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1、输电线路覆冰监测研究综述(华南理工大学电力学院, 广州, 510640)摘 要：输电线路覆冰现象在我国较为普遍，严重影响电力系统运行。为防止输电线路覆冰现象，国内外对此进行了长期研究，并取得一定研究成果。本文对输电线路覆冰监测方法进行综述，分别说明其工作原理，深入分析各自的有点和不足，为工程应用进行有效指导。最后对输电线路覆冰监测研究方向进行几点展望展望。关键词：输电线路，覆冰监测，力学模型，图像处理，研究综述Abstract: The phenomenon of transmission line icing is more common in our country,witch serio
2、usly affects the power systems operation. To prevent transmission line Icing phenomenon, home and abroad this long-term research and made some research. this paper summary Transmission Line monitoring methods, respectively their working principle, in-depth analysis of each a little and inadequate, f
3、or engineering application effective instruction. Finally, the Transmission Line Monitoring of direction points Prospects Looking.Key words：transmission line, iced monitoring, Mechanical model, Image processing, Research0 前言我国输电线路的覆冰现象已经十分普遍。输电线路覆冰和积雪会导致其机械和电气性能急剧下降，引起导线舞动、杆塔倾斜甚至倒塌、断线以及绝缘子闪络等重大电力事故，
4、严重影响电力系统的安全运行。2008 年春节前后发生的冰冻灾害，引起大规模、长时间的电力中断，直接经济损失达 1500 亿元以上，同时给工农业生产和人民生活带来严重社会影响。所以，实时监测输电线路的覆冰状况并做好除冰工作成为目前研究的热点。长期以来，国内外对输电线路覆冰进行了长期的观测和研究，在覆冰理论、冰闪机理、输电线路覆冰监测研究相关技术等方面取得了很多成果。本文主要针对输电线路覆冰监测方法进行综述，分析不同监测方法的优劣，展望未来技术发展方向。1 输电线路覆冰危害根据我国已发生的各类输电线路覆冰灾害事故分析，输电线路覆冰造成的事故可分为以下几类 1,2：1) 线路覆冰的过负荷事故 输电线
5、路由导线、金具、绝缘子、杆塔和拉线等环节相互连接而成，线路负荷过重时可能导致以下事故：当导线上的覆冰重量达到一定程度时会造成导线和架空地线从压接管内抽出；外层铝股全断，钢芯抽出；也有可能导致整根拉断或耐张线夹出口附近导线外层断若干股的事故，甚至会破坏基础，引起塔身倾斜或倒杆导致倒杆。再者就是线路覆冰时因重力增大而引起弧垂增大，导致导线对地间距减小而造成闪络事故，也会因导线舞动而引起导线间的闪络。 2) 不均匀覆冰或不同期脱冰事故导线相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差，使其在线夹内滑动，严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全部断裂、钢芯抽动，造成线夹另一侧的铝股发生颈缩，拥挤在线夹附近，长
