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1、电力系统新技术题 目：应用于架空输电线路的覆冰监测技术班 级： 研1117班 学 号： 1108520957 姓 名： 孙 喆 20126应用于架空输电线路的覆冰监测技术摘 要：持续雨雪冰冻天气时绝缘子严重覆冰并产生重力过荷载，导致电网发生倒塔断线、冰闪跳闸、导线舞动、设备损坏、电网解列、大面积停电等冰灾事故，针对这一问题分析了防止复杂大电网发生覆冰灾害事故的原因，介绍了研究现状和存在的问题，指出了架空输电线路导线覆冰在线监测的重要性。针对目前国内外覆冰监测的使用状况和存在的问题，按照实际测量的技术要求，对电力线覆冰监测系统进行了研究。为解决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
2、扰，不能分布式测量，使用寿命短等缺点，开发基于光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating，FBG)传感技术的输电线路覆冰在线监测系统。关键词：架空输电线路；覆冰在线监测；光纤布喇格光栅1. 引言输电线路覆冰和积雪常会引起线路的跳闸、断线、倒塔、导线舞动、绝缘子闪络和通讯中断等事故。俄罗斯、加拿大、美国、日本等国家和我国都曾因输电线路覆冰引发电网安全事故，带来了巨大的经济损失，冰雪灾害成已为许多国家的电网面临的共同问题。我国是输电线路覆冰较严重的国家之一，线路冰害事故发生的概率居世界前列，尤其是2008年初发生在我国南方的冰雪灾害给电网带来了巨大的损失。针对我国的覆冰灾害情况，为了减
3、少输电线路覆冰事故的发生，有效保障电力系统安全运行，在加强探索输电线路覆冰机理、有效的防冰除冰方法的同时，还应加强研究大电网覆冰在线监测、预警和诊断方法的研究。20 世纪中期以来，国内外对输电线路覆冰进行了长期的观测和研究，在导线覆冰形成和增长机理、绝缘子覆冰闪络特性等方面取得了许多研究成果。国内外普遍通过建立观冰站来研究输电线路覆冰，投资大、建设周期长、运行成本高，数量有限，不能实现整个电网的实时监测。覆冰严重的输电线路大多位于人烟稀少的地区，难以人工获取线路实时覆冰数据。近年来，输电线路覆冰和微气象在线监测技术得到了迅速发展，逐渐成为感知电网覆冰状态、预防大面积覆冰雪灾害事故的主要手段之一
4、。本文围绕输电线路覆冰在线监测系统，综述覆冰在线监测方法，分析不同监测方法的优劣，鉴于现有输电线路覆冰在线监测系统存在的各种问题，基于光纤光栅传感技术，开发了一体化的光纤光栅拉力倾角传感器，搭建了导线覆冰在线监测系统。论证了该系统的科学性，提出了防治措施，并展望未来技术发展方向。2. 发生覆冰的原因及危害2.1 输电线路覆冰形成1. 气象条件：输电线路覆冰受气候条件的影响较大，主要是受冷暖气流交汇强度的影响。冷暖气流都不太强时，覆冰较少；冷暖气流较强且交汇时间较长时，形成较厚覆冰。具体来讲，主要受以下几个因素的影响： 空气温度，当温度位于-50，随着温度的升高，风速较大时形成雨凇。当温度位于-
5、16-10，风速较小时形成雾凇。当温度位于-9-3，极易形成混合凇。 湿度，当空气湿度高于85%时，在有风情况下，极易在导线上形成覆冰。 风速，风将云和水送至输电线路，过冷却水滴与导线接触。观察和研究表明，当风速很小、无风或风速很低时，即使温度很低，导线也基本上不发生覆冰现象。相应风速可使空气中的过冷却水滴或过冷却云粒产生运动，以便水滴与导线发生碰撞，被导线捕获，一般风速为110m/s。2. 海拔高度：海拔较高地区空气稀薄，风速大，温度低，液水含量多，在降雨还未落下地面之前就能够在输电线路上结成冰凌。因此海拔较高地区比海拔低的地区极易形成覆冰，即覆冰形成几率随海拔高度的增加而逐步变大。海拔高处
