輸電線路舞動監(jiān)測技術(shù)綜述

任鵬亮 謝 凱 陳 釗 宋高麗 李夢麗 呂中賓

（1.河南恩湃高科集團有限公司，河南 鄭州 450052；2.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院輸電線路舞動防治技術(shù)實驗室，河南 鄭州450052）

輸電線路舞動一般是非圓形的覆冰導(dǎo)線在風的作用下產(chǎn)生的一種低頻率（0.1～3Hz左右）、大振幅（約為導(dǎo)線直徑的20～300倍）的自激振動現(xiàn)象［1］。輸電線路舞動輕則會引起相鄰線路的閃絡(luò)、跳閘，重則發(fā)生金具及絕緣子損壞，更嚴重的甚至會造成桿塔倒塌等事故。舞動涉及各個電壓等級的輸電線路，我國又是舞動發(fā)生比較頻繁的國家之一，特別是近年來，隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，以及災(zāi)害性氣象條件的影響，我國輸電線路舞動事故發(fā)生的頻率和強度有了明顯增加［2-4］。

舞動的觀測與研究源于20世紀30年代，美、加、日等國進行了較多的觀測、研究與治理工作［5-7］。美國的鄧哈托于1932年發(fā)表了“輸電導(dǎo)線覆冰舞動”一文，首次從理論上闡述了輸電線路舞動的發(fā)生機理，并且證明了當升力曲線的負斜率比阻力曲線的幅值大時出現(xiàn)不穩(wěn)定性［5-7］。加拿大的愛德華滋等人于1953年1月至1954年在安大略省柏林頓、丹尼斯和肯沃斯地區(qū)先后進行了舞動的觀測，并建成了與實際尺寸相同的7檔試驗線路，對系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)參數(shù)進行了較為全面的試驗［5-7］。日本在笠取山地區(qū)也建立了試驗線路，進行了長期的監(jiān)測研究［5-7］。我國有關(guān)舞動的記載始于20世紀50年代，而真正進行大規(guī)模治理與研究則是從1987年湖北省中山口大跨越發(fā)生舞動導(dǎo)致斷線之后才開始進行的。

輸電線路舞動的研究和防治是一個非常復(fù)雜的綜合性課題，它涉及空氣動力學、耦合振動學、氣象學、力學等多個學科［3］。輸電線路舞動監(jiān)測就是通過對線路舞動的振幅、頻率、階次等參數(shù)進行監(jiān)測，進而利用監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行更加深入分析的一種手段，它對于舞動機理研究、防舞裝置開發(fā)和防舞方案制定都具有重要的意義。

目前，輸電線路舞動監(jiān)測技術(shù)主要分為現(xiàn)場監(jiān)測法和在線監(jiān)測法?，F(xiàn)場監(jiān)測法常用的包括簡易觀測法和單目測量法，主要便于線路運維人員現(xiàn)場觀測舞動的參數(shù)，有利于針對性地開展舞動防治和治理；在線監(jiān)測法主要有基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法和基于慣性測量單元的在線監(jiān)測法，主要便于大數(shù)據(jù)的積累和分析，為舞動機理的研究、舞動預(yù)警和舞動治理方案的制定提供依據(jù)。本文對現(xiàn)有常用的舞動監(jiān)測技術(shù)，從基本原理、應(yīng)用場合、適用性等角度進行分析和探討，同時指出了進一步的研究發(fā)展方向。

1 輸電線路舞動監(jiān)測技術(shù)

1.1 簡易觀測法

簡易觀測法是指在沒有任何攝像設(shè)備、測量設(shè)備情況下粗略估算輸電線路舞動振幅的方法。圖1所示為該方法的原理圖。

圖1 簡易觀測法原理圖

該方法操作步驟：觀測人員在離輸電線路一定距離正對輸電線路，根據(jù)半波數(shù)確定出振幅波腹的位置伸直手臂，用兩指夾住筆桿，使筆桿成垂直狀態(tài)，用一只眼睛觀測，使筆桿上端與輸電線路舞動上限在同一視線上時，保持筆桿不動，記下與該點的舞動下限點成同一視線的筆桿上的位置，筆桿上記錄的位置到筆桿上端的距離L1即反映了舞動的峰-峰值。使用同樣方法在同樣遠的距離處測量另一已知尺寸參照物的尺寸H對應(yīng)筆桿上的距離L2，根據(jù)比例關(guān)系估算出舞動的幅值A(chǔ)，計算公式如公式1所示。

