一種在線監(jiān)測(cè)導(dǎo)線舞動(dòng)的張力測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王彥，樂(lè)濱

（1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430205；2.武漢大學(xué)動(dòng)力機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢430072）

0 引言

電力系統(tǒng)中，架空輸電導(dǎo)線在運(yùn)行過(guò)程中，因自然條件的作用而發(fā)生多種災(zāi)害事故，舞動(dòng)是其中危害較為嚴(yán)重的一種［1].舞動(dòng)指在風(fēng)的激勵(lì)作用下，導(dǎo)線截面不均勻受力而產(chǎn)生的一種低頻（0.1～3.0 Hz）的大振幅（20～300 d）振蕩現(xiàn)象［1-2].冬季易覆冰時(shí)，輸電線路導(dǎo)線更易產(chǎn)生舞動(dòng)，常常引起塔桿傾斜倒塌、導(dǎo)線斷裂及絕緣子閃弧等重大電網(wǎng)事故［3-4].因此，有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電導(dǎo)線的舞動(dòng)和覆冰狀態(tài)，防止輸電線路故障及電網(wǎng)事故.

線路在線監(jiān)測(cè)有許多方法，如巡線機(jī)器人、直升機(jī)、視頻監(jiān)測(cè)、人工巡線等，每種方法都有自己的特點(diǎn)［5]，但這些方法多是通過(guò)觀察輸電導(dǎo)線的外觀形態(tài)判斷導(dǎo)線的狀態(tài)，由于實(shí)際環(huán)境如灰塵、污垢、天氣及視角等因素的影響，檢測(cè)的可靠性將下降.本文中設(shè)計(jì)的基于導(dǎo)線張力監(jiān)測(cè)裝置，用于測(cè)量導(dǎo)線舞動(dòng)，此方法不受外界環(huán)境等因素的影響，檢測(cè)的可靠性大為提高.

1 基于張力變化的導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)理論分析及監(jiān)測(cè)原理

1.1 舞動(dòng)對(duì)履冰導(dǎo)線水平張力的影響 輸電導(dǎo)線的力學(xué)模型如圖1所示［6].圖中l(wèi)為檔距，hAB為導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高度差，β為高ω差角.TA、TB為導(dǎo)線懸掛點(diǎn)軸向張力，T0為導(dǎo)線水平張力；TγA、TγB為導(dǎo)線懸掛點(diǎn)豎向張力分量.圖中虛線為導(dǎo)線舞動(dòng)的形態(tài)，實(shí)線為導(dǎo)線的靜止?fàn)顟B(tài).

圖1 輸電導(dǎo)線一個(gè)檔距的力學(xué)模型

根據(jù)斜拋物線方法，導(dǎo)線的撓度曲線方程為

式中，ys（x）（m）為導(dǎo)線上任一點(diǎn)在舞動(dòng)前的靜止位移，W（N／m）為覆冰導(dǎo)線單位長(zhǎng)度荷載.導(dǎo)線舞動(dòng)前的靜長(zhǎng)度Ls（m）為

舞動(dòng)觀測(cè)模擬結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)舞動(dòng)導(dǎo)線可近似為簡(jiǎn)諧波形狀，如圖1中虛線所示.設(shè)舞動(dòng)導(dǎo)線上任一點(diǎn)的舞動(dòng)位移yg（t）（m）為

式中，a0（m）為舞動(dòng)幅值，n為舞動(dòng)半波數(shù)，ω（rad／s）為舞動(dòng)的角速率.舞動(dòng)導(dǎo)線在t（s）時(shí)刻的撓度曲線方程為

由彈性力學(xué)及舞動(dòng)理論可得到水平張力的變化量與導(dǎo)線舞動(dòng)的關(guān)系如下：

式中，E（N／mm2）為導(dǎo)線的綜合彈性模量，A（mm2）為導(dǎo)線的橫截面積.

1.2 舞動(dòng)對(duì)導(dǎo)線懸掛點(diǎn)豎向張力分量的影響 與水平張力的分析類似，根據(jù)彈性力學(xué)和導(dǎo)線舞動(dòng)理論，垂直張力的變化量和導(dǎo)線舞動(dòng)的關(guān)系如下：

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與試驗(yàn)

圖2 高壓導(dǎo)線線夾結(jié)構(gòu)

2.1 張力檢測(cè)傳感器及其采集電路設(shè)計(jì) 張力檢測(cè)裝置主要由拉壓力傳感器和安裝線夾構(gòu)成.安裝線夾是結(jié)合導(dǎo)線的特征設(shè)計(jì)的，能夠?qū)?dǎo)線的張力施加到拉壓力傳感器上.安裝線夾的結(jié)構(gòu)如圖2所示.拉壓力傳感器的電路是一個(gè)惠更斯電橋，拉壓力的變化使電橋上某一橋臂的電阻增大或減小，通過(guò)橋臂兩端的差分輸出反映輸電導(dǎo)線上的拉壓力變化.由于一般惠更斯電橋輸出的電壓范圍很小，μV或mV，因此需要使用高增益差分放大器將電橋輸出電壓放大至可精確測(cè)量的范圍，我們采用特質(zhì)的線夾將拉壓力傳感器固定在架空導(dǎo)線上，拉壓力傳感器采集電路原理如圖3所示.

