一种架空输电线路导线等值冰厚精准计算方法与流程

1.本发明属于覆冰厚度监测技术领域，尤其涉及一种架空输电线路导线等值冰厚精准计算方法。
技术背景
2.随着超特高压输电工程建设的推进，远距离、大容量的输电线路不可避免地要穿越高寒、高湿、高海拔地区以及复杂地形地貌造成的很多小气候、微地形区域，输电线路覆冰问题将更加突出，超特高压线路外绝缘面临着重污秽、重覆冰问题。
3.如何有效预测输电线路覆冰程度及准确监测其覆冰增长过程，成为国内外重要研究课题，对于电网覆冰后电力部门及时采取防冰、除冰措施，从而避免发生冰灾事故有着重要意义。国内外研究人员提出了众多预测导线覆冰的模型及监测方法，然而在工程中没有得到广泛应用，其主要原因在于：覆冰条件恶劣，基于覆冰过程中覆冰参数测量而建立的模型，由于测量参数不准而失效；基于输电线路力学特性分析建立的模型，由于影响导线覆冰的因素过于复杂，模型未考虑因素多，故模型计算的精确性不高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种架空输电线路导线等值冰厚精准计算方法，以解决现有技术的覆冰冰厚计算基于覆冰过程中覆冰参数测量而建立的模型，由于测量参数不准而失效；基于输电线路力学特性分析建立的模型，由于影响导线覆冰的因素过于复杂，模型未考虑因素多，故模型计算的精确性不高等技术问题。
5.本发明技术方案：
6.一种架空输电线路导线等值冰厚精准计算方法，它包括：
7.步骤1、在垂直平面内对架空线无外荷载时的力学特性进行分析计算；
8.步骤2、考虑导线受横向风作用偏离垂直平面η角度，将步骤1的力学参数归算至风偏平面；
9.步骤3、建立风偏平面内架空线力学平衡方程，得到导线均匀覆冰等值荷载q
ice
，计算导线综合荷载等值冰厚。
10.步骤1所述在垂直平面内对架空线无外荷载时的力学特性进行分析计算的方法包括：
11.设无外荷载架空线处于adbe平面内，a、b为两不等高悬挂点，为无外荷载时的架空导线，γ为导线自荷载，l为水平档距，h为悬挂点高度差，θ为绝缘子串倾斜角，β为高差角，o为导线最低点，l
a
、l
b
分别为杆塔a、b到导线最低点o的水平档距，s为整档导线的原始长度；
12.导线自身重力引起的比载称为自重比载，假设单位长度导线质量为m，则单位长度导线自荷载q0为：
13.q0＝9.8m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
14.则自重比载γ为：
[0015][0016]
式中，q0：单位长度导线自荷载，n/m；a：导线横截面积；
[0017]
悬挂点不等高，全档架空线实际线长由斜抛物线方程表示为：
[0018][0019]
导线覆冰时温度低于线路设计时参考温度，温度变化将引起线长变化，假设覆冰时，温度为t℃，则垂直平面内整档导线实时长度s
t
表示为，
[0020]
s
t
＝s
‑
sαδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]
式中，α：架空线温度膨胀系数；δt：架空线设计时参考温度与覆冰时温度的差值；
[0022]
已知的线路参数有：水平档距l、高差角β、导线设计长度s、导线自重比载γ、覆冰温度t；由式(3)、式(4)推导得出垂直平面内导线水平应力σ0，即
[0023][0024]
架空线最低处，其斜率应为零，则得a处距导线最低点o的水平档距和架空悬线a点到导线最低点o的导线长度s
a
分别为
[0025][0026][0027]
步骤2所述考虑导线受横向风作用偏离垂直平面η角度，将步骤1的力学参数归算至风偏平面的方法为：
[0028]
横向稳定风作用于导线及绝缘子串，使几何平面adbe整体偏移垂直平面一定角度形成ad'be'平面，平面ad'be'即为风偏平面，该偏移角度即为风偏角η；
[0029]
实弧线为风偏平面ad'be'内的架空线，l'、β'、h'、γ'等为风偏平面内的导线力学参数；风偏平面ad'be'内的各力学参量均由垂直平面内的各参量换算得到，
[0030][0031]
根据求得的风偏平面ad'be'内各力学参量，再由式(7)可推导得出风偏平面ad'be'内杆塔a到导线最低点o'的线长s
a
'，即
[0032][0033]
