分布式架空导线脱冰跳跃实验系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种架空导线脱冰跳跃实验系统，属于输配电技术领域。
【背景技术】
[0002] 架空导线在冬季常会产生覆冰现象，由于气温升高、自然风力或者人为敲击等作 用，覆冰脱离架空导线产生脱冰跳跃动力学过程。导线脱冰后会发生上下起伏状形态的变 化，反映到端部张力上则会形成变化的动张力工况，区别于静态载荷，该动张力对输电塔的 结构安全性影响很大。2008年冰雪灾害中，有90%左右的倒塔都是由于脱冰跳跃形成的动 张力对铁塔的冲击作用所致，因此对脱冰跳跃这一非线性动力学过程进行研宄具有重要的 意义。
[0003] 但是目前针对该现象的实验系统较少，华北电力大学设计了一套输电线路脱冰模 拟实验系统（专利号：ZL201220701605. X)，该系统利用电磁铁悬吊和释放重物，操作灵活、 方便，大大提高了试验的工作效率；该系统利用计算机软件设置重物脱落的时序，有效提高 了试验过程的控制精度及试验系统的可操作性，可以模拟出多种复杂的脱冰工况；同时，可 以实现针对每路覆冰重物单独控制，进而完成按一定时序进行脱冰的工况模拟，该系统可 多次重复，且准确率高、一致性好。
[0004] 但是，上述系统主要存在以下缺陷：1)对采集信号处理的速度。利用一个单片机 同时处理多个重物同时掉落的指令，很大程度上影响了处理速度，若采用分布式的系统架 构可以提高系统的灵活性，适用于多种档距工况下的脱冰跳跃实验。2)所述系统只有一个 控制核心，即为星形连接方式，可扩展性较差。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，该系统 能够对架空导线脱冰跳跃工况进行模拟实验，并实时采集架空导线脱冰跳跃过程中端部动 张力变化情况，对进一步研宄架空导线脱冰跳跃非线性动力学过程大有裨益。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种分布式架空导线脱冰跳 跃实验系统，其特征在于包括脱冰跳跃实验模块、脱冰控制模块、动张力采集模块和导线跳 跃位移米集模块；
[0007] 所述的脱冰跳跃试验模块搭建脱冰跳跃实验系统基本环境，包括两个支架，以及 在两个支架之间的架空导线，在架空导线上分布设置有重物，所述的重物的质量为可调型， 重物上安装有电磁铁，用于模拟不同厚度的覆冰工况；
[0008] 所述的脱冰控制模块控制包括脱冰控制单元，所述的脱冰控制单元通过控制线与 1个以上的电磁铁连通，脱冰控制单元经过控制箱与计算机连接，所述的脱冰控制单元与电 磁铁通过外部的电磁铁电源供电，脱冰控制模块实现架空导线覆冰和脱冰工况的模拟，其 中脱冰控制单元负责按照脱冰控制系统指定的时序进行脱冰动作执行；
[0009] 所述的动张力采集模块包括设于架空导线一端的张力感应器，所述的张力感应器 依次经过变送器和采集卡与计算机连接，利用计算机实时采集架空导线脱冰跳跃过程中的 动张力，并对该动张力特性进行时频域分析；
[0010] 所述的导线跳跃位移采集模块实现导线档中位置脱冰跳跃位移变化时程情况的 采集，其包括摄像头，所述的摄像头与架空导线中部的档中标示点对正，并且摄像头对架空 导线的跳跃位移进行识别拍摄，并利用导线脱冰跳跃位移识别系统对档中位置标识点在各 个时刻下的位置进行识别，进而得出脱冰跳跃的位移时程。
[0011] 对上述系统做进一步说明，所述的脱冰控制单元为一个以上，脱冰控制单元之间 通过总线串联，串联后的脱冰控制单元经过控制箱与计算机连接，每个脱冰控制单元均分 别与四路重物的电磁铁连通，各路重物相互独立互不干扰，同时又相互等价，重物与脱冰控 制单元共同形成分布式架构的连接关系。
[0012] 对上述系统做进一步说明，所述的脱冰控制单元采用光耦合元器件将重物中的电 磁铁通断产生的瞬间高压与核心芯片隔离开来，所述的脱冰控制单元内部继电器与电磁铁 连接端反接有续流5819二极管，用于动作执行时将电磁铁上电流消耗掉。
[0013] 对上述系统做进一步说明，所述的脱冰控制系统控制脱冰控制单元切断每路重物 上的电磁铁供电，控制每路重物坠落时间不同，可实现覆冰重物部分档、顺序以及随机脱落 之类的非同期脱冰，并且脱冰动作指令由控制箱拨动开关统一发出，利用总线上电平瞬间 一致性，确保各个脱冰控制单元能够在同一时刻收到动作指令，实现精确时序脱冰工况模 拟。
[0014] 对上述系统做进一步说明，所述的脱冰控制系统中利用每个控制脱冰控制单元物 理地址的差异，区分控制脱冰控制单元的位置，并要求各个脱冰控制单元在同一时刻接收 到动作指令，并且脱冰控制单元通过高精度晶振提供精确时间周期，用于提高时间执行精 度及脱冰动作时序精度。