6、覆冰类型多为雾凇；海拔较低处多形成雨凇或混合凇。3. 线路本身：研究表明，架空输电线路直径、导线刚度、输电走向对覆冰形成都有不同程度的影响。导线直径在40mm 以下，风速在8m/s 以下时，较粗的导线覆冰重于较细导线。导线直径在40mm 以上，风速在8m/s 以下时，覆冰随线径增加而增厚；风速在8m/s 以上，导线越粗覆冰越厚。导线刚度越小，抗扭转能力越弱，导线圆周截面受风面积越大，覆冰积累越厚。由于导线在扭矩作用下的扭转角度与l2 / d 4成比例，其中l 为档距长度， d 为导线直径，故档距较长，直径较细的导线容易扭转，便于覆冰分布于导线的各个侧面上，形成圆形或椭圆形覆冰。当输电线路成南北
7、走向时，冬季的西北风或北风的走向与导线轴线基本平行，送往导线上的水滴和雾粒比东西走向的要少得多，覆冰较薄且均匀；输电线为南北走向时，风向与导线成90夹角，覆冰加厚，且形成不均匀覆冰，易产生覆冰舞动。当为其他角度，如夹角在45和150之间时，覆冰较严重；风向与导线平行或夹角大于45小于150，覆冰较轻。2.2 输电线路覆冰种类按导线覆冰的表观特性分类，可分为：雨凇、雾凇、湿雪、混合淞。见表1。按冰的形成机理及形成过程，导线覆冰增长过程可分两种，即干增长过程和湿增长过程。雾凇覆冰是干增长过程，雨凇覆冰为湿增长过程，混合凇是介于干、湿增长之间的一种覆冰过程。干雪是干增长过程，湿雪为湿增长过程。将导线
8、覆冰分为干、湿增长过程有助于分析导线的形成机理及形成过程中的热平衡和热传递。表1 覆冰种类2.3 输电线路覆冰危害冰雪灾害天气引起输电线路大面积、长时间的严重覆冰，从而造成输电线路大范围毁坏。覆冰导致线路停运的典型过程表现在以下几方面：1）线路过负载：输电导线覆冰超过设计抗冰厚度时，可造成金具损坏、导线断股、杆塔折损、基础下沉或倾斜、绝缘子串翻转和撞裂等机械事故，也可能使弧垂增大造成闪络和烧伤导线的电气事故，同时断线后冲击受力或不平衡受力也可能进一步造成连环倒塔事故。较典型的事故发展过程是：输电线路正常运行时，导线因电流发热使覆冰并不严重，但架空地线因无电流通过而覆冰严重，载荷过重下垂而造成闪
9、络或断线，这样又引起故障跳闸而切除线路，此后导线会因为无电流流过而加剧覆冰程度，使事故进一步恶化。2005年初，湖南处于海拔 180350m 之间的电网设施出现严重覆冰现象，先后有岗云、复沙和五民3条 500kV 线路出现倒塔事故，共倒塔24基，变形3基。2）不均匀覆冰或不同期脱冰：输电线路相邻档的不均匀覆冰或不同期脱冰会造成张力差，输电导线在线夹内滑动，外层铝股断裂，一端拥挤在线夹附近。张力过大时，绝缘子串偏移距离变大，碰撞横担，使绝缘子破裂。横担转动碰撞拉线，造成拉线断裂，杆塔失去拉力支持后倒塌。3）绝缘子冰闪：绝缘子串覆冰严重，降低了绝缘子的绝缘强度，引起绝缘子闪络，甚至载荷过重而断裂、
10、掉串，致使线路停运，事故进一步恶化。覆冰可以看成一种特殊的污秽，覆冰的存在改变了绝缘子的电场分布，冰中含有污秽等导电杂质时更易造成冰闪。1963年11月美国西海岸一条345kV线路发生绝缘子串覆冰闪络，在恢复送电34min内，覆冰绝缘子由微弱放电迅速发展到全面闪络。1988年加拿大魁北克省安那迪变电站连续发生6次绝缘子闪络事故，造成该省大部分地区停电。据统计，2003年我国500kV线路非计划停运原因中冰闪占 23.0%，其在外力破坏类原因中居第二位。2004年10月到2005年1月我国华中地区连续发生了多起恶性覆冰闪络事故。4）覆冰导线舞动：导线有覆冰且为非对称覆冰(迎风侧厚，背风侧薄)时，