步骤3所述建立风偏平面内架空线力学平衡方程的方法为：
[0034]
在风偏平面ad'be'内，导线覆冰将引起绝缘子串倾角变化，设θ'为绝缘子串悬挂点轴向拉力f与水平方向(ax'方向)夹角，即ad'be'平面内绝缘子串的倾斜角；则得θ'与风偏角η及垂直平面adbe内绝缘子串沿线方向的倾斜角θ之间的关系，表示为：
[0035][0036]
设g为绝缘子串及金具自重总和，导线自重荷载为q0，q
ice
为导线均匀覆冰等值荷载，覆冰后传感器测得拉力的竖直方向的分量为f
v
＝fsinθ'；忽略耐张绝缘子串及金具上的覆冰量，则根据导线覆冰后竖直方向上的力学平衡，则：
[0037][0038]
式中：g/cosη为绝缘子串及金具在风偏平面ad'be'内竖直方向向下的力，即绝缘子串及金具自重与风共同作用形成的综合载荷；
[0039][0040]
所述计算导线综合荷载等值冰厚的方法为：
[0041]
设导线直径为d，冰密为ρ0，雨淞覆冰，ρ0＝0.9g/cm3，按线路设计规定的均匀圆柱覆冰形状，则标准冰厚b为：
[0042][0043]
计算得出导线综合荷载等值冰厚。
[0044]
它还包括：对于n分裂导线，假定每根导线具有相同覆冰状况，则此时悬挂点a轴向张力为每根分导线轴向张力的合力，即可得：
[0045][0046][0047]
根据式(13)、式(15)可求出n分裂导线整体覆冰状况。
[0048]
它还包括：风偏角η由角度传感器测得；所述角度传感器安装在与导线连接的绝缘子钢帽处。
[0049]
所述角度传感器采用了120t
‑
30型双轴倾角传感器。
[0050]
本发明有益效果：
[0051]
本发明导线等值冰厚的计算能够精确计算覆冰条件下架空输电线路导线等值冰厚，有利于实现输电线路覆冰厚度监测，保证输电线路系统的安全稳定运行；解决了现有技术的覆冰冰厚计算基于覆冰过程中覆冰参数测量而建立的模型，由于测量参数不准而失效；基于输电线路力学特性分析建立的模型，由于影响导线覆冰的因素过于复杂，模型未考
虑因素多，故模型计算的精确性不高等技术问题。
[0052]
本发明基于输电线路覆冰前后力学特性变化分析而建立覆冰厚度计算模型，从而实现导线覆冰监测，解决了现有技术覆冰监测模型引入影响显著而无法准确求得的风荷载参量，而未考虑风引起的风偏造成的较大误差；对垂直档距内导线长度的计算过于繁琐、模型建立所需参数过多导致实际使用过程中无法进行计算；没有针对缺少杆塔基础参数以及因杆塔参数错误情况下的在线监测覆冰量计算方法等等问题。
[0053]
由于风荷载对覆冰导线荷载特性(拉力、倾角)有很大的影响；因此在建立准确有效的等值冰厚计算模型时，需考虑风荷载对导线荷载特性的影响，而现有技术的模型对此考虑不全或考虑不当，影响了冰厚计算结果的准确性；为解决这些技术问题，本发明在现有覆冰预测模型基础上，运用力学原理，结合其覆冰增长特性，以绝缘子串悬挂点拉力和倾角为基本参量，综合考虑冰风影响因素，系统地建立了输电线路综合荷载等值冰厚计算模型，解决了现有技术存在的问题。
附图说明：
[0054]
图1为本发明的流程图；
[0055]
图2为无外荷载时架空线受力模型示意图；
[0056]
图3为风偏平面架空线力学计算模型示意图。兙俥
具体实施方式：
[0057]
以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明，如图所示：
[0058]
本发明提供的一种架空输电线路导线等值冰厚精准计算方法，包括如下步骤：
[0059]
将无外荷载架空线处于adbe平面内，a、b为两不等高悬挂点，为无外荷载时的架空导线，γ为导线自荷载(n/m
·
mm2)，l为水平档距(m)，h为悬挂点高度差(m)，θ为绝缘子串倾斜角(
°
)，β为高差角(
°
)，o为导线最低点，l
a
、l
b
分别为杆塔a、b到导线最低点o的水平档距(m)，s为整档导线的原始长度(m)。
[0060]
s1.在垂直平面内对架空线无外荷载时的力学特性进行分析计算；
[0061]
导线自身重力引起的比载称为自重比载，假设单位长度导线质量为m，kg/m，则单位长度导线自荷载q0为：
[0062]
q0＝9.8m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0063]
