架空輸電導(dǎo)線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)

王璋奇，齊立忠，王孟，王劍

(華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北省保定市 071003)

架空輸電導(dǎo)線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)

王璋奇，齊立忠，王孟，王劍

(華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北省保定市 071003)

導(dǎo)線覆冰是冰區(qū)架空輸電線中的常見現(xiàn)象，導(dǎo)線脫冰振蕩會嚴(yán)重影響輸電塔的結(jié)構(gòu)安全。為了實現(xiàn)對導(dǎo)線覆冰脫冰的多工況實驗?zāi)M，基于總線架構(gòu)式設(shè)計思想，研制了一套新型導(dǎo)線脫冰振蕩非線性模擬實驗系統(tǒng)，主要包括脫冰模擬模塊、脫冰控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊三大部分。脫冰模擬模塊負(fù)責(zé)基本實驗環(huán)境的搭建，可以根據(jù)不同的架空輸電線工況進(jìn)行設(shè)計。脫冰控制模塊實現(xiàn)脫冰時序的設(shè)置，并按照時序高精度地模擬出各種脫冰跳躍工況。數(shù)據(jù)采集模塊對導(dǎo)線動張力進(jìn)行實施采集，并利用雙目立體視覺技術(shù)實現(xiàn)導(dǎo)線脫冰跳躍軌跡測量。系統(tǒng)具有較高的自動化水平，控制精度良好，能夠有效測得脫冰跳躍過程中的動張力和導(dǎo)線跳躍軌跡。

架空輸電線；脫冰跳躍；非線性模擬

0 引 言

架空輸電線在冬季易產(chǎn)生覆冰，覆冰導(dǎo)線容易發(fā)生舞動，影響線路安全運(yùn)行[1-2]。同時，由于氣溫升高、自然風(fēng)力或人為敲擊等作用，覆冰脫離架空輸電線會產(chǎn)生脫冰跳躍動力學(xué)過程。架空輸電線脫冰跳躍產(chǎn)生的動張力嚴(yán)重影響輸電塔的結(jié)構(gòu)安全。2008年冰雪災(zāi)害中，有90%左右的倒塔是脫冰跳躍產(chǎn)生的動張力對鐵塔的沖擊作用所致[3]。2015年初冬沿太行山區(qū)域自北向南又發(fā)生一次范圍較廣的覆冰現(xiàn)象，因此對脫冰跳躍這一非線性動力學(xué)過程進(jìn)行深入研究具有重要的意義。

目前對脫冰跳躍的研究主要采用架空輸電線脫冰跳躍實驗和數(shù)值仿真模擬2種方法。其中架空輸電線脫冰跳躍實驗架設(shè)真型架空輸電線或模擬架空輸電線，采用懸掛重物的方式模擬覆冰工況，通過控制重物脫離架空輸電線來實現(xiàn)對脫冰工況的模擬，并用傳感器測取架空輸電線脫冰跳躍過程中的動態(tài)特性。數(shù)值仿真模擬是指在大型有限元軟件中建立架空輸電線模型，采用集中力法、增減密度法、單元生死法等方法模擬覆冰脫冰工況，并對脫冰跳躍過程中的動力學(xué)特性進(jìn)行計算[4]。

