一种输电导线覆冰类型自动识别装置及识别方法与流程

本发明属于输电线覆冰测量技术领域，具体涉及一种输电导线覆冰类型自动识别装置，本发明还涉及输电导线覆冰类型自动识别方法。

背景技术：

输电线路覆冰会对电网的安全运营造成极其严重的威胁，常造成导线舞动、弧垂下降、短路放电、断线断股、金具损坏、不同期脱冰导线跳跃以及杆塔倒塌等事故，极易造成户外电力设备损坏，而且对高压输电线、通信线危害极大，严重危害电力系统的安全运行，且事故多发生在寒冬或初春季节，有时候由于受到冰雪天气的影响，会拖慢抢修进度，使恢复供电的时间被延长，造成居民生活不便，有时甚至会造成巨大的经济损失。

输电线路覆冰积雪威胁着电力及通信网络的安全可靠运行，几十年来国内外一直不断的研究和探索抗击冰害对电网系统的影响，对于大气覆冰形成条件，不同类型覆冰机理以及防冰除冰措施做出了一系列深入研究，并在线路设计阶段制定了相应的设计标准和规范。然而，由于不同环境条件下覆冰类型的不同，所造成的危害也是不尽相同。按照密度由低到高可以将覆冰类型大致分为软雾凇、硬雾凇和雨凇；其对电力设备的危害也是随着密度的增大而越发严重。其中，由于密度影响了冰层内部冰晶结构，所导致对于不同覆冰类型的监测、判断出现误差，会严重的影响工作人员更好的去开展防冰、除冰工作。由此可见，测量覆冰样本介电常数的方法和得到的结果对于架空输电线路覆冰分类与监测具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种输电导线覆冰类型自动识别装置，解决了现有技术中存在的输电线路覆冰监测中无法区分覆冰类型的问题。

本发明的另一目的是提供一种输电导线覆冰类型自动识别方法。

本发明所采用的第一技术方案是，一种输电导线覆冰类型自动识别装置，包括设置在覆冰样本两端的lcr高精度测量仪和温度测量装置，lcr高精度测量仪和温度测量装置之间还通过rs232连接线4连接有数据处理终端。

本发明第一技术方案的特点还在于，

覆冰样本包括导线，导线内部沿电流流向依次设置有电容极板a和电容极板b，电容极板a和电容极板b之间的导线上设置有一对温度传感器，温度传感器与温度传感器引线连接，温度传感器引线穿过电容极板a与温度测量装置连接，电容极板b与lcr高精度测量仪连接，lcr高精度测量仪还与电容极板a连接，导线两端还通过联轴器与电机连接。

电容极板b包括依次为同心圆设计的等电位环b、铝制圆环、绝缘环、等电位环a，绝缘环和等电位环a之间以及绝缘环和铝制圆环之间均设置有电极触点。

本发明所采用的第二技术方案是，一种输电导线覆冰类型自动识别方法，基于一种输电导线覆冰类型自动识别装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设置lcr高精度测量仪的参数，使其对电容极板a和电容极板b施加不同频率参数；

步骤2、覆冰样本数据采集，建立介电常数值与覆冰样本密度之间的关系；

步骤3、根据步骤2得到的介电常数值与覆冰样本密度之间的关系判断覆冰类型。

本发明第二技术方案的特点还在于，

步骤2具体为：

通过对两个电容极板之间施加一定强度的电场，在两极板电场分布区间下，调节lcr高精度测量仪至所需频率，对不同体积分数冰-空气的覆冰样本介电常数进行数据采集，直至覆冰厚度达到电容极板a外源为止，测得不同覆冰样本介质介电常数，建立样本介电常数与其密度之间关系：

不同介质介电常数与电容的关系可以表示如下：

上式中，εx表示电容极板a与电容极板b之间介质介电常数；

ε0表示真空介质介电常数；

a表示电容极板a的横截面积；

l表示电容极板a与电容极板b间距；

在覆冰厚度由等电位环b增长至等电位环a的过程中，实时记录增长过程不同状态下的密度与介电常数值，通过实验数据拟合密度-介电常数函数关系。

步骤2中对两个电容极板之间施加的电场强度为e＝10v。

步骤2中真空介质介电常数ε0取值为ε0＝8.854*10^-12f/m。

步骤3覆冰类型具体的判断如下：

当密度介于800～900kg/m3时，覆冰类型为雨凇类型；当密度介于600～800kg/m3时，覆冰类型为硬雾凇类型；当密度介于300～600kg/m3时，覆冰类型为软雾凇类型；当在密度介于<300kg/m3，覆冰类型为凝霜类型。

