一种基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法和系统，其中，所述方法包括：首先，获取耐张塔导线无覆冰时的竖直方向力和水平张力；然后，根据无覆冰时的水平张力，计算得到无覆冰时的导线水平应力；再获取覆冰时的气温和悬挂点的第二监测拉力值；计算出覆冰时的竖直方向力和水平张力；并计算出覆冰时的倾斜角，进一步得到覆冰导线单位长度重量；最后，根据覆冰导线单位长度重量、无覆冰时导线单位长度自重得到导线覆冰厚度。从而弥补了工程应用中缺少耐张塔导线覆冰厚度计算模型的不足。且具有输入监测参数少、监测设备要求低、计算准确度高等优点，在实际工程运用中效果良好，具有很好的推广应用前景。
【专利说明】一种基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法和系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及输电线路覆冰计算领域，尤其涉及一种基于称重法的耐张塔导线覆冰 厚度计算方法和系统。
【背景技术】
[0002] 输电线路覆冰是电网安全运行的重大威胁，严重的覆冰将导致倒塔、断线等重大 事故。南方电网为了在覆冰期及时、有效的监测与预警冰情，建立了覆冰预警系统，为防冰 工作人员制定防冰、融冰决策提供了巨大的技术支持。
[0003] 覆冰厚度计算模型是覆冰预警系统的重要组成部分。覆冰监测终端采集的基础 数据，经过覆冰厚度计算模型换算成现场覆冰厚度，才能直观、准确的反映输电线路覆冰情 况。在覆冰在线监测技术中，由于称重法原理直接、技术应用相对成熟，因此用于工程实践 中的主要采用基于称重法原理的覆冰厚度计算模型。但是，基于称重法的覆冰厚度计算模 型仍存在诸多关键性问题尚未解决，如目前国内覆冰厚度计算模型主要集中在计算直线塔 导线覆冰厚度，缺乏对耐张塔导线覆冰厚度计算模型的研究。国家电网为了避免无法计算 耐张塔导线覆冰厚度问题，覆冰监测终端均安装于直线塔。
[0004] 受华南静止锋及地形因素的影响，南方电网输电线路覆冰较国网严重的多，而耐 张塔能够承受断线拉力，在重覆冰区域，为了防止大范围倒塔事故，普遍采用耐张塔。同时 南方地区地形复杂，山体较多，耐张塔应用较国网广泛。根据防冰工作的需要，南网部分覆 冰终端安装于耐张塔。
[0005] 如图1所示，架空输电线路覆冰监测终端一般由监测终端、通信网络和系统主站 (图中用监控中心主站表示）构成。其中，覆冰监测终端（即监测终端）包括拉力及角度传 感器、泄露电流传感器、气象传感器、角度传感器、摄像头等部件。具体运作流程为：传感器 监测现场数据，通过GSM/GPRS网络传送至系统主站，系统主站的后台软件根据覆冰厚度计 算模型，实时计算导线覆冰厚度。覆冰在线监测技术拟在解决人工巡视效率低、建造观冰站 费用高且效果不明显等问题。
[0006] 目如，覆冰厚度计算方法主要有流体力学法、称重法、倾角一张力法、倾角一弧垂 法、图像监测法、模拟导线法等，其中称重法、倾角法原理较简单、设备要求较低，在国内工 程实践中应用最广。但是由于角度传感器精度不够及故障率较高等问题，倾角法存在的技 术难点较多，因此称重法是目前最适于覆冰厚度监测的方法。
[0007] 称重法即是通过覆冰终端监测绝缘子串悬挂点荷载、环境气象条件、倾角等参量， 运用静力分析方法，将监测荷载的增量换算成等值覆冰厚度（冰密度〇.9g/cm 3)。虽然不同 研究者采用的静力分析方法、终端监测参量、数据处理过程有所差异，但是大体思路相近。
[0008] 华南理工大学的阳林等提出的覆冰厚度计算模型思路为：以绝缘子串悬挂点拉力 和倾斜角为基本参量，考虑风偏因素，将导线力学参量归算到风偏平面，通过风偏平面内坚 直方向的静力学受力平衡计算出等效导线长度，进而计算等值覆冰厚度，并可根据人工观 冰结果修正等效导线长度，提高计算结果的准确性。该模型又被称为反演计算模型，现为南 方电网统一部署模型。
[0009] 西安交通大学的黄新波的计算模型思路为：运用导线长度求解水平张力，并根据 水平张力和坚直方向力静力平衡关系求解综合荷载，运用风速传感器监测量计算风荷载， 综合荷载减去风荷载求得覆冰荷载，进而求出等值覆冰厚度。
[0010] 其他基于称重法的覆冰模型大体思路同上述两个覆冰模型相近，即先求解坚直方 向力的变化，进而求出覆冰荷载，最后计算等值覆冰厚度。理论及实践表明，这种思路只适 用于计算直线塔导线覆冰厚度。
[0011] 由于耐张绝缘子串悬挂点不仅承受了导线重力，还承受了导线水平张力。因此，直 线塔覆冰厚度计算模型不能适用于耐张塔。目前国内对耐张塔架空输电线路覆冰厚度计算 的研究较少，未能对耐张塔导线覆冰厚度计算影响因素做深入研究，更无法把耐张塔导线 覆冰厚度计算模型应用到工程中。
[0012] 近年来，较具代表性的耐张塔导线覆冰厚度计算模型只有一种，为重庆大学蒋兴 良于2013年提出的基于监测拉力和倾角的输电线路等值覆冰厚度计算模型（下称蒋氏模 型）。
