专利名称：一种输电线路塔线体系状态监测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于输电线路塔线体系状态监测技术领域，更为具体地讲，涉及一种对输 电线路覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及杆塔倾斜状态进行监测的装置。
背景技术：
输电导线覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及杆塔倾斜状态(以下统称塔线体系状 态)有可能导致输电线路相间闪络、损坏导地线、跳闸停电甚至断线倒塔，从而造成巨大的 经济损失和严重的社会影响。输电导线覆冰可能导致输电线路过负载事故、不均勻覆冰或不同期脱冰事故以及 覆冰导线舞动，从而导致金具损坏、导线断股、杆塔损折、绝缘子串翻转、撞裂等机械事故； 也可能使弧垂增大，造成闪络和烧伤、烧断导线的电气事故。输电导线舞动轻则造成相间闪 络、损坏地线和导线、金具及部件，重则线路跳闸停电、断线倒塔。输电导线疲劳断股有可能 导致断线，而微风振动是造成这一事故的主要原因。输电导线弧垂事关线路运行安全，过大 的弧垂不但会造成事故隐患，而且也将限制线路的输送能力。在输电线路动态增容中，线路 弧垂是一个重要的监测指标。此外，在煤矿采空区、地震带、以及山区等地质灾害频发的区 域，输电线路容易发生杆塔倾斜的事故，这也将严重威胁输电线路的安全。由此可见，研究 输电线路塔线体系状态监测技术对于输电线路的安全运行具有极其重要的意义。以2008年1-2月我国南方大范围冰雪灾害为例。据统计，2008年1_2月，全国电 网因冰灾停运线路36740条，停运变电站2018座，563236基杆塔倒塌损坏，断线353731处。 500kV变电站停运12座；500kV输电线路停运107条、受损80条，倒塔957基，局部受损189 基。葛南直流线路、江兴线、兴咸线长江大跨越因覆冰发生导线舞动。云南220kV大盐线被 覆冰脱冰舞动巨大拉力拉断，江西500千伏南乐II回线因舞动导致11铁塔处左相绝缘子 串底部瓷瓶钢脚球头断裂，最终使得南昌500千伏变电站事故报警，南乐II回断路器三相 跳闸，江西500kV电网基本瘫痪。湖南、贵州、浙江电网出现了大范围的冰闪跳闸和断线倒 塔，造成大面积停电和部分电网解列运行。总的来说，这次冰灾持续时间长，影响范围广，危 害程度深，仅国家电网公司的直接经济损失就达到了 104. 5亿元。在国际上，由于特殊的地 理条件，俄罗斯、美国、加拿大、日本、英国、芬兰、冰岛等数十个国家均存在输电线路覆冰或 舞动事故，导致重大电网事故，造成了巨大的经济损失。如1998年1月5日至9日，加拿大 魁北克西南部电网遭受了严重的冰暴袭击，发生了该地区历史上最严重的冰灾，共有3200 公里的输电线路处于暴风雪气候条件下，其中900公里线路发生破坏。这场冰暴使得10条 735kV线路发生倒塔150基，各电压等级线路倒塔(杆)累计1000多基，约450万的人口 电力供应中断，受灾人数超过加拿大人口总数的16%，事故造成直接经济损失达M亿多美 元。因此，研究输电线路塔线状态监测技术具有显著的经济价值和社会意义。传统的输电导线覆冰的监测主要有人工巡视检测、观冰站、模拟覆冰导线等，这些 方法存在着劳动强度大、投资高，检测结果和实际出入大等问题。现在国内外现有技术主要 分为3种。一种是对倾角-弧垂进行实时测量，然后反推线路覆冰程度；另一种是通过视频6图像来实现；第三种则是测量绝缘子串应力变化的称重法。在输电导线舞动监测技术领域，早期是依靠人工手持秒表或手表进行肉眼观察。 后期发展到用摄像机拍摄图像，然后人工进行分析，从而得到导线舞动的幅值和频率等信 息。显然，这两种方法均存在耗时费力不精确的缺点，在恶劣气象条件下也难以实施。近两 年来，国内学者提出了基于先进微加速度传感器方法或者将摄像机拍摄图像的方法与多种 力学、气象传感器结合在一起成为监测分机并安装在杆塔上的导线舞动监测系统。至于输电导线微风振动，有人利用加拿大R0CTEST公司生产的微风振动检测仪连 续记录(比如18天)导线与线夹最后接触点外约89mm处导线相对于线夹的弯曲振幅值 (峰峰值)及振动频率，然后取下该仪器，利用专门的计算机软件对测量数据进行分析，得 到导线振动的频率、强度以及振动的时间等运行数据，从而确定了输电导线微风振动的特 征。还有人利用光纤传感器测量沿输电导线的应力分布，然后分析风速与振动频率之间的 关系，从而实现了微风振动的在线实时监测。至于输电导线的弧垂，目前国内外已开发生产的测量装置为通过导线应力、角度、 倾角或图像分辨来实时测量弧垂。至于杆塔倾斜，有人通过在杆塔顶部安装倾角传感器测量塔顶的角位移，然后利 用GPRS将测量的倾角数据发回控制中心来监测，也有人通过在塔身上安装光纤应变传感 器，通过测量杆塔的变形来监测倾斜。