圖3 拉壓力傳感器采集電路

2.2 感應(yīng)取電裝置設(shè)計(jì) 系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，作為一個(gè)獨(dú)立的裝置，需要外部供電.對(duì)于懸掛在高壓電纜上的相關(guān)設(shè)備，外部供電較難實(shí)現(xiàn)，因此采用感應(yīng)取電.由于該裝置的功耗較小，因此較小的電流感應(yīng)線圈便可以滿足現(xiàn)場(chǎng)供電需求.基于感應(yīng)取電的原理，將高壓導(dǎo)線穿過(guò)電流線圈，其輸出端采用全波整流、濾波、鉗位，并通過(guò)相關(guān)的DC-DC轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)運(yùn)行所需要的電壓，其原理圖如圖4所示.

2.3 信號(hào)處理及其傳輸設(shè)計(jì) 信號(hào)處理和傳輸是整個(gè)裝置的核心，其主要功能是采樣、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ).拉壓力采集傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路放大后進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器，主控制器驅(qū)動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將獲取的數(shù)據(jù)運(yùn)算分析后傳輸至上位機(jī)系統(tǒng).本文中主控制器采用STM32F103ZET6設(shè)計(jì)，AD轉(zhuǎn)換器為24位高精度A／D轉(zhuǎn)換器HX711，具備兩路模擬輸入通道，可以同時(shí)測(cè)量?jī)陕返睦瓑毫?，?nèi)部集成128被增益可編程放大器，輸入電路可以配置為提供橋壓的電橋式傳感器.經(jīng)過(guò)測(cè)量，其有效精度可達(dá)18～19位，可以滿足到線上拉壓力精確測(cè)量的要求.

圖4 高壓感應(yīng)取電原理

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)原理是否正確，檢測(cè)系統(tǒng)能否可靠地工作，進(jìn)行了檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).試驗(yàn)在甘肅平?jīng)雒继炀€0066＃～0067＃檔距進(jìn)行.檔距參數(shù)如下：導(dǎo)線型號(hào)LGJ-240／30，水平檔距223 m，靜態(tài)張力15 124 N，桿塔高度18.5 m，懸垂5 m，彈性模量7.3e10Pa，斜角β＝0.

試驗(yàn)條件：晴天，溫度-4℃，風(fēng)速15 m／s，海拔高度1 895 m.

由檢測(cè)裝置檢測(cè)的導(dǎo)線張力隨時(shí)間變化曲線如圖5所示.

圖5 實(shí)測(cè)導(dǎo)線張力隨時(shí)間變化曲線

對(duì)張力數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜變換，得出的導(dǎo)線張力頻譜圖如圖6所示.由測(cè)量結(jié)果可以看出導(dǎo)線瞬態(tài)舞動(dòng)主頻率是固定的，主頻率為0.24 Hz，張力幅值為25 k N，張力變化值ΔTB＝TBMAX-TB靜態(tài)，通過(guò)式（5）、式（6）可計(jì)算出舞動(dòng)幅值為3.87 m，由攝像機(jī)監(jiān)測(cè)的舞動(dòng)幅值約為4 m，可以看出兩者十分接近.

圖6 導(dǎo)線張力頻譜圖

4 結(jié)論

導(dǎo)線舞動(dòng)理論分析和試驗(yàn)表明，導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)輸電線路承受的張力發(fā)生大幅度變化，并且與舞動(dòng)頻率和舞動(dòng)幅度有確定的關(guān)系，本文中設(shè)計(jì)相關(guān)導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，能夠精確測(cè)量架空導(dǎo)線的拉壓力變化，計(jì)算機(jī)分析與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際攝像對(duì)比說(shuō)明，該裝置監(jiān)測(cè)到的拉壓力變化能夠準(zhǔn)確反應(yīng)架空導(dǎo)線的舞動(dòng)情況，通過(guò)智能和人工結(jié)合判斷，可以避免2／3以上因舞動(dòng)產(chǎn)生的電網(wǎng)事故.

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