基于光谱反射比的雪状态参数测量方法与流程

发明属于输电线路技术领域，尤其是一种基于光谱反射比的雪状态参数测量方法。

背景技术：

随着我国经济结构转型的深化，高附加值高精尖行业的产值逐年增大，这些产业对于电能质量和供电可靠性要求很高。而我国地形地貌复杂，微气象条件多发，导致输电线路绝缘子覆冰雪，大幅降低绝缘强度，诱发绝缘子闪络事故，造成大范围停电事故和经济损失。为避免输电系统受复杂天气环境，如冰雪等自然灾害的影响，亟需对相关问题开展研究，提出对应的防治手段。

目前国内外研究普遍认为，输电线路绝缘子覆冰类型为雨凇时，闪络电压最低，因而闪络概率最大。然而在特殊的气候条件下，覆雪引发的闪络也经常发生。输电线路覆雪闪络事故推进了绝缘子覆雪闪络机理研究的进程，可能导致闪络因素的覆雪桥接伞裙、内层融化结冰或特殊气候条件下覆雪形态改变等被关注。国外相关学者已经发现，不同状态的雪，其泄漏电流发展过程、局部电弧分布和闪络过程有明显区别。含水量很低的雪，即干雪，雪体电阻大，泄漏电流小，产生的焦耳热不足以使雪体融化，绝缘子的状态保持不变，因而闪络电压高；而含水量高的雪，即湿雪，其中的雪水混合物沿着绝缘子的伞裙流动，大幅降低绝缘电阻，使绝缘子电场产生畸变，进而产生局部电弧，最后发展至全串闪络，因而闪络电压低，闪络危险大。因此，绝缘子覆雪的状态参数的测量是现场防覆雪及其闪络工作的基础。

由于超高压及特高压绝缘子架设在远离地面的输电塔上，离地高度在20米以上，凭肉眼难以对不同状态的雪进行有效区分，而为了减少对正常供电的影响，无法停电对绝缘子上的覆雪进行取样以直接测量。为了使运检人员准确及时掌握输电线路绝缘子的覆雪情况，迫切需要对雪的状态参数进行远距离测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光谱反射比的雪状态参数测量方法，解决了对输电线路绝缘子覆雪状态进行远距离测量的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于光谱反射比的雪状态参数测量方法，包括以下步骤：

步骤1、测量标准雪样状态参数数据并建立标准雪样状态参数的回归拟合方程；

步骤2、现场测量输电线路绝缘子上覆雪的光谱反射比，并根据回归拟合方程拟合得到待测雪样的含水量、容重和粒径。

所述步骤1的处理方法为：

⑴光谱仪接收光纤探头保持入射光和反射光与法线的夹角均为45度，光纤探测的方位角为180度；

⑵打开光谱仪，调整并设置好仪器；

⑶用标准反射白板作样品，得到白板400～1400nm的光谱强度值，作为基准，记为A₀；

⑷用待测标准雪样作为样品，得到雪样400～1400nm的光谱强度值，记为A_i；

⑸得到雪样的标准反射比数组，记为R_i，则

$R_i=\frac{A_i}{A_0}.$

⑹测量得到雪样的容重和粒径；

⑺分别用R_i中特征光谱段的数据建立与雪的含水量、容重和粒径间的回归拟合方程，该拟合方程如下：

W_c＝A₁R_a+B₁

V_d＝A₂R_b+B₂

D_p＝A₃R_c+B₃

式中：W_c、V_d和D_p分别是标准雪样的含水量、容重和粒径。A₁、A₂、A₃、B₁、B₂和B₃是常数，分别是拟合方程的待定系数，R_a、R_b和R_c分别是三种状态参数的拟合方程对应的特征光谱段的标准反射比。

所述标准雪样状态参数数据库包括如下三种状态参数：雪的含水量、容重和粒径。

所述四种标准雪样分别为：干雪、潮雪、湿雪和水湿雪，所述干雪雪样是自然取样的纯雪；所述潮雪是200g纯雪+20g水，其具有粘稠度且为未成形的散粒雪；所述湿雪是230g纯雪+120g水，其具有较高粘稠度且放在容器中成形；所述水湿雪是280g纯雪+210g水，其为雪泥状态。

所述步骤2的具体方法为：

⑴将光谱仪接收光纤探头指向待测量的绝缘子上的覆雪，测量其光谱强度值，并测量此时的太阳光入射角，光谱仪接收光探测角和方位角；光谱仪能够探测的波长范围要求为400nm～1400nm；