數(shù)值仿真模擬方法成本較低，效率較高，因此被廣泛采用。但仿真結(jié)果往往需要與實驗結(jié)果進(jìn)行對比。目前，不少專家學(xué)者搭建架空輸電線脫冰跳躍模型進(jìn)行實驗研究。Jamaleddine[5]等人架設(shè)了2個檔距為3.222 m的架空輸電線連續(xù)檔縮小模型，重物通過細(xì)電熔絲懸掛在架空線上，模擬導(dǎo)線覆冰工況。當(dāng)電熔絲通電時熔化斷開，重物脫落，完成脫冰跳躍工況模擬。該實驗系統(tǒng)中采用的電熔絲抗拉強(qiáng)度不高，因此只能用于微型架空輸電線系統(tǒng)的仿真，無法模擬大檔距、厚覆冰工況。西安工業(yè)大學(xué)研制出了一種常閉型電磁開關(guān)用于懸掛重物，架空輸電線采用一段鋼絲繩模擬，電磁開關(guān)連接沙袋懸掛于鋼絲繩上模擬覆冰工況，撥動控制開關(guān)后常閉電磁開關(guān)打開，重物墜落，實現(xiàn)脫冰工況的模擬。該系統(tǒng)中由于電磁開關(guān)比較笨重，無法進(jìn)行微型架空輸電線脫冰實驗。國網(wǎng)武漢超高壓研究院搭建了一段檔距為235 m的真型導(dǎo)線(LGJ-630/45)進(jìn)行脫冰跳躍模擬實驗，其覆冰載荷通過在架空輸電線上等間距地懸掛10個重物實現(xiàn)，通過遠(yuǎn)程控制重物墜落模擬導(dǎo)線脫冰工況。目前關(guān)于架空輸電線脫冰跳躍的研究，大多局限于整檔或部分檔同期脫冰工況，而事實上，架空輸電線覆冰往往在不同時刻脫落[6-8]，即非同期脫冰，而對于非同期脫冰方式的實驗研究目前還未見表述。

國內(nèi)外學(xué)者已對單一工況下的架空輸電線脫冰跳躍模擬實驗展開大量的研究，但尚缺乏一套針對多種工況的標(biāo)準(zhǔn)化脫冰跳躍實驗系統(tǒng)[9]。在深入分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，針對多種工況，提出基于總線架構(gòu)思想的架空輸電線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)實現(xiàn)方案，設(shè)計并研制新型導(dǎo)線脫冰振蕩非線性模擬實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用改進(jìn)的脫冰控制模塊，實現(xiàn)非同期脫冰工況的模擬，能夠以高時序精度實現(xiàn)多種覆冰工況下的脫冰跳躍，并實時采集架空輸電線端部動張力圖以及導(dǎo)線跳躍軌跡的時程變化特性。

1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)需求分析

架空輸電線脫冰跳躍屬于復(fù)雜非線性動力學(xué)過程，是一種特殊的自然現(xiàn)象。研究該過程所用實驗系統(tǒng)需要能夠準(zhǔn)確模擬該過程，且能分析其復(fù)雜動力學(xué)特性。目前的架空輸電線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)在實際應(yīng)用時常常出現(xiàn)利用效率低下、適用性單一等問題，為克服這些弊端，系統(tǒng)設(shè)計需滿足以下特征。

(1)功能健全。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種脫冰跳躍工況的模擬?，F(xiàn)有的脫冰跳躍實驗系統(tǒng)僅限于模擬整檔同期脫冰和部分檔同期脫冰[5]，而實際輸電線路還存在非同期脫冰工況，即架空輸電線覆冰按某一時序依次脫落[4]。本實驗系統(tǒng)在現(xiàn)有系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上加入非同期脫冰功能，使系統(tǒng)能夠按照指定的非同期脫冰時序進(jìn)行動作。

(2)脫冰動作時序精度高。系統(tǒng)能夠完成高精度脫冰時序動作。在系統(tǒng)實現(xiàn)整檔同期脫冰過程中，各覆冰重物需在同一時刻完成脫落動作；在實現(xiàn)非同期脫冰過程中，各覆冰重物墜落時間差需滿足一定的時間精度。本實驗系統(tǒng)時間精度控制在ms級，可以實現(xiàn)10 ms及以上時間間隔的脫冰動作。

(3)靈活性強(qiáng)。系統(tǒng)能夠模擬多種架空輸電線覆冰工況。架空輸電線種類繁多，架設(shè)檔距檔數(shù)以及同樣覆冰厚度下的冰重比載也存在差異。而目前研制的脫冰跳躍實驗系統(tǒng)局限于小型架空輸電線工況的模擬，亦或由于覆冰重物笨重而只能用于大檔距脫冰跳躍工況的模擬。本實驗系統(tǒng)針對不同檔距和線型選擇不同吸力的電磁鐵和不同質(zhì)量的覆冰重物，使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性，能適用于多種覆冰工況下的脫冰跳躍實驗。