11、线路易发生舞动；大截面导线比小截面导线易舞动，分裂导线比单导线易于舞动；0时导线张力低至 2080N/mm2易于发生舞动。导线舞动的运动轨迹顺线路方向看近似椭圆形，由于舞动的幅度大，持续时间长，轻则引起相间闪络，损坏地线、导线、金具等部件，重则导致线路跳闸停电、断线倒塔等严重事故。3. 覆冰在线监测方法3.1 覆冰在线监测国内外研究现状在国外，俄、加、美、日、英、芬兰和冰岛等国的科研人员对导线覆冰及舞动现象进行了大量研究，在导线覆冰的机理、导线覆冰荷载等领域取得了大量研究成果，他们侧重子导线除冰技术的研究和相关设备的开发D利，在覆冰监测方面多年来没有突破性进展。中国各设计、科研及运行单位也进行
12、了大量研究工作，取得了许多卓有成效的成果。目前，输电线路覆冰在线监测已取得了较丰硕的成果，如：1998年以后加拿大魁北克建立了冰灾监测系统，有些地方安装了覆冰测量仪直接测量线路覆冰情况，有些地方安装了冰率表(Ice Rate Meter，IRM)推算覆冰厚度，以替代线路直接安装传感器的测量方法，节约投资。国内湖南省电力公司在14个地区的l5条500 kV线路(22基杆塔)和34条220 kV线路(46基杆塔)上安装了68个现场冰情监测点，初步构建了湖南电网输电线路灾情监测网络。在2008年冰灾中，尤其是线路覆冰前期，湖南电网通过监测系统及时提供了冰厚、温度、湿度、风向、风速、雨量等信息及其变化
13、。华中电网有限公司研制完成的“输电线路覆冰在线监测系统于2006年12月17日通过由湖北省科技厅组织的项目技术鉴定会，目前此套覆冰在线监测系统已经在湖北省超高压输变电公司、湖北省输变电工程公司等多个项目中得到应用。针对导线温度、弧垂和覆冰的在线监测装置，国内外研究成果较少。国内海康雷鸟信息技术有限公司提出了采用弧垂实时监测、线路图像实时监视和小型气象站相结合的综合方法来实时监测架空线路覆冰的方案，利用先进的数字视频压缩技术、低功耗技术、GPRS无线通信技术，将现场图像信息传输到监控中心的服务器上，从而实现对输电线路全天候监测；可以对线路覆冰形成的气象条件、覆冰形成过程和覆冰的严重程度进行全过程
14、的实时监测。金源电气有限公司和西安交通大学电气工程学院黄新波等建立了导线覆冰厚度和导线弧垂变化的力学模型，设计了应变片式压力传感器的安装结构，研制了XFBM-x输电线路覆冰在线监测系统。在覆冰监测的技术路线上，最常采用的是导线的倾角一弧垂分析，线路覆冰时最明显的是导线弧垂的增加。美国USI-POWER公司生产的Power-Donut2(电力环)以及国内海康雷鸟公司生产的温度一倾角测量球通过实时直接测量导线温度和导线倾角计算导线弧垂，均可测量线路负荷变化时由于导线发热造成的弧垂变化，也可测量导线覆冰时，由于导线重量增加造成的弧垂变化。图1 PowerDonut2弧垂监测装置3.2 现有的覆冰在线
15、监测方法现有的输电线路覆冰在线监测方法有直接测量法、图像等效判别法、弧垂-倾角法、称重法、模拟导线法。直接测量法，即依靠人力直接测量输电线路的导线及绝缘子的覆冰厚度。这种方法虽然可以真实地获得输电导线和绝缘子的覆冰情况，但是由于覆冰在输电线路上的覆盖范围达到几十公里甚至上百公里，且覆冰区域分布通常都是在交通不便的崇山峻岭之中，再加上高空和高压作业，对操作人员的人身安全会造成极大的威胁，所以该方法的成本很高。因此，实际中极少采用这种方法。图像法是从视频装置中采集图片，利用导线几何尺寸和图像中导线尺寸，采用微积分的方法计算覆冰面积，再换算到等效覆冰厚度计算出覆冰厚度。这种方法简单易行，导线现场图像结果直观，可以直观的监测覆冰的生长规律和厚度变化，但是在大雪天气情况下，摄像头易被大雪覆盖，传回的图像不清晰，不能真实反映导线等值覆冰状况。如导线不同部位不均匀性覆冰等。弧垂-倾角法是将倾角传感器安装在悬垂线夹附近的导线上来监测导线倾角大小变化，对照导线弧垂与温度的变化曲线，根据角度差计算导线由覆冰引起的应力增加量，推算出覆冰质量，再进行等效换算得到等值覆冰厚度。这种方法的关键问题是导线的弧垂与温度变化曲线受多种因素制约，覆冰质量计算对误差很敏感。目前这种方法只能在无风偏情况下用于导线覆冰厚度计算，对