⑵使用标准反射白板，测量400～1400nm的光谱强度值，作为基准；

⑶得到待测雪体400～1400nm的光谱反射比曲线，将特定谱段的数据，代入拟合方程，进而得到待测雪体的含水量、容重和粒径状态参数。

所述标准反射白板为硫酸钡制白板。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过建立标准雪样的光谱反射比与雪的含水量、容重和粒径等状态参数的拟合方程，形成数据库，并通过测量现场输电线路及绝缘子上雪样的光谱反射比，拟合得到雪的含水量、容重和粒径，从而形成了一套完整且标准的测量流程，完成了对雪的状态参数的研究，实现了对远离地面的在运行绝缘子上的覆雪的状态参数的远距离测量功能，能够迅速了解输电线路绝缘子的覆雪状态，为线路防覆雪及其闪络工作提供重要参考。本发明作为一套完整且标准的测量流程，可指导不同地区不同程度冰雪天气下的雪的状态参数的测量，可使现场运检人员准确及时掌握输电线路绝缘子的覆雪情况。

附图说明

图1是发明的测量光谱反射比方法的原理示意图；

图中，样品可为标准雪样、标准反射白板或现场测量时的雪体。

具体实施方式

以下结合附图对发明实施例做进一步详述：

一种基于光谱反射比的雪状态参数测量方法，包括以下步骤：

步骤1、测量标准雪样状态参数数据并建立标准雪样状态参数的回归拟合方程。

在本步骤中，需要建立标准雪样状态参数的数据库，测得四种状态的雪的400～1400nm的光谱反射比的数据。四种状态的雪根据干雪和水的不同比例配制，分别为干雪、潮雪、湿雪和水湿雪。干雪样品是自然取样的纯雪，潮雪是200g纯雪+20g水，稍具有粘稠度，但仍是未成形的散粒雪。湿雪是230g纯雪+120g水，粘稠度较高，样品放在容器中可以成形。水湿雪是280g纯雪+210g水，该样本雪的融化度较高，成雪泥状态。分别测量四种状态参数的雪的光谱反射比、容重和粒径，图1给出了光谱反射比测量方法的原理图。

本步骤的具体处理过程如下：

(1)保持入射光和反射光与法线的夹角均为45度，光纤探测的方位角为180度，即正对入射光射来的方向；

(2)打开光谱仪，调整并设置好仪器；

(3)用标准反射白板(推荐硫酸钡制白板)作样品，得到白板400～1400nm的光谱强度值，作为基准，记为A₀；

(4)用待测标准雪样作为样品，得到雪样400～1400nm的光谱强度值，记为A_i；

(5)得到雪样的标准反射比数组，记为R_i，则

$R_i=\frac{A_i}{A_0}.$

(6)测量得到雪样的容重和粒径；

(7)分别用R_i中特征光谱段的数据建立与雪的含水量、容重和粒径间的回归拟合方程，该拟合方程如下：

W_c＝A₁R_a+B₁

V_d＝A₂R_b+B₂

D_p＝A₃R_c+B₃

式中：W_c、V_d和D_p分别是标准雪样的含水量、容重和粒径。A₁、A₂、A₃、B₁、B₂和B₃是常数，分别是拟合方程的待定系数，R_a、R_b和R_c分别是三种状态参数的拟合方程对应的特征光谱段的标准反射比。由于不同参数对应的光谱吸收峰位置不同，因此该值存在差异。

步骤2、现场测量输电线路绝缘子上覆雪的光谱反射比，并根据回归拟合方程拟合得到待测雪样的含水量、容重和粒径。

本步骤的测量方法与步骤1中类似，得到输电线路绝缘子雪的光谱反射比S_i，具体过程如下：

(1)在现场测量时，将光谱仪接收光纤探头指向待测量的绝缘子上的覆雪，测量其光谱强度值，并测量此时的太阳光入射角，光谱仪接收光探测角和方位角。光谱仪能够探测的波长范围要求至少为400nm～1400nm。

(2)使用标准反射白板，测量400～1400nm的光谱强度值，作为基准。建议设置光学系统参数和测量绝缘子上覆雪时的一致，即入射角、反射角和方位角均相同。

(3)得到待测雪体400～1400nm的光谱反射比曲线，对特定谱段的数据，代入步骤1中得到的拟合方程，进而得到待测雪体的含水量、容重和粒径等状态参数。

由于现场测定能见度对于测量准确性的影响，因此，本发明在现场测量时，需要在天气晴好和起雾的情况下，分别开展测量工作，

需要强调的是，发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于发明保护的范围。