总的来说，现有输电线路塔线状态监测相关技术的特点表现在下面四个方面1)每种监测装置监测功能单一。一个监测对象对应一个监测装置。覆冰监测装置 只能监测覆冰，舞动监测装置只能用于监测舞动。2)在通信手段方面，现有技术采用了基于GPRS/GSM/CDMA/3G等通信网络。但在某 些情况下，输电走廊会经过地质、气象条件比较恶劣的区域，甚至无人区。这些地区通信的 基础设施落后，在发生冰雪灾害的时候通信基站的供电本身就可能存在问题。3)监测装置的供电和设备的可靠性问题。监测装置位于输电线路杆塔上，长时间 工作在恶劣环境中，同时不仅要采集信号，还需要利用无线通信的方式将数据发送到控制 中心。虽然某些监测方案中提出了采用太阳能板+免维护蓄电池的供电方式，这种方式的 优点在于利用了太阳能，但是阴雨季节一般只能提供10天的电能。特别是在某些地方，由 于冬季持续大雾和低温，现有的供电方式甚至只能工作5天。此外，由于输电线路周围强电 磁干扰，也对这些基于电测量原理的装置屏蔽设计提出了考验。4)用上述技术构建的监测系统存在成本较高的缺点，这为大规模推广应用制造了障碍。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种能够满足现场恶劣环境条件、 长时间可靠工作的、可对输电线路覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及杆塔倾斜状态同时进行 监测的输电线路塔线体系状态监测装置为实现上述发明目的，本发明的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，包 括一个或多个测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对，光纤应变、温度传感器对中光纤温度传感器布置在光纤应变传感器的附近，光纤应变、温度传感器对安装在输电导线 上，用于测量安装处输电导线的应力和温度；一小型气象站，安装在杆塔上，用于测量杆塔及附近的风速风向；一个或多个测量弧垂的光纤应变、温度传感器对，安装在输电导线上，用于测量安 装处输电导线的应力和温度；一个或多个测量舞动的光纤加速度传感器，安装在输电导线上，用于测量安装处 输电导线的加速度；一个或多个测量微风振动的光纤加速度传感器，安装在输电导线与线夹最后接触 点外约89mm处，用于测量该处输电导线的加速度；多个测量杆塔倾斜的光纤应变传感器，分别安装在杆塔的不同位置，用于测量杆 塔上多点的应力变化；一光缆，与各光纤传感器以及小型气象站连接，将不同位置的各光纤传感器检测 的输电导线温度、应变、加速度、杆塔上的多点应力变化以及小型气象站检测的杆塔及附近 的风速风向传输到光调制解调仪；一光调制解调仪，用于通过光缆向各光纤传感器提供检测光源，并对反射回来的 光信号进行处理，从而得到不同位置的各光纤传感器检测的输电导线温度、应变、加速度、 杆塔上的多点应力变化，并连同接收到的小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传送给 计算机分析处理系统；一计算机分析处理系统，用于根据测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对检测 得到的输电导线温度、应变以及小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向，计算出输电导 线覆冰的质量；根据测量弧垂的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线应力和温度 计算出输电导线的最大弧垂；根据测量舞动的光纤加速度传感器检测得到的输电导线的加 速度，计算得到输电导线舞动的幅值和频率；根据测量微风振动的光纤加速度传感器检测 得到的加速度值计算得到输电导线相对于线夹的弯曲振幅值及振动频率；根据杆塔上的多 点应力变化，计算得到杆塔倾斜角度。本发明的发明目的是这样实现的本发明充分利用光纤传感器耐腐蚀、工作温度范围大、抗电磁干扰、无源、测量距 离长、工作可靠、寿命长等优点，将光纤传感器以准分布式结构配置在输电导线和塔杆上， 用于检测输电导线温度、应变、加速度以及杆塔上的多点应力变化并传输到光调制解调仪 解调后，送入计算机分析处理系统进行计算，得到输电导线覆冰质量、舞动幅度、微风振动 幅度和频率、弧垂以及塔杆倾斜角度，从而实现对输电线路覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及 杆塔倾斜状态的同时监测，并能够满足现场恶劣环境条件、长时间可靠地工作。
图1是本发明输电线路塔线体系状态监测装置一种具体实施方式
结构示意图；图2是计算输电导线覆冰质量的示意图；图3是计算输电导线最大弧垂的示意图；图4是本发明输电线路塔线体系状态监测装置一种具体实施方式
