一种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法，涉及输电 线路监测领域。
【背景技术】
[0002] 我国输电线路成网络状结构分布，分支多，且多数地区地形环境纷繁复杂，容易受 到气象环境的影响，线路故障率较高，更兼沿途地势多变，难以查找。因此对输电线路的状 态进行实时监测是实现电力系统稳定运行的重要保证，但由于受到某些技术条件的限制， 目前还没有高精度的线路状态实时监测装置。故一旦线路出现故障，需要人工沿线查找，增 加了故障排查的难度和时间，而利用配网自动化系统能够实现故障的自动定位，但成本太 大，难以推广。因此对输电线路的弧垂、应力进行实时监测和分析，能及时发现线路缺陷和 隐患，可提高输电线路运行的可靠性。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法，通过弱 磁探测技术，结合无线通讯技术，将磁传感器采集到的磁信号上传到监控终端，再通过计算 机编程对线路弧垂和应力进行实时计算，从而实现简易快速的发现故障、排除故障，为整个 电力系统运行提供安全可靠的电力传输。
[0004] 本发明所采用的技术方案是：
[0005] -种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法，在杆塔上选择多个 探测点并安置磁传感器，利用输电线空间磁场的分布特点，在相应的坐标系中，得到每一根 输电线在每一个探测点处产生的磁场分量与输电线弧垂的拟合线性方程式；在此基础上通 过坐标变换和磁场叠加原理，并用差分的方法构建一个非齐次线性方程组，即可求解塔两 侧输电线的弧垂与输电线的水平应力，并最终求解出输电线上任意一点的应力大小，从而 实现对输电线弧垂和应力的实时监测，提高输电线路运行的可靠性。
[0006] -种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法，包括以下步骤：
[0007] 任意选取相邻位置的三个杆塔，分别标记为0号塔、1号塔和2号塔。
[0008] 步骤一：对0号塔和1号塔之间的输电线建立tZ'坐标系，其中tZ' 平面平行于输电线所在的平面，X'轴方向平行于两杆塔的垂直连线方向；对于1号塔和2 号塔之间的输电线建立XYZ坐标系，并测量得到相应输电线左悬挂点在各自坐标系中的坐 标，以及三个杆塔的相关参数；
[0009] 步骤二：在1号杆塔上靠近悬挂点的地方选择探测点，探测点的数量大于杆塔一 侧的输电线数量，利用输电线空间磁场的计算公式，在相应的坐标系中，计算得到每一根输 电线在每一个探测点处产生的的X'(或X)磁场分量和Y'(或Y)磁场分量与输电线弧 垂的拟合线性方程式；通过坐标变换和磁场叠加原理，得到每个探测点在XYZ坐标系中X方 向和Y方向磁感应强度分量与1号杆塔两侧输电线弧垂之间的线性方程式，然后对所有的 线性方程两两差分，建立一个含有输电线弧垂的非齐次线性方程组；
[0010] 步骤三：在探测点所在位置处安置磁传感器，通过定标使磁传感器测量到的磁信 号即为探测点处的磁信号，并使所有磁传感器矢量探测方位与ΧΥΖ坐标系保持一致；
[0011] 步骤四：对杆塔上磁传感器探测到的X方向和Υ方向的磁感应强度分量进行实时 读取，代入步骤二中得到的非齐次线性方程组中，最终求出1号杆塔两侧悬挂的输电线的 弧垂；
[0012] 步骤五：将计算得到的弧垂值代入输电线方程成立的条件，通过计算机编程求出 输电线的悬链系数和截距，在不同的气象条件下求解输电线的比载，利用悬链系数与水平 应力的关系式，求解出输电线的水平应力，然后利用输电线上任意一点的应力公式最终计 算出输电线上每一点的应力大小。
[0013] 由于需要对磁传感器的信号进行两两差分以消除地磁场的影响，以及每个磁传感 器可建立X方向和Υ方向磁感应强度分量与杆塔两侧输电线弧垂之间的线性方程式，为了 保证最终得到的非齐次线性方程组中方程的数量大于所求输电线弧垂的个数，故所述磁传 感器数量应大于杆塔一侧的输电线数量。
[0014] 所述磁传感器为双轴磁传感器或三轴磁传感器，由于对输电线建立的坐标系相对 固定，为了能够通过磁传感器探测到的磁信号，来获得坐标系下不同探测点的t(或X)和 Y'(或Y)方向的磁场分量，故要求同一杆塔上安装的磁传感器的空间方位保持一致或呈 定量的几何关系。
[0015] 为了消除地磁场的影响，可增加磁传感器的数量，利用差分原理，把磁传感器输出 的同方向信号两两相减。磁传感器的数量大于杆塔两侧输电线数量。
[0016] 本发明是一种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法，技术效果 如下：
[0017] 1)、本发明通过弱磁探测技术，结合无线通讯技术，将磁传感器采集到的磁信号上 传到监控终端，再通过计算机技术对线路弧垂和应力进行实时计算，从而实现简易快速的 发现故障、排除故障，为整个电力系统运行提供安全可靠的电力传输。
[0018] 2)、此发明采用弱磁探测方法，来实现对直流架空输电线路弧垂和应力的实时监 测，具有测量数据直接可靠、高灵敏度、抗干扰能力强、测量精度较高、定位准确和实时远程 监控等显著优点。