6、达1-20m，悬垂线夹和耐张线夹都会有这种情况发生。不均匀覆冰和不同期脱冰的区别在于前者张力差是静负荷，前者会造成线股断口有缩颈现象，而后者没有此现象。其次，因邻档张力不同致使绝缘子串产生较大的偏移，过大会造成绝缘子损伤或破裂。3) 绝缘子串冰闪事故在绝缘子严重覆冰的情况下，会造成伞裙冰凌桥接，绝缘强度降低，泄露距离缩短，在冰融化的过程中，冰表面的水膜很快溶解污秽中的电解质，使冰面水膜的电导率增大，引起绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布的畸变，降低了其闪络电压。在恶劣天气和特殊地理环境下，大气中的污秽颗粒进一步的增大冰面水膜的电导率，最后形成冰闪。闪络过程中持续电弧会烧伤绝缘子，致使绝缘
7、子绝缘强度下降。4) 覆冰导线舞动导线上形成的不规则形状的覆冰会使导线产生自激振荡和舞动，轻者发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股，杆塔倾斜或者倒塔。2 输电线路覆冰监测方法2.1 设置覆冰站监测法传统的输电线路覆冰监测方法主要是在重覆冰区设置覆冰观测哨所或设置更先进的覆冰气象观测站，由专人值守并记录气象信息及输电线路的覆冰情况。其主要方式有两种 1,4-6：人工巡线法和模拟导线法。2.1.1 人工巡线法人工巡线法即人工通过巡查输电线路获得导线及绝缘子的覆冰情况。该方法虽然可以获得局部区域输电线路线路覆冰的真实情况，并能做到及时采取除冰措施。但是输电线路覆冰的区域一般十几公里、几
8、十公里甚至上百公里，而且覆冰的区域通常都是在崇山峻岭之中，交通不便，不能实现整个电网监测；因主要依靠人工巡线，所监测覆冰情况受地形环境、人员素质、天气状况等因素的影响比较大。2.1.2 模拟导线法模拟导线法是通过在覆冰站内或者附近架设一段导线来模拟输电线路，通过测量模拟导线上的覆冰厚度来估算输电线路的覆冰情况，此方式目前应用比较多。模拟导线法优点原理比较简单、易于操作，但是设置观冰哨所或覆冰气象观测站的成本依然很高，而且从模拟导线上测得的覆冰厚度通常与实际运行导线上的覆冰厚度有很大差别，这是因为影响线路覆冰厚度的因素过于复杂，除了与导线直径、气温、空气湿度、地形环境、海拔高程等有关外，还受实际
9、风速大小、导线扭转与否以及线路电场强弱等因素的影响 4-7。2.2 力学模型输电线路覆冰监测方法随着计算机和传感器技术的发展，输电线路的监测技术也取得突破性进展。输电线路在正常运行情况和覆冰状况下，导线的长度、应力弧垂，绝缘子串角度等参数都会发生变化，力学模型的原理是通过监测装置得到这些参数的变化来判断覆冰情况。文献8,9详细分析了架设在杆塔间的输电线路的受力情况并总结了各个力学参数的计算公式以及各参数之间的关系式，包括电线弧垂、张力、线长、绝缘子倾角等等，该分析是覆冰力学模型研究的出发点。根据采用的监测设备不同，我们可以把监测模型分为基于传统传感器的覆冰监测方法、基于光纤光栅传感器的覆冰监测
10、方法和基于行波传感器的覆冰监测方法 10-18。2.2.1 基于传统传感器的覆冰监测方法早在 80 年代中期传感器就应用在输电线路覆冰在线监测中，最初只是在绝缘子串的悬挂点处安装一重力传感器，该传感器会将输电线路导线覆冰前后的荷重以电信号的形式通过 GPRS 系统发送到电力系统的控制中心，控制中心再根据式（1）将导线的覆冰荷重折算为导线的设计冰质厚度 10： (1)21(4.7)2bGd式中，b 为折算后的设计冰质（密度为 0.9g/cm3）厚度（单位 mm） ，G 为导线覆冰后的单位长度的荷重增量（单位 kg/m） ，d 为导线的直径（单位 mm） 。该方法较传统的模拟导线等方法有了很大的进