(4)自動化程度高。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動化控制。系統(tǒng)采用控制軟件對脫冰時序進(jìn)行自動化設(shè)置，動作的執(zhí)行也采用總線控制的方式實現(xiàn)，提高了實驗效率。原有脫冰跳躍實驗系統(tǒng)功能較單一，只能夠完成整檔或部分檔同期脫冰。本實驗系統(tǒng)加入非同期脫冰功能，使得實驗過程復(fù)雜度大大增加。尤其在大檔距情形下，由于需要整檔內(nèi)均勻加載覆冰重物，實驗系統(tǒng)鋪設(shè)跨度增加，操作難度提高，因此提高系統(tǒng)的自動化程度尤為重要。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計思想

根據(jù)系統(tǒng)總體需求特性，引入總線架構(gòu)式設(shè)計思想，將系統(tǒng)分割為多個功能子模塊，每個功能子模塊掛接在總線上進(jìn)行統(tǒng)一配置管理以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。具體實現(xiàn)方式為：設(shè)計多個架空輸電線脫冰跳躍控制裝置，每個裝置分別管理4路覆冰重物，各個裝置通過總線連接，統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)置并實現(xiàn)脫冰工況模擬。這種設(shè)計方式大大提高系統(tǒng)的自動化水平，直接對總線進(jìn)行操作即可控制所有子模塊，且各路覆冰重物相互獨立，通過遠(yuǎn)程設(shè)置能夠完成任意時序的脫冰動作，同時系統(tǒng)可以通過增加或減少脫冰控制裝置以適應(yīng)于不同實驗檔距。實際的架空輸電線工況較多，實驗系統(tǒng)需滿足諸如孤立檔、連續(xù)檔，真型輸電線或模擬實驗輸電線(地線)等多種工況的模擬要求。

1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

架空輸電線脫冰跳躍實驗要求能夠建立一段架空輸電線模型，實現(xiàn)覆冰脫冰工況模擬，同時也能采集脫冰跳躍過程中的動力學(xué)特性。對應(yīng)以上基本要求，將系統(tǒng)分為脫冰模擬模塊、脫冰控制模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊3大基本模塊。其中脫冰控制模塊是脫冰跳躍工況實現(xiàn)的關(guān)鍵，由脫冰控制硬件部分和脫冰控制軟件部分組成。架空輸電線脫冰跳躍實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Total structure diagram of system

脫冰模擬模塊架設(shè)一段實驗架空輸電線，并實現(xiàn)覆冰脫冰等基本功能，完成基本實驗環(huán)境的搭建。為適應(yīng)于各種架空輸電線工況，脫冰模擬模塊根據(jù)具體實驗工況進(jìn)行設(shè)計與調(diào)整。脫冰控制模塊實現(xiàn)架空輸電線覆冰和脫冰工況的模擬，其中脫冰控制軟件負(fù)責(zé)脫冰時序的遠(yuǎn)程設(shè)置并發(fā)送指令，脫冰控制硬件負(fù)責(zé)按照指令執(zhí)行脫冰動作，該部分與架空輸電線的工況和類型并無關(guān)系，可以采用統(tǒng)一的方式實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集模塊用于實時測取架空輸電線脫冰跳躍過程中的動張力以及跳躍軌跡時程，以供特性分析。

2 脫冰模擬模塊

脫冰模擬模塊完成架空輸電線脫冰實驗基本環(huán)境的模擬，搭建一段孤立檔或連續(xù)檔架空輸電線，具體情況依據(jù)實驗條件靈活確定?？梢圆捎谜嫘洼旊娋€，直接將實驗系統(tǒng)應(yīng)用于架空輸電線路上，也可以采用模擬架空輸電線。對于不同的架空輸電線，系統(tǒng)在設(shè)計覆冰重物時需依據(jù)架空輸電線的尺寸和覆冰厚度具體確定重物質(zhì)量。脫冰模擬模塊的重點在于覆冰重物的設(shè)計和覆冰脫冰工況的實現(xiàn)。