簡易觀測法一般是在線路巡視人員突遇舞動，又沒有隨身攜帶監(jiān)測設(shè)備的情況下使用的一種方法，一般巡視人員經(jīng)過簡單學習即可學會。由于其沒有使用監(jiān)測設(shè)備，僅靠觀測人員目測，因此準確度很難保證，但對舞動統(tǒng)計、防舞裝置安裝位置的選擇具有參考價值。

1.2 單目測量法

單目測量法是使用便攜式視頻采集裝置，對輸電線路進行視頻錄制，運用圖像匹配、圖像跟蹤等處理算法，計算特征點的舞動幅值變化，進而得到整檔線路的縱向軌跡變化曲線，最后分析得到舞動的幅值、階次等參數(shù)的一種監(jiān)測方法。圖2所示為單目測量法特征點選取示意圖，其中紅色方框標注的位置即為對舞動進行分析時選取的特征點。

圖2 單目測量法特征點選取示意圖

單目測量法的優(yōu)點主要體現(xiàn)在簡單易行，操作人員只需要使用視頻采集裝置、測距儀等簡單設(shè)備即可完成監(jiān)測。另外，與簡易觀測法相比，單目測量法不僅能得到舞動的幅值、頻率等參數(shù)，而且能得到整檔導(dǎo)線的舞動軌跡。

單目測量法在對所錄制的視頻進行分析時，為了更好地對特征點進行跟蹤，需要線路與線路背景有明顯的差異，因此，在使用視頻采集裝置錄制視頻時需要選擇合適的觀測點。

1.3 基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法

基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法是指將安裝在線路上的多個加速度傳感器作為傳感單元，通過對其進行二次積分等算法還原被測點空間位移變化情況的一種方法［8-10］。圖3為加速度傳感器安裝位置示意圖，圖4為系統(tǒng)架構(gòu)圖。

該方法的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：能夠從開始到結(jié)束較完整的記錄一次舞動，如果結(jié)合風速和覆冰監(jiān)測，就能準確的得出舞動的激發(fā)和終止條件；缺點主要有：安裝大量傳感器可以得到更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，曲線擬合更好，精度也越高，但相應(yīng)的成本也越大，且安裝過多的傳感器還有可能破壞輸電導(dǎo)線舞動的數(shù)學模型，反之傳感器安裝過少，由于監(jiān)測點有限，就不能精確地計算、擬和輸電線路的舞動軌跡；基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法采用的三軸加速度傳感器沒有考慮導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)對數(shù)據(jù)計算結(jié)果的影響，因此，隨著時間的積累可能會放大導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)引起的誤差，導(dǎo)致累積誤差增大，數(shù)據(jù)失真。

1.4 基于慣性測量單元的在線監(jiān)測法

為了解決導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)對監(jiān)測精度影響的問題，出現(xiàn)了基于慣性測量單元的在線監(jiān)測法，該監(jiān)測法與基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法有些類似，只是將輸電線路上安裝的加速度傳感器換成了慣性測量單元。由于一個慣性測量單元可以同時測量輸電線路舞動時的加速度值和角速度值，因此，它不僅能推算出被測點舞動時的位移變化情況，還能獲取被測點舞動時的扭轉(zhuǎn)情況，進而完整、準確的還原輸電線路舞動時的姿態(tài)。

圖5和圖6是實際現(xiàn)場一個測量點記錄的某一次舞動事件。圖5為水平和豎向位移隨時間變化的曲線圖，從中明顯地看到從開始到止舞的過程，圖6為該點的舞動軌跡圖，能夠清晰的得到水平和豎向位移變化情況。