则自重比载γ为：
[0064][0065]
式中，q0：单位长度导线自荷载，n/m；a：导线横截面积，mm2。
[0066]
悬挂点不等高，全档架空线实际线长可由斜抛物线方程表示为：
[0067][0068]
导线覆冰时温度一般低于线路设计时参考温度，温度变化将引起线长变化。假设覆冰时，温度为t℃，则垂直平面内整档导线实时长度s
t
可表示为，
[0069]
s
t
＝s
‑
sαδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0070]
式中，α：架空线温度膨胀系数；δt：架空线设计时参考温度与覆冰时温度的差值。
[0071]
图2中，已知的线路参数有：水平档距l、高差角β、导线设计长度s、导线自重比载γ、覆冰温度t。则由式(3)、式(4)可推导得出垂直平面内导线水平应力σ0，即
[0072][0073]
架空线最低处，其斜率应为零，则可得a处距导线最低点o的水平档距和架空悬线a点到导线最低点o的导线长度s
a
分别为
[0074][0075][0076]
s2.考虑导线受横向风作用偏离垂直平面η角度，将力学参数归算至风偏平面；
[0077]
横向稳定风作用于导线及绝缘子串，使其几何平面adbe整体偏移垂直平面一定角度形成ad'be'平面，如图3所示，平面ad'be'即为风偏平面，该偏移角度即为角度传感器测得的风偏角η。
[0078]
本发明测量风偏角η的角度传感器安装在与导线连接的绝缘子钢帽处；由于导线上不方便安装，而且安装在导线上会影响导线的整体荷载，导致最准得到的冰厚误差大；因此本发明选择安装在与导线连接的绝缘子钢帽处，使得方便固定，也不影响测量，而且可以准确测量出导线的风偏角。
[0079]
本发明采用了120t
‑
30型双轴倾角传感器，传感器基于非接触式测量原理，可实时测量当前姿态倾角；其体积小、精度高、抗电磁干扰的能力强、抗冲击震动的能力强；内置微型固体摆锤，根据测量其静态重力场的变化，换算为倾角，以电压方式输出(0
‑
5v)，角度为0
°
时输出电压为2.5v。其电压输出和角度的换算公式为，角度＝(输出电压
‑
2.5)/角度灵敏度。
[0080]
图3中，实弧线为风偏平面ad'be'内的架空线，l'、β'、h'、γ'等为风偏平面内的导线力学参数。风偏平面ad'be'内的各力学参量均可由垂直平面内的各参量换算得到，可得，
[0081][0082]
根据求得的风偏平面ad'be'内各力学参量，再由式(7)可推导得出风偏平面ad'be'内杆塔a到导线最低点o'的线长s
a
'，即
[0083][0084]
s3.建立风偏平面内架空线力学平衡方程，计算导线综合荷载等值冰厚。
[0085]
在风偏平面ad'be'内，导线覆冰将引起绝缘子串倾角变化，设θ'为绝缘子串悬挂点轴向拉力f与水平方向(ax'方向)夹角，即ad'be'平面内绝缘子串的倾斜角；则可得θ'与风偏角η及垂直平面adbe内绝缘子串沿线方向的倾斜角θ之间的关系，表示为：
[0086][0087]
设g为绝缘子串及金具自重总和，导线自重荷载为q0，q
ice
为导线均匀覆冰等值荷载，覆冰后传感器测得拉力的竖直方向的分量为f
v
＝fsinθ'。忽略耐张绝缘子串及金具上的覆冰量，则根据导线覆冰后竖直方向上的力学平衡，有下式成立
[0088][0089]
式中：g/cosη为绝缘子串及金具在风偏平面ad'be'内竖直方向向下的力，即绝缘子串及金具自重与风共同作用形成的综合载荷。
[0090][0091]
设计线路覆冰厚度时，一般采用几种近似方法统一换算为雨淞的标准冰厚(密度为0.9g/cm3、圆形断面厚度)，如按椭圆面积换算、按断面平均外径换算、按覆冰断面周长换算、按截面积换算等。
[0092]
设导线直径为d，冰密为ρ0(雨淞覆冰，ρ0＝0.9g/cm3)，按线路设计规定的均匀圆柱覆冰形状，则标准冰厚b为：
[0093][0094]
由式(12)、式(13)，则可准确地计算得出导线综合荷载等值冰厚。
[0095]
对于n分裂导线，假定每根导线具有相同覆冰状况，则此时悬挂点a轴向张力为每根分导线轴向张力的合力，即可得：
[0096]
[0097][0098]
根据式(13)、式(15)可求出n分裂导线整体覆冰状况。