本发明的有益效果是，一种输电导线覆冰类型自动识别方法，基于覆冰冰样本与空气之间电气差异特性原理，采用电容法对覆冰样本介电常数测量，采集覆冰样本数据，建立介电常数值与覆冰样本密度之间的关系，根据介电常数值与覆冰样本密度之间的关系，快速准确的判断覆冰类型。

附图说明

图1是本发明一种输电导线覆冰类型自动识别装置的结构示意图；

图2是本发明一种输电导线覆冰类型自动识别装置中介电常数测量单元结构示意图。

图中，1.lcr高精度测量仪，2.电容极板b，3.数据处理终端，4.rs232连接线，5.温度测量装置，6.导线，7.电容极板a，8.温度传感器引线，9.温度传感器，10.覆冰样本，11.铝制圆环，12.绝缘环，13.电位环a，14.电极触点，15.联轴器，16.电机，17.电位环b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种输电导线覆冰类型自动识别装置，结构如图1、图2所示，包括设置在覆冰样本10两端的lcr高精度测量仪1和温度测量装置5，lcr高精度测量仪1和温度测量装置5之间还通过rs232连接线4连接有数据处理终端3。

覆冰样本10包括导线6，导线6内部沿电流流向依次设置有电容极板a7和电容极板b2，电容极板a7和电容极板b2之间的导线上设置有一对温度传感器9，温度传感器9与温度传感器引线8连接，温度传感器引线8穿过电容极板a7与温度测量装置5连接，电容极板b2与lcr高精度测量仪1连接，lcr高精度测量仪1还与电容极板a7连接，导线6两端还通过联轴器15与电机16连接。

电容极板b2包括依次为同心圆设计的等电位环b17、铝制圆环11、绝缘环12、等电位环a13，绝缘环12和等电位环a13之间以及绝缘环12和铝制圆环11之间均设置有电极触点14。

一种输电导线覆冰类型自动识别方法，基于一种输电导线覆冰类型自动识别装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设置lcr高精度测量仪1的参数，使其对电容极板a7和电容极板b2施加不同频率参数；

步骤2、覆冰样本10数据采集，建立介电常数值与覆冰样本10密度之间的关系，具体为：

通过对两个电容极板之间施加一定强度的电场，对两个电容极板之间施加的电场强度为e＝10v，在两极板电场分布区间下，调节lcr高精度测量仪1至所需频率，对不同体积分数冰-空气的覆冰样本10介电常数进行数据采集，直至覆冰厚度达到电容极板a7外源为止，测得不同覆冰样本10介质介电常数，建立样本介电常数与其密度之间关系：

不同介质介电常数与电容的关系可以表示如下：

上式中，εx表示电容极板a7与电容极板b2之间介质介电常数；

ε0表示真空介质介电常数，ε0取值为ε0＝8.854*10^-12f/m；

a表示电容极板a7的横截面积；

l表示电容极板a7与电容极板b2间距；

在覆冰厚度由等电位环b17增长至等电位环a13的过程中，实时记录增长过程不同状态下的密度与介电常数值，通过实验数据拟合密度-介电常数函数关系；

步骤3、根据步骤2得到的介电常数值与覆冰样本10密度之间的关系判断覆冰类型，覆冰类型具体的判断如下：

当密度介于800～900kg/m3时，覆冰类型为雨凇类型；当密度介于600～800kg/m3时，覆冰类型为硬雾凇类型；当密度介于300～600kg/m3时，覆冰类型为软雾凇类型；当在密度介于<300kg/m3，覆冰类型为凝霜类型。