[0013] 如图2所示，根据静力平衡原理，在悬挂点B取力矩，可以得到： (0, / / , 、 / 1、
[0014] /-//,*// -----^{ω! - = 〇 ( 1 ) ( cos2
[0015] V" =~~- + + (2) 2 cos β /
[0016] 式中：^为Α悬挂点坚直方向受力；Ha为Α悬挂点水平张力；ω为导线单位长度重 量；ω τ为绝缘子串单位长度自重；1为两杆塔间的档距；β为高差角；Θ为绝缘子串倾斜 角；λ为耐张绝缘子串的长度。
[0017] 覆冰时，由倾角传感器测量得到的绝缘子串倾角为Θ 2，由拉力传感器测量得到的 绝缘子串挂点拉力为Τ2。根据坚直平面受力关系：
[0018] Va2 = T2 · sin θ 2 (3)
[0019] Ha2 = Τ2 · cos θ 2 (4)
[0020] 代入式（1)、（2)可以求出覆冰时导线单位长度重量ω2，利用式（5)即可求出等值 覆冰厚度。 , I~ω2 ~ ωι fi/V d
[0021 ] ? = , I---- \ 2.773 x 10'2 U) 2 (5)
[0022] 式中：b为导线等值覆冰厚度；d为导线直径；ωι为无覆冰时导线单位长度重量； ω2为覆冰导线单位长度重量。
[0023] 在风荷载方面，蒋氏模型采用倾角传感器测量风偏角η，根据以下公式，将档距 1、高差h、高差角β换算到坚直平面。
[0024] Ιη =1ψ + {?&ηβ?ηη)2 (6)
[0025] h n = hcos η (7)
[0026] cosβη = cosβψ + (tanβsin //)" ( 8 )
[0027] 将（6)?（8)式换算后的参量代入（1)?（5)式，可求出风偏平面内的等值覆冰 厚度。
[0028] 然而，由于蒋氏覆冰厚度计算模型大量采用了倾角传感器监测量，其计算结果的 精度主要取决于倾角传感器精度。但理论及实践表明，覆冰厚度在〇?20mm范围内，耐张 串倾斜角的变化量极小，约在〇?3°范围内。而在工程应用中，倾角传感器易受外界干扰 和安装位置的影响，倾角测量的绝对误差一般为2?3° (实验数据），甚至更大，因此在工 程中根本无法运用（3)?（4)式求出覆冰时准确的坚直方向力及水平应力，也就无法求出 准确的覆冰厚度。
[0029] 风荷载的计算过程中，风偏角的测量同样存上述问题，角度监测结果往往是无效 数据，因而现场的应用不佳。同时，蒋氏覆冰厚度计算模型未考虑气温对计算结果的影响， 而水平张力受气温变化的影响较大，一定程度上加大了计算结果误差。
[0030] 有鉴于此，现有技术有待改进和提商。
【发明内容】
[0031] 鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于称重法的耐张塔导线覆冰厚 度计算方法和系统。旨在解决现有技术中在工程应用中存在的计算结果误差较大的问题。
[0032] 本发明的技术方案如下：
[0033] -种基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法，其中，所述方法依次包括以下 步骤：
[0034] A、获取耐张塔悬挂点无覆冰时的坚直方向力和水平张力氏；
[0035] B、根据无覆冰时的水平张力氏，按照公式Η = 〇 ·Α·Ν，计算得到无覆冰时的导 线水平应力σι，其中，Α为导线横截面积，Ν为导线分裂数；
[0036] C、获取覆冰时的气温t2和悬挂点的第二监测拉力值T2 ;则覆冰时的坚直方向力^ 和水平张力Η2满足如下公式：
[0037] V2 = Τ2 · cos θ 2 ；H2 = T2 · sin θ 2 ；
[0038] 其中，Θ 2为覆冰时的倾斜角；
[0039] D、计算出覆冰时的倾斜角Θ 2，并进一步得到覆冰导线单位长度重量ω2 ;
[0040] Ε、将覆冰导线单位长度重量ω2、无覆冰时导线单位长度自重…带入下式得到导 线覆冰厚度b:
[0041] b = J C〇2 + I"--； V 2.773 xio-2 yi) 2
[0042] 其中，d为导线的直径。
[0043] 所述的基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法，其中，所述步骤A具体包括：
[0044] A1、在无覆冰，气温在-2到0°C，风速0?2m/s的气象条件下，获取悬挂点的第一 监测拉力值?\ ;
[0045] Α2、将第一监测拉力值?\带入下述公式：
【权利要求】
1. 一种基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法，其特征在于，所述方法依次包括 以下步骤： A、 获取耐张塔导线无覆冰时的坚直方向力 ' 和水平张力Hi ; B、 根据无覆冰时的水平张力氏，按照公式Η = 〇 ·Α，计算得到无覆冰时的导线水平应 力，其中，Α为导线横截面积； C、 获取覆冰时的气温t2和悬挂点的第二监测拉力值T2 ;则覆冰时的坚直方向力V2和水 平张力H2满足如下公式： V2 = T2 · cos θ 2 ；H2 = T2 · sin θ 2 ； 其中，Θ 2为覆冰时的倾斜角； D、 计算出覆冰时的倾斜角θ2，并进一步得到覆冰导线单位长度重量ω2; Ε、将覆冰导线单位长度重量ω2、无覆冰时导线单位长度自重ωι带入下式得到导线覆 冰厚度b:
其中，d为导线的直径。
2. 根据权利要求1所述的基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法，其特征在于， 所述步骤A具体包括： A1、在无覆冰，气温在-2到0°C，风速0?2m/s的气象条件下，获取悬挂点的第一监测 拉力值; A2、将第一监测拉力值?\带入下述公式：
得到坚直方向力 ' 和水平张力氏； 其中，V为悬挂点坚直方向受力；Η为悬挂点水平张力；1为计算侧档距；N为导线分裂 数；为无覆冰时导线单位长度自重；为绝缘子串单位长度自重；β为高差角；λ为耐 张绝缘子串的长度。
3. 根据权利要求1或2所述的基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法，其特征在 于，所述步骤Β中还包括： 判断所述导线水平应力σ i是否在预先设定的范围之内，若是进行步骤C，否则提示输 入数据有误，提示重新输入数据。
4. 根据权利要求3所述的基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法，其特征在于， 所述预先设定的范围为：15Mpa?40Mpa。
5. 根据权利要求2所述的基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算方法，其特征在于， 所述步骤D具体包括： D1、根据公式1
σ 1 = Η/ (N · A); σ 2 = H2/ (N · A)； 以及 ω2 = g2 · A ; 计算得到：
其中，L为计算侧代表档距；为计算侧代表高差角；gl为无覆冰时的导线比载；g2为 覆冰时的导线比载；tpt2为覆冰前后监测气温；α为导线热膨胀系数；E为导线弹性系数； D2、根据上述计算得到的公式，以及三角函数关系，解出覆冰时的倾斜角Θ 2，并带入下 式得到覆冰导线单位长度重量ω2 :
6. -种基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算系统，其特征在于，所述系统包括： 第一测量单元，用于获取耐张塔导线无覆冰时的坚直方向力 ' 和水平张力氏； 第一计算单元，用于根据无覆冰时的水平张力氏，按照公式Η = 〇 ·Ν·Α，计算得到无 覆冰时的导线水平应力σ i，其中，Α为导线横截面积，Ν为导线分裂数； 第二测量单元，用于获取覆冰时的气温t2和悬挂点的第二监测拉力值T2;则覆冰时的 坚直方向力V2和水平张力Η2满足如下公式： V2 = Τ2 · cos θ 2 ；H2 = T2 · sin θ 2 ； 其中，Θ 2为覆冰时的倾斜角； 第二计算单元，用于计算出覆冰时的倾斜角Θ 2，并进一步得到覆冰导线单位长度重量 ω2 ; 第三计算单元，用于将覆冰导线单位长度重量ω2、无覆冰时导线单位长度自重^^带 入下式得到导线覆冰厚度b:
其中，d为导线的直径。
7. 根据权利要求6所述的基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算系统，其特征在于， 所述第一测量单元具体包括： 第一监测子单元，用于在无覆冰，气温在-2到0°C，风速0?2m/s的气象条件下，获取 悬挂点的第一监测拉力值T1; 第一计算子单元，用于将第一监测拉力值?\带入下述公式： τ'=小· ， ΝωΛ l t 、 hi ? V-l-II-h--!----λ{ω,-Ν(〇,)l = Q 以汉 cos/y 2 V 7 l； · 得到坚直方向力 ' 和水平张力氏； 其中，V为悬挂点坚直方向受力；Η为悬挂点水平张力；1为计算侧档距；N为导线分裂 数；为无覆冰时导线单位长度自重；为绝缘子串单位长度自重；β为高差角；λ为耐 张绝缘子串的长度。
8. 根据权利要求6或7所述的基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算系统，其特征在 于，所述第一计算单元中还包括： 判断所述导线水平应力σ i是否在预先设定的范围之内，若是进行步骤C，否则提示输 入数据有误，提示重新输入数据。
9. 根据权利要求8所述的基于称重法的耐张塔导线覆冰厚度计算系统，其特征在于， 所述预先设定的范围为：15Mpa?40Mpa。
【文档编号】G06F19/00GK104091046SQ201410268423
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】张厚荣 申请人:中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心