[0019] 3)、本发明将为目前正在服役和即将建设的高压、超高压直流输变电系统提供第 一道防御，提早预防发生大面积电网瘫痪，保护人身、设备安全，为社会经济发展提供有力 保障，其社会效益巨大。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明中悬挂点不等高时，输电线方程各参数示意图。
[0021] 图2是本发明中输电线弧垂与探测点磁场分量的拟合曲线示意图（弧垂变化间隔 0·lm)〇
[0022] 其中图2(1)表示探测点X方向磁场分量与输电线弧垂的拟合曲线。
[0023] 其中图2(2)表示探测点Y方向磁场分量与输电线弧垂的拟合曲线。
[0024] 其中图2(3)表示探测点Z方向磁场分量与输电线弧垂的拟合曲线。
[0025] 其中图2(4)表示探测点总的磁场大小与输电线弧垂的拟合曲线。
[0026] 图3是本发明中输电线弧垂与探测点磁场分量的拟合曲线示意图（弧垂变化间隔 0· 01m)。
[0027] 其中图3(1)表示探测点X方向磁场分量与输电线弧垂的拟合曲线。
[0028] 其中图3(2)表示探测点Y方向磁场分量与输电线弧垂的拟合曲线。
[0029] 其中图3(3)表示探测点Z方向磁场分量与输电线弧垂的拟合曲线。
[0030] 其中图3(4)表示探测点总的磁场大小与输电线弧垂的拟合曲线。
[0031] 图4是本发明中单回路三线直流架空输电线路弧垂求解示意图。
[0032] 图5是本发明中转角输电线在XYZ坐标系中磁场分量求解示意图。
【具体实施方式】
[0033] 一种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法，在杆塔上选择多个 探测点并安置磁传感器，利用输电线空间磁场的分布特点，在相应的坐标系中，得到每一根 输电线在每一个探测点处产生的磁场分量与输电线弧垂的拟合线性方程式；在此基础上通 过坐标变换和磁场叠加原理，并用差分的方法构建一个非齐次线性方程组，即可求解所有 输电线的弧垂与输电线的水平应力，并最终求解出输电线任意一点的应力大小，从而实现 对输电线弧垂和应力的实时监测，提高输电线路运行的可靠性。
[0034] 一种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法，【具体实施方式】见图 4,共分五个步骤完成。
[0035] 任意选取相邻位置的三个杆塔，分别标记为0号塔、1号塔和2号塔。
[0036] 步骤一：对0号塔和1号塔之间的输电线建立)Γ Z'坐标系，其中t Z'平 面平行于输电线所在的平面，X'轴方向平行于两杆塔的垂直连线方向，按同样的方法，对 于1号塔和2号塔之间的输电线建立XYZ坐标系，并测量得到相应输电线左悬挂点在各自 坐标系中的坐标，以及3个杆塔的相关参数如档距、档距内高差和转角。
[0037] 步骤二：在1号杆塔上靠近悬挂点的地方选择探测点，探测点的数量大于杆塔一 侧的输电线数量。利用输电线空间磁场的计算公式，在相应的坐标系中，通过MATLAB编程 计算得到每一根输电线在每一个探测点处产生的X'(或X)分量和Y'(或Y)分量磁场 与输电线弧垂的拟合线性方程式。通过坐标变换和磁场叠加原理，得到每个探测点X方向 和Y方向磁感应强度分量与所有输电线弧垂之间的线性方程式，然后对所有的线性方程两 两差分，建立一个含有输电线弧垂的非齐次线性方程组。
[0038] 步骤三：在探测点所在位置处安置高精度矢量磁传感器，通过定标使传感器测量 到的磁信号即为探测点处的磁信号，并使所有磁传感器矢量探测方位与XYZ坐标系保持一 致。
[0039] 步骤四：对1号杆塔上所有磁传感器探测到的X方向和Y方向的磁感应强度分量 进行实时读取，代入步骤二中得到的非齐次线性方程组中，最终求出1号杆塔两侧输电线 的弧垂。
[0040] 步骤五：将计算得到的弧垂值代入输电线方程成立的条件，通过计算机编程求出 输电线的悬链系数和截距，在不同的气象条件下求解输电线的比载，利用悬链系数与水平 应力的关系式，求解出输电线的水平应力，然后利用输电线上任意一点的应力公式最终计 算出输电线上每一点的应力大小。
[0041] 实施例：
[0042] 1、架空输电线路的数学模型：
[0043] 输电线路实质上是一种悬链线，它在不同的气候条件下，会有不同的弧垂特性。通 常任何材料包括输电线在内，都具有一定的刚性，但由于悬挂在杆塔上的输电线相对较长， 因此输电线材料的刚性对其几何形状的影响很小。另外在工程实际中，由于受制于地形等 多方面因素，架空输电线路的两端悬挂点大多数是不等高的，这种情况在山区、丘陵地带比 较普遍。
[0044] 在图1所示的XYZ坐标系中（XZ平面与输电线所在平面平行，X轴方向平行于输 电线最低点的切线方向），设输电线左悬挂点A在此坐标系下的坐标为（xA，yA，zA)。利用工 程力学的方法可推导出两侧悬挂点不等高时的架空输电线方程为：
[0046] 式中1为两杆塔之间的垂直距离即档距，c为输电线最小弧垂（文中简称弧垂），d为A点与输电线最低点在X方向的投影距离即截矩，h为输电线两端悬挂点的高度差即档 距内尚差，且规定悬挂点左低右尚时h>0,而左尚右低时h〈0,a为输电线的悬链系数，且
[0048] 其中γ为输电线比载，〇。为输电线最低点应力即水平应力。
[0049] 2、直流架空输电线路空间磁场的计算：
[0050] 设输电线载流为I，在（1)式中，令X=t，可得输电线参数方