本发明一种输电导线覆冰类型自动识别方法，可以在人工气候实验室内，调节覆冰气象参数模拟自然覆冰工况，首先搭建介电常数测量单元：通过电容极板内径轴孔的间隙配合连接导线6与电容极板并通过橡胶垫使其无缝连接；温度传感器9选用贴片式pt100防水型温度传感器，粘贴于导线6表面并通过导线6表面孔隙引出引线。通过电容极板表面极点连接lcr高精度测量仪1与稳压电源。在导线6上的监测单元搭建完毕后，将电机16与导线6两端的联轴器15连接，并控制电机16低速均匀转动。

本实验过程中采用导线6代替架空导线，导线6采用直径4cm、长度0.8m、厚度1.5mm的耐低温pe塑料管。采用安装在导线6上的电容极板a7和电容极板b2测量介电常数，电容极板a7和电容极板b2由厚度1mm的铝制圆环构成，圆环内径4cm、外径10cm。由于电容极板中部的电场分布均匀，电场线近似平行直线分布，而受电极形状的限制，在边缘处的电场线会从极板间扩展到外部空间，电场线会由平行线变为呈开口状分布，这种电场分布一般集中在极板边缘，因此电容极板b2外缘部分安装有绝缘环12与电位环a13消除这种边缘效应及电气绝缘等问题对实验的误差影响。电容极板与导线6的连接是通过导线与电容极板内径孔-轴间隙配合连接使用，导线6通过电容极板内径穿过，并用橡胶垫使连接处紧密连接。电容极板a7和电容极板b2之间间距为15cm，在电容极板上连接有可以形成稳定电场的稳压电源和用来监测电容极板间覆冰样本电容变化的lcr高精度测量仪1。

由于介质损耗因数和介电常数与介质所处温度环境有密切关系，因此对覆冰样本10进行温度监测很有必要。本发明采用了防水性、耐低温性优良的贴片式pt100温度传感器监测导线表面温度，贴片分布在两电容极板间，为消除实验误差影响，导线同一径向位置使用散热性良好的导热硅脂粘贴多组温度传感器贴片并将监测得到温度值的平均值作为导线表面的实际温度。导线表面温度监测可以对覆冰冰形结构以及介电常数在不同温度下进行量化分析，其连接引线通过导线表面孔隙引出，并连接至温度测量装置5。

因本发明采用的电极构形在空气介质中测量的电容率与真空介质相比也具有足够的精度，所以不再涉及对真空介质电容率的测量，只进行覆冰样本介质介电常数的实验测量。

实验平台搭建完毕后，在人工气候实验室内，调节覆冰气象参数，如环境温度、风速、释放液滴直径大小等。由于只有少数材料其介电常数才会在很宽的频率范围内基本恒定，因而必须在一定的频率区段内选择适合样本介质的频率进行测量。因此在导线表面进行覆冰的同时，设置lcr高精度测量仪1，使其对电容极板施加不同频率参数，选择最优测量频率。

由于覆冰样本中不同的冰晶体结构会影响其介电常数值，而覆冰样本内冰—空气结构与其所占样本体积分数、密度有着关系。因此，有必要在人工气候实验室中对不同体积分数冰-空气的覆冰样本介电常数进行数据采集，以便装置用于实际架空导线时比对监测数据，并快速准确的判断覆冰类型。

因为覆冰样本内不同的冰-空气所占体积分数值相应的会对应于一个介电常数值。同时，由于覆冰介质中冰-空气所占的体积分数的不同会直接影响测量样本密度大小，而根据样本密度可知其覆冰类型；为此，在人工气候实验室中，通过调节覆冰气象参数，改变导线表面覆冰样本中冰-空气所占样本体积分数，与此同时，监测其介电常数值。通过不断地改变冰与空气组分比例，采集其对应于其介电常数大小，建立介电常数值与覆冰样本密度之间的联系。

因此，通过专用介电常数测量单元，可测得不同覆冰样本介质介电常数，建立样本介电常数与其密度之间关系，通过测量的介电常数反推可知其内部冰-空气组分比例区间，进而通过覆冰样本密度所处值域可知其覆冰类型。

本发明一种输电导线覆冰类型自动识别装置及识别方法，主要是基于覆冰冰晶体与空气之间电气差异特性原理，采用电容法对覆冰样本介电常数测量，通过调节人工气候实验室气象参数制备覆冰生长条件，并设计了用于测量覆冰介质介电常数的专用测量模块，如：电容传感器和模拟导线等，快速准确的判断覆冰类型。