2.1 覆冰模擬設(shè)計

當(dāng)氣溫低于冰點時，過冷卻水與霧凇共同作用下會形成混合淞，混合淞密度大，粘附力強(qiáng)，易在架空輸電線表面形成冰層[10]，該冰層一般呈圓柱狀或近似橢圓狀，并通常在整個線路檔內(nèi)都有附著。為模擬實際覆冰工況，Kollár[11-12]等人進(jìn)行了架空輸電線濕雪脫落實驗，其覆冰工況采用在架空輸電線上壓合濕雪的方式來進(jìn)行模擬，但該實驗方式受氣候條件限制，只能在冷庫或嚴(yán)寒的冬季進(jìn)行。諸多學(xué)者采用在架空輸電線上等間距懸掛集中質(zhì)量的方式模擬覆冰，王璋奇[13]等人將該方法與真實覆冰法進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)2種方法得到的架空輸電線張力時程曲線在脫冰初期基本吻合，因此本實驗系統(tǒng)采用集中質(zhì)量法在架空線上懸掛重物實現(xiàn)覆冰模擬。

不同直徑的架空輸電線在不同覆冰厚度工況下會承受不同質(zhì)量的覆冰載荷，為方便調(diào)整覆冰質(zhì)量，覆冰重物采用不同質(zhì)量的沙袋，沙袋填裝質(zhì)量依據(jù)不同的覆冰厚度工況和導(dǎo)線型號確定。架空輸電線覆冰工況采用等間距懸掛重物的方式實現(xiàn)，重物質(zhì)量與等效覆冰質(zhì)量對應(yīng)。架空輸電線覆冰質(zhì)量的計算公式為

mice=ρiceπb(b+D)×106

(1)

式中：mice為架空輸電線單位長度上的覆冰質(zhì)量，kg/m；ρice為冰密度，這里取0.9×103kg/m3；b為覆冰厚度，mm；D為導(dǎo)線直徑，mm。這里假設(shè)導(dǎo)線覆冰截面為圓環(huán)狀。

根據(jù)式(1)計算導(dǎo)線在不同覆冰厚度情況下的覆冰質(zhì)量，進(jìn)而可以計算得出單個重物質(zhì)量，其計算公式為

mload=miceL/n

(2)

式中：mload為單個重物質(zhì)量，kg；L為檔距，m；n為懸掛重物數(shù)量，個。

覆冰的模擬需要根據(jù)具體的實驗架空輸電線工況進(jìn)行設(shè)計，通過靈活調(diào)整覆冰重物的質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)而能夠適應(yīng)于各種工況。

2.2 覆冰脫冰工況實現(xiàn)

架空輸電線覆冰脫冰工況的實現(xiàn)是實驗的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用集中質(zhì)量法模擬覆冰工況，重物與架空輸電線采用電磁鐵吸附的方式連接，便于脫冰工況的實現(xiàn)。經(jīng)過華北電力大學(xué)輸電線路工程實驗室的實踐應(yīng)用，驗證了本實驗方法的有效性[14]。

本系統(tǒng)采用電磁鐵吸附的方式模擬覆冰工況[15-16]，架空線上等間距地安裝輕質(zhì)鐵吸盤，吸盤尺寸和電磁鐵型號根據(jù)架空線直徑而定。電磁鐵通斷電由脫冰控制模塊統(tǒng)一控制，當(dāng)電磁鐵通電時，產(chǎn)生吸力，電磁鐵掛接沙袋懸掛于導(dǎo)線上，實現(xiàn)覆冰狀態(tài)的模擬；當(dāng)電磁鐵斷電時，失去吸力，沙袋脫離架空輸電線，完成脫冰過程的模擬。

3 脫冰控制模塊

脫冰控制模塊由脫冰控制硬件和脫冰控制軟件2部分組成。軟件部分完成脫冰時序的設(shè)置，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作功能；硬件部分按照指定脫冰時序執(zhí)行脫冰動作。

脫冰控制硬件主要由脫冰控制裝置、控制箱以及供電系統(tǒng)組成，其中脫冰控制裝置主要實現(xiàn)架空輸電線非同期脫冰過程，該裝置是實現(xiàn)指定脫冰時序動作的關(guān)鍵，也是模擬非同期脫冰跳躍工況的核心。

3.1 脫冰控制裝置原理

控制裝置的核心管理芯片為8位高性能單片機(jī)AVR ATmega128，主管接收配置指令，返回配置信息，接收執(zhí)行指令，并驅(qū)動電磁鐵進(jìn)行動作。為避免電磁鐵動作過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓對系統(tǒng)的影響，采用光耦驅(qū)動電路將 ATmega128芯片與電磁鐵接口進(jìn)行隔離。

