧垂變化和覆冰厚度, 確定導線覆冰的嚴重情況。系統主站安裝在電力公司, 線路管理員、調度員和各級應用人員應能方便登錄和使用。系統軟件應包括導線覆冰分

14、析模型, 并能結合環境溫度、濕度、風速、風向、導線溫度、傾角等信息來計算分析導線覆冰厚度、覆冰增長預測以及桿塔強度校驗等, 及時給出冰害的預報警信息, 并能觀察到線路覆冰時導線和桿塔的圖像 。圖3監測系統測點布置要全面掌握線路覆冰情況的關鍵是監測裝置的布點, 它應根據線路沿線微氣象條件的變化來決定, 一般在氣象條件變化較少的平原地區間隔為70k m 左右, 氣象條件變化較大的山區間隔為20k m 左右, 如圖3所示。具體每條線路的布點要根據實際情況來定, 有下述幾個原則:(1 易發生覆冰情況的區域, 如山峰、丘陵、高海拔地區, 河道或者湖面上空, 風道或風口地區。(2 已發生過覆冰的區域:在歷

15、史上曾經發生過覆冰的線路。(3 關鍵線路, 跨越公路、鐵路、河流的線路, 檔距較大的線路, 線路危險點復雜的線路, 交通情況復雜的線路。四、結語輸電線路覆冰監測和防治是電力企業多年來研究的課題, 根據研究所提出的線路覆冰實時綜合監測的理論分析和系統方案是可行的, 它能明確指出線路覆冰的發生、發展的過程和嚴重情況, 能在嚴重的冰雪氣象環境中可靠運行, 基本上解決了線路覆冰監測的課題, 有廣闊的應用前景。參考文獻:1黃強, 王家紅, 歐名勇. 2005年湖南電網冰災事故分析及其應對措施J .電網技術, 2005, 29(24 :16-19.2蔣興良, 馬俊, 等. 輸電線路冰害事故及原因分析. 中國電力, 38(11 :27-30.3邵天曉. 架空送電線路的電線力學計算(第二版 M.