下的监测流程 图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。图1是本发明输电线路塔线体系状态监测装置一种具体实施方式
结构示意图。1、输电导线覆冰质量的监测如图1所示，在本实施例中，输电线路塔线体系状态监测装置在一个档距内包括 有两个测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对1，光纤应变、温度传感器对1中光纤温度 传感器布置在光纤应变传感器的附近，在图中用一个图标和附图标记表示。光纤应变、温度 传感器1对安装在输电导线上，用于测量安装处输电导线的应力和温度；小型气象站2，安装在杆塔上，用于测量杆塔及附近的风速风向；光缆3将温度传感器对1及小型气象站2连接，将光纤应变、温度传感器1对检测 得到的输电导线温度、应变以及小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传输到光调制解 调仪4 ；光调制解调仪4通过光缆3向光纤应变、温度传感器1提供检测光源，并对反射回 来的光信号进行处理，从而得到光纤应变、温度传感器1检测的输电导线温度、应变，并连 同接收到的小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传送给计算机分析处理系统5 ；计算机分析处理系统5用于根据测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器1对检测 得到的输电导线温度、应变以及小型气象站2检测的杆塔及附近的风速风向，计算出输电 导线覆冰的质量。图2是计算输电导线覆冰质量的示意图，为了方便描述和阅读，图中省略了其他 传感器、光缆以及光调制解调仪、计算机分析处理系统并只给出了一个光纤应变、温度传感 器1。如果安装多个光纤应变、温度传感器1，则可分别计算，然后，求平均得到输电导线覆 冰质量。在本实施中，输电导线覆冰质量的计算为(1)、根据光纤应变、温度传感器1对检测得到的输电导线应变，获得输电导线应 变增量，然后进行滤波，得到其中的输电导线应变稳态分量ξ ；(2)、根据光纤应变、温度传感器1对检测得到的输电导线温度t计算输电导线因 温度改变而产生的应变增量Δ = aU-tJ，其中，α为温度膨胀系数，、为初始的输电 线路温度；根据步骤(1)得到的导线应变稳态分量ξ，计算得到输电导线因覆冰和风载荷 而产生的应变量Δ ξ = ξ -Δ ξ t ；(3)、小型气象站2检测的杆塔及附近的风速ν和风向，风向为风与输电导线无风 情况下所在平面的夹角θ，然后根据输电线路设计技术规范中荷载计算手册，得到当地基 准风压标准值Wtl、风压不均勻系数％、导线体形系数μ s。、风压高度变化系数μ z、风与输电 导线无风情况下所在平面的夹角θ引起的风压随风向的变化系数μ θ ；(4)、计算输电导线覆冰厚度a、初始赋值令输电导线综合比载Y1= Ytl，覆冰的比载为Y2 = O,水平面内风的比载为Y3 =0，风偏平面内的输电导线最低点的应力O1= Qci，风偏角η =0，输电导线覆冰厚度b=0;其中，Ytl为输电导线的自重比载，％为输电导线安装光纤应变、温度传感器对时刻的 最低点的水平应力；b、根据线长公式、平均应力方程，计算出未覆冰状态下的输电导线线长L1和平均应力σ avl
权利要求
1.一种输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，包括一个或多个测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对，光纤应变、温度传感器对中光纤 温度传感器布置在光纤应变传感器的附近，光纤应变、温度传感器对安装在输电导线上，用 于测量安装处输电导线的应力和温度；一小型气象站，安装在杆塔上，用于测量杆塔及附近的风速风向；一个或多个测量弧垂的光纤应变、温度传感器对，安装在输电导线上，用于测量安装处 输电导线的应力和温度；一个或多个测量舞动的光纤加速度传感器，安装在输电导线上，用于测量安装处输电 导线的加速度；一个或多个测量微风振动的光纤加速度传感器，安装在输电导线与线夹最后接触点外 约89mm处，用于测量该处输电导线的加速度；多个测量杆塔倾斜的光纤应变传感器，分别安装在杆塔的不同位置，用于测量杆塔上 多点的应力变化；一光缆，与各光纤传感器以及小型气象站连接，将不同位置的各光纤传感器检测的输 电导线温度、应变、加速度、杆塔上的多点应力变化以及小型气象站检测的杆塔及附近的风 速风向传输到光调制解调仪；一光调制解调仪，用于通过光缆向各光纤传感器提供检测光源，并对反射回来的光信 号进行处理，从而得到不同位置的各光纤传感器检测的输电导线温度、应变、加速度、杆塔 