脫冰控制裝置控制電路的原理如圖2所示。為增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，脫冰控制裝置采用相同的內(nèi)置控制電路。各裝置具有等價性，當(dāng)實驗系統(tǒng)需要增加覆冰重物時，只需增加相應(yīng)的脫冰控制裝置即可。同理，對于覆冰重物數(shù)量需求較小的情況，只需減少相應(yīng)的控制裝置即可滿足要求。同時由于控制裝置中每路電磁鐵可獨立工作，增加或減少接入電磁鐵的路數(shù)也可以實現(xiàn)覆冰重物數(shù)量的增減。

圖2 控制電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of control circuit

3.2 系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用總線架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，將各個脫冰控制裝置掛接在總線上，方便對各裝置進(jìn)行統(tǒng)一管理與控制。系統(tǒng)總線包括3個部分：485通信總線、控制總線以及電源總線。其邏輯架構(gòu)圖如圖3所示。

系統(tǒng)統(tǒng)一應(yīng)用計算機(jī)上安裝的控制軟件對各個脫冰控制裝置進(jìn)行配置，具體實現(xiàn)過程為控制軟件向控制箱發(fā)送脫冰時序配置指令，控制箱接到配置指令后將指令通過485總線發(fā)送給各個脫冰控制裝置，脫冰控制裝置根據(jù)自身地址進(jìn)行指令識別，完成相應(yīng)配置，并向485總線返回配置成功信息。控制箱發(fā)送指令完畢后即開始監(jiān)視總線中的返回信息，并將信息反饋給計算機(jī)，供操作人員及時檢查。

圖3 系統(tǒng)總線邏輯架構(gòu)圖Fig.3 Bus logical structural diagram of system

為確保系統(tǒng)執(zhí)行時間精度，脫冰動作指令通過控制總線傳遞，各脫冰控制器接收到動作指令的時間一致。由于系統(tǒng)總體呈長鏈狀，跨度較大，采用電源總線為各個系統(tǒng)供電，避免了復(fù)雜的獨立供電。需要說明的是，為與后文驗證性實驗保持一致，圖3給出了5個脫冰控制裝置掛接圖，實際系統(tǒng)可以掛接更多的脫冰控制裝置以滿足覆冰重物需求量大的實驗場合。

3.3 指令格式

非同期脫冰控制裝置的配置指令可以實現(xiàn)地址配置和時序配置兩大功能。地址配置實現(xiàn)對控制裝置地址的靈活配置，當(dāng)增加非同期脫冰控制裝置時，只需對新增裝置進(jìn)行地址配置即可接入系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。時序配置指令以數(shù)據(jù)幀的方式傳輸，每個數(shù)據(jù)幀中含有設(shè)備地址、各設(shè)備中的電磁鐵編號以及執(zhí)行時序等信息。每個數(shù)據(jù)幀用于配置一個非同期脫冰控制裝置中的一路電磁鐵，因此每路電磁鐵動作的執(zhí)行相互獨立，可以組合出多種脫冰時序。控制裝置完成時序配置后返回配置成功信息，控制軟件接收到該信息后以彈出框的形式顯示出來，以供及時檢查是否配置成功。

指令統(tǒng)一編輯為數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀包含6個八位二進(jìn)制碼，幀頭和幀尾分別統(tǒng)一為“0xeb”和“0x90”，數(shù)據(jù)幀中間部分分別包含了設(shè)置地址、設(shè)置每路動作時間、查詢、清除等功能代碼。其中“功能號”區(qū)別指令的功能，“地址”表示設(shè)備的地址號，“保留”字段統(tǒng)一使用“0x00”填滿。此處，“電磁鐵號”分別為每個脫冰裝置中4路電磁鐵標(biāo)示，該編輯方式可以對每個脫冰控制裝置中的各路電磁鐵進(jìn)行時序設(shè)置。“時間高位”和“時間低位”用于設(shè)置電磁鐵動作執(zhí)行時間，具體時間為“‘時間高位’×256 + ‘時間低位’”，單位為 ms。