[0015] 对上述系统做进一步说明，所述的位移识别系统利用摄像头采集的架空导线中档 中标示点位移变化图像，对图像进行分帧处理，而后识别每帧图像中档中标示点的位移值， 再将各位移值与每帧图像的时间刻对应，绘制出架空导线脱冰跳跃档中位置位移时程曲 线。
[0016] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0017] 1)本发明能够模拟多种架空导线脱冰跳跃工况，跳跃过程中的动张力由动张力采 集模块实时采集，有助于进一步分析架空导线脱冰跳跃非线性动力学过程，进而设计出更 为有效的脱冰跳跃抑舞装置，提尚输电线路抗冰能力；
[0018] 2)本发明采用分布式的系统架构，将多个分布式控制单元采用总线方式连接，可 以根据线路长度和覆冰厚度方便地增加或缩减控制重物数，可以提高系统的灵活性和可扩 展性，适应于多种档距工况下的脱冰跳跃实验；
[0019] 3)本发明中时序配置采用统一发送指令实现，动作执行则由控制箱拨动开关统一 发送。为提高时间精度，新系统单独设立一根控制总线，拨动开关即改变总线上的电平，利 用电传播的高速性，使系统具有毫秒级执行时间误差，提高系统的执行精度；
[0020] 3)为减小干扰作用，本系统中分布式控制单元采用光耦合元器件将电磁铁通断 产生的瞬间高压与核心芯片隔离开来，光耦合元器件可为单通道高速光耦合器，其型号为 6N137,同时，脱冰控制单元中的继电器与电磁铁连接端反接有续流5819二极管，动作执行 时将电磁铁上电流消耗掉，保证重物即刻坠落，系统的抗干扰性能及稳定性增加；
[0021] 4)本发明将各控制单元硬件部分设计成完全一样，只需从软件角度改变各自物理 地址区分各控制单元的位置，只需每个脱冰控制单元的动作执行时各指令格式一样，动作 执tx时具有很尚的一致性，进而提尚时间执彳丁精度；
[0022] 5)本系统增加了有动张力和跳跃幅值测量子系统，可以实时采集脱冰跳跃过程中 的动力学特性。
【附图说明】
[0023] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0024] 图1本发明的系统组成示意图；
[0025] 图2是分布式架空导线脱冰跳跃实验系统总线结构图；
[0026] 图3是脱冰控制系统的逻辑流程图；
[0027] 图4是动张力采集模块逻辑流程图；
[0028] 图5是导线脱冰跳跃位移识别系统逻辑流程图；
[0029] 图6是三种覆冰工况下整档同时脱冰导线动张力时程曲线，其中图6(a)为5mm覆 冰整档同时脱冰，图6(b)为IOmm覆冰整档同时脱冰，图6(c)为15_覆冰整档同时脱冰；
[0030] 图7为15mm从左往右间隔20、50、IOOms顺序脱冰动张力；
[0031] 图8为档中位置处脱冰跳跃位移时程曲线，其中图8(a)为5mm覆冰时档中位 置处脱冰跳跃位移时程曲线，图8(b) IOmm覆冰时档中位置处脱冰跳跃位移时程曲线，图 8 (c) 15mm覆冰时档中位置处脱冰跳跃位移时程曲线；
[0032] 其中：1、支架，2、重物，3、架空导线，4、档中标示点，5、摄像头，6、张力传感器，7、变 动器，8、采集卡，9、计算机，10、控制箱，11、脱冰控制单元，12、总线，13、电磁铁电源，14、控 制线，
【具体实施方式】
[0033] 根据附图1可知，本发明具体涉及一种分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，该系 统包括脱冰跳跃实验模块、脱冰控制模块、动张力采集模块和导线跳跃位移采集模块四大 部分。
[0034] 脱冰跳跃试验模块搭建脱冰跳跃实验系统基本环境，包括两个支架1，以及在两个 支架1之间的架空导线3,在架空导线3上分布设置有重物2,用于模拟覆冰，重物2的质量 为可调型，重物2上安装有电磁铁，通过控制电磁铁通断就可以方便控制重物2脱离架空导 线3动作实现，用于模拟不同厚度的覆冰工况。
[0035] 在附图1中，脱冰控制模块控制包括脱冰控制单元11、控制箱10和计算机9,每四 路重物2接入一台脱冰控制单元11，脱冰控制单元11对每路电磁铁进行单独控制，这样的 机制确保每路电磁铁之间动作执行相互独立，同时各个重物2和脱冰控制单元11采用同样 的设计方式，这样确保了各重物相互等价，进而可以实现任意时序的脱冰跳跃动作。其中各 个脱冰控制单元11采用分布式结构，图1中绘制出了 5个脱冰控制单元11，将脱冰任务分 散至各脱冰控制单元11上，与此同时，系统还可以链接更多的脱冰控制单元，完成更大档 距的脱冰工况实验。为减小电磁铁通断对实验系统的影响，系统对电磁铁单独进行供电，所 有的电磁铁从电源总线上取电，互不干扰。各个脱冰控制单元采用总线12连接，总线12包 括电源总线、控制总线和通信总线，其中电源总线主控对各脱冰控制单元11进行供电，控 制总线对挂接在其上的各个脱冰控制单元11发送动作指令，通信总线完成各个脱冰控制 单元的指令传递任务，实现各路覆冰重物脱冰时序设置，其中脱冰动作