11、步，它实现了覆冰厚度的在线监测，降低了覆冰厚度检测的成本，减小了电力系统观冰人员的劳动强度。但是，该方法在将覆冰荷重折算成导线的设计冰质厚度时显然过于简单，没有考虑当时的气象因素特别是风速、风向等的影响，因而计算结果准确度有限。文献19提出了建立覆冰截面积的复杂模型。该模型与简单模型相比，考虑因素更全面。根据悬点处导线的受力情况（分为有风和无风的情况下） ，结合导线最大弧垂、悬点倾角等的相关计算，得出导线覆冰后的总截面积，进而得到导线覆冰冰厚： (2)22140.9xAbDD式中： 是覆冰的密度（g/cm 3） ，D 表示导线的外径（mm） ，A 表示导线x覆冰的截面积（单位：mm 2，需要计
12、算求得） 。事实上，输电线路由杆塔和线路组成，杆塔主要分为耐张塔和直线塔。输电线路的一个连续档耐张段，包含两个耐张塔和几个直线塔，如图 1 所示：图 1 输电线路连续档线路示意图不同的杆塔类型，设备所监测的参量是不同的，根据不同的参量所采用的力学计算公式也有区别，据此可将模型分为耐张塔模型、直线塔模型和整个连续档模型 10-18。（1）耐张塔模型文献12以耐张塔为研究对象，如图 2 所示，提出通过测量线路绝缘子悬挂点倾斜角来估算覆冰厚度和监测导线弧垂的方法。上海交通大学基于架空输电线路轴向张力、二维倾角和风速风向、温湿度等信息监测线路稳态覆冰状况，现场安装和运行证明了该模型的有效性。综合来讲，
13、在考虑线路的冰风荷载下，耐张塔模型主要的测量参数为线路轴向拉力、线路倾斜角和线路风偏角，再结合耐张塔的力学计算公式可以达到监测覆冰的目的。(a) (b)图 2 耐张塔及力学模型（2）直线塔模型西安交通大学以直线塔为研究对象，如图 3 所示，在输电线路垂直平面内建立了静力学分析模型，考虑绝缘子串倾斜角计算导线覆冰厚度和弧垂等参数。具体的计算公式如下 11： (3)24129.8iceqbd (4)icewind(5)1VABCDTqS式中： 为冰的密度（雨凇） ；d 为导线有效计算直径（mm） ；b 为导线覆冰厚度（mm） ；q ice 为覆冰载荷；q wind 为风载荷，可以通过风速传感器、导
14、线直径和风夹角等算出；q w 为有冰荷、风荷下导线载荷； SD1 表示对应等效档距的导线长度；T V 为有冰、风载荷作用与只有自重载荷作用时杆塔上竖向载荷差值。华南理工大学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，并通过风偏平面内竖直方向上的静力学受力平衡计算覆冰厚度的力学计算模型。并通过贵州电网输电线路覆冰的在线监测系统采集的数据进行了验证 14。其折算的标准冰厚公式为： (6)24129.8iceqbd(7)os()iceabFGSn式中：为冰的密度（覆冰类型为雨凇，=0.910 3kg/(mmm2)；d 为导线有效计算直径（mm） ；b为导线覆冰
15、厚度（ mm） ； qice为覆冰载荷；F 为绝缘子串轴向拉力； 为风偏平面内的绝缘子串倾斜角；为风偏角；G为导线、绝缘子串和金具自重之和。S表示导线最低点到主杆塔的线长；n为导线分裂数。(a) (b)图 3 直线塔及力学模型综合来讲，在考虑线路冰风荷载下，直线塔模型主要测量线路拉力、绝缘子倾斜角和绝缘子风偏角，再结合直线塔的力学计算公式可以达到监测覆冰的目的。（3）连续档模型文献15整个输电线路连续档为研究对象，提出了根据线路的导线悬挂点倾角和悬垂绝缘子串偏斜角进行输电线路非均匀覆冰实时计算的模型和方法。从输电线路耐张段内非均匀覆冰的普遍情况出发，详细推导用导线悬挂点倾角和悬垂绝缘子串偏斜角计算各档导线覆冰厚度的方法和过程。该模型适用于非均匀覆冰，但所需的装备较多，不具有经济性。以上所述三种杆塔模型的应用可因地理环境不同而适当采用，一般情况下，只需根据杆塔类型选取相应的计算模型；在整个连续档内气候差别大的情况下，有必要对整个耐张段都进行监测，以保证线路覆冰能及时得到防治。2.2.2 基于光纤光栅传感器的输电线路覆冰监测模型由于现有输电线路覆冰在线监测系统需要现场电源，易受电磁干扰，不能分布式测量，使用寿命短等缺点，华北电力大学开发基于光纤布喇格