另外，動作指令由開關(guān)控制產(chǎn)生，該指令為一個低電平(0 V)到高電平(12 V)的跳變。各控制裝置接收到動作指令后，進(jìn)入中斷程序，觸發(fā)內(nèi)部計時器開始計時，當(dāng)該時間達(dá)到設(shè)置的動作時間時驅(qū)動繼電器切斷電磁鐵電源，覆冰重物脫離架空輸電線，完成脫冰動作。

3.4 脫冰動作執(zhí)行

脫冰動作按照指定的時序執(zhí)行是本實驗系統(tǒng)實現(xiàn)非同期脫冰工況模擬的關(guān)鍵，系統(tǒng)對每路電磁鐵進(jìn)行獨立控制以避免其相互干擾，每路電磁鐵動作執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 脫冰跳躍執(zhí)行流程Fig.4 Ice shedding execution flow

實際線路非同期脫冰時，各覆冰重物脫落之間的時間差很小。因此，系統(tǒng)設(shè)定脫冰跳躍時間精度為 1 ms。脫冰控制裝置核心芯片ATmega128提供2種時鐘模式，一種是由內(nèi)部RC振動器提供時鐘源，另一種則由外部晶振提供時鐘源。這里開啟外部晶振模式，并在XTAL引腳上接入穩(wěn)定8 M晶振。

3.5 脫冰控制軟件

脫冰控制軟件是實驗人員對脫冰過程進(jìn)行配置的操作平臺，軟件采用高級編程C語言編輯，操作過程簡便，便于快速配置各覆冰重物的脫冰時序。軟件提供485通信配置、脫冰時序配置、設(shè)備檢測以及地址配置等功能。其中485通信配置功能用于串口配置連接，脫冰時序配置功能用于配置各路電磁鐵動作執(zhí)行時序，設(shè)備檢測功能用于檢測每個脫冰控制裝置的連接狀態(tài)，地址配置功能可以分別配置脫冰控制裝置的地址。同時，脫冰控制軟件能夠接收各脫冰控制裝置反饋的信息，以便狀態(tài)檢查。

脫冰時序是本實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵，脫冰控制裝置可以實現(xiàn) ms 級時間間隔精度。軟件以 ms 為單位，分別對每路電磁鐵進(jìn)行時間設(shè)置。每路電磁鐵執(zhí)行時間相互獨立，可以設(shè)置成任意時序組合，該功能確保系統(tǒng)能實現(xiàn)非同期脫冰。

系統(tǒng)用于研究架空輸電線在相對較短的時間里完成的脫冰跳躍動態(tài)過程，整檔導(dǎo)線脫冰時延超過90 s則不在本實驗系統(tǒng)考慮范圍內(nèi)。

4 數(shù)據(jù)采集模塊

4.1 動張力采集模塊

架空輸電線脫冰產(chǎn)生跳躍振蕩，導(dǎo)線端部張力會發(fā)生動態(tài)變化。系統(tǒng)設(shè)計動張力采集模塊，實現(xiàn)對架空輸電線動張力變化數(shù)據(jù)的實時采集。

將張力傳感器串接在架空線端部的耐張線夾與絕緣子掛點之間，對脫冰跳躍過程中的動張力進(jìn)行實時采集，系統(tǒng)應(yīng)用量程為0～10 000 kg的電阻應(yīng)變式張力傳感器，其綜合精度為0.02(線性+滯后+重復(fù)性)，靈敏度為2.0 mV/V，傳感器將張力值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮钁?yīng)變再經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換為0～5 V標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓量。其中變送器中安裝有精密電橋，張力傳感器內(nèi)部電阻由于張力作用而發(fā)生變化，該變化導(dǎo)致電橋失衡，輸出正比于張力值的模擬電壓，再經(jīng)過濾波放大處理后，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓量。該電壓經(jīng)DT9800高性能數(shù)據(jù)采集卡采集，并通過數(shù)據(jù)線傳送至計算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集軟件DEWEsoft，軟件將該值轉(zhuǎn)換為導(dǎo)線端部實時動張力，并繪制時程曲線。動張力采集模塊的具體實現(xiàn)原理如圖5所示。

圖5 動張力采集模塊原理圖Fig.5 Schematic diagram of dynamic tension acquisition module

4.2 導(