上的多点应力变化，并连同接收的小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向传送给计算机 分析处理系统；一计算机分析处理系统，用于根据测量覆冰质量的光纤应变、温度传感器对检测得到 的输电导线温度、应变以及小型气象站检测的杆塔及附近的风速风向，计算出输电导线覆 冰的质量；根据测量弧垂的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线应力和温度计算 出输电导线的最大弧垂；根据测量舞动的光纤加速度传感器检测得到的输电导线的加速 度，计算得到输电导线舞动的幅值和频率；根据测量微风振动的光纤加速度传感器检测得 到的加速度值计算得到输电导线相对于线夹的弯曲振幅值及振动频率；根据杆塔上的多点 应力变化，计算得到杆塔倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，所述的各光 纤传感器和通信光缆的外壳防护都考虑输电线路所处的恶劣的自然环境；通信的光缆每隔 30厘米左右就与输电线路、铁塔用夹具固定，避免掉落；在通信光缆和铁塔连接下地的时 候，需要在光缆和铁塔之间采用光绝缘子串联接，以防止光缆的电腐蚀。
3.根据权利要求1所述的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，根据测量覆 冰质量的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线温度、应变以及小型气象站检测的 杆塔及附近的风速风向，计算出输电导线覆冰的质量为(1)、根据光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线应变，获得输电导线应变增量， 然后进行滤波，得到其中的输电导线应变稳态分量ξ ；(2)、根据光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线温度t计算输电导线因温度改 变而产生的应变增量Δ = aU-tJ，其中，α为温度膨胀系数，、为初始的输电线路温 度；根据步骤(1)得到的导线应变稳态分量ξ，计算得到输电导线因覆冰和风载荷而产生的应变量Δ ξ = ξ-Δ ξ,；(3)、小型气象站检测的杆塔及附近的风速ν和风向，风向为风与输电导线无风情况下 所在平面的夹角θ，然后根据输电线路设计技术规范中荷载计算手册，得到当地基准风压 标准值Wtl、风压不均勻系数％、导线体形系数μ s。、风压高度变化系数μ z、风与输电导线无 风情况下所在平面的夹角θ引起的风压随风向的变化系数μ θ ； G)、计算输电导线覆冰厚度a、初始赋值令输电导线综合比载Y1= Ytl,覆冰的比载为Y2 = O,水平面内风的比载为Y3 = O, 风偏平面内的输电导线最低点的应力O1= 0(1，风偏角η =0，输电导线覆冰厚度b = 0; 其中，Ytl为输电导线的自重比载，％为输电导线安装光纤应变、温度传感器对时刻的最低 点的水平应力；b、根据线长公式、平均应力方程，计算出未覆冰状态下的输电导线线长L1和平均应力
4.根据权利要求1所述的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，所述的根据 测量弧垂的光纤应变、温度传感器对检测得到的输电导线应力和温度计算出输电导线的最 大弧垂为1)输电导线上存在覆冰，并假设是均勻覆冰在这种情况下，最大弧垂fmax和档距1，高差角β，输电线路比载(含覆冰)Y、输电线 路覆冰后最低点的水平应力ο有关，Y、σ根据光纤应变、温度传感器对测得的应力变量 计算得出，最大弧垂计算公式为
5.根据权利要求1所述的输电线路塔线体系状态监测装置，其特征在于，所述的根据 杆塔上的多点应力变化，计算得到杆塔倾斜角度为首先，通过计算或者实验的方式先确定杆塔倾斜角度与应力分布变化之间的关系表， 然后根据测量杆塔倾斜的光纤应变传感器所测应变分布以查表的方式确定倾斜的角度。
全文摘要
本发明公开了一种输电线路塔线体系状态监测装置，充分利用光纤传感器耐腐蚀、工作温度范围大、抗电磁干扰、无源、测量距离长、工作可靠、寿命长等优点，将光纤传感器以准分布式结构配置在输电导线和塔杆上，用于检测输电导线温度、应变、加速度以及杆塔上的多点应力变化并传输到光调制解调仪解调后，送入计算机分析处理系统进行计算，得到输电导线覆冰质量、舞动幅度、微风振动幅度和频率、弧垂以及塔杆倾斜角度，从而实现对输电线路覆冰、舞动、微风振动、弧垂以及杆塔倾斜状态的同时监测，并能够满足现场恶劣环境条件、长时间可靠地工作。
文档编号G01K11/32GK102042885SQ20101050058
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者张昌华, 易建波, 曹永兴, 王恒松, 黄琦 申请人:电子科技大学