現(xiàn)場實際應(yīng)用時，基于慣性測量單元的在線監(jiān)測法也具有傳感器布點多少直接影響最終獲得線路軌跡的精度等不利因素。

2 分析與討論

與現(xiàn)場監(jiān)測法相比，簡易觀測法由于其簡單易學，普通觀測人員經(jīng)過簡單學習即可掌握，雖然其觀測手段過于簡單，精度無法保證，但對舞動統(tǒng)計、防舞裝置安裝位置的選擇有重要的參考價值；單目測量法與簡易觀測法相比，精度上有了很大提高，不僅可以得到舞動的幅值、頻率、階次參數(shù)，而且可以得到整檔導(dǎo)線的舞動軌跡，具有較好的實用和推廣價值。

基于加速度傳感器和慣性測量單元的在線監(jiān)測技術(shù)，雖然都可以實時獲得大量的線路舞動數(shù)據(jù)，但前者沒有考慮導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)的影響，從原理上來說數(shù)據(jù)的可靠性較差；后者測量加速度的同時，對角速度也進行測量，通過算法能夠獲取精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度和可靠性較高。盡管在線監(jiān)測技術(shù)有很大的優(yōu)勢，但也存在一些共性的難點。

2.1 系統(tǒng)可靠性 由于在線監(jiān)測裝置需要安裝在野外，常年受風、雨、冰、雪、高溫和低溫等惡劣天氣以及劇烈擺動的影響，其故障率高，壽命短。同時，如果出現(xiàn)故障，維修難度大。因此，提高其運行的可靠性，是目前所有輸電線路舞動在線監(jiān)測裝置都急需要解決的問題。

2.2 電源 處于野外的在線監(jiān)測裝置需要配備穩(wěn)定的電源系統(tǒng)，目前多采用以下兩種方案：太陽能板加蓄電池的方式，該系統(tǒng)中太陽能板轉(zhuǎn)化效率低，且受天氣影響較嚴重；線圈取能的方式，該取能系統(tǒng)中，線圈易受外界環(huán)境影響，難以得到可靠穩(wěn)定的電源。因此，上述兩種方案都有自己的缺點，難以根本上解決電源問題。

2.3 通訊 舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)在通訊方式上，一般選擇在桿塔上安裝數(shù)據(jù)基站，接收輸電線路上監(jiān)測裝置發(fā)送來的數(shù)據(jù)，打包后通過無線公網(wǎng)發(fā)送到后臺服務(wù)器。其中監(jiān)測裝置與數(shù)據(jù)基站之間，受輸電線路自身電暈和通訊距離的影響，可能造成數(shù)據(jù)丟失；數(shù)據(jù)基站與后臺服務(wù)器之間，受地形和公網(wǎng)信號無法完全覆蓋的影響，容易導(dǎo)致通訊受阻。因此，通訊也是制約舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的一個因素。

現(xiàn)場監(jiān)測法作為線路巡視人員現(xiàn)場使用的方法，能夠直觀的觀測舞動發(fā)生時的情形，對舞動統(tǒng)計、防舞方案的制定等具有重要意義。在線監(jiān)測法能夠更加精確的獲取舞動的幅值、頻率和階次等參數(shù)，同時結(jié)合氣象等數(shù)據(jù)，為研究舞動機理和制定有效的防舞方案提供第一手資料。因此，二者應(yīng)用場合不同，是不可替代，相互補充的關(guān)系。

3 結(jié)論

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，輸電線路舞動對電力系統(tǒng)的破壞作用越來越大。由于線路結(jié)構(gòu)和地形的影響，舞動治理的難度也越大。輸電線路舞動監(jiān)測對于研究舞動機理、開發(fā)防舞裝置和制定防舞方案具有重要意義。目前的輸電線路舞動監(jiān)測技術(shù)，由于原理和應(yīng)用場合的原因，都具有一定局限性，需要進一步的研究和開發(fā)?，F(xiàn)場監(jiān)測法與在線監(jiān)測法由于其應(yīng)用場合不同，兩者不僅不可替代，更是相互補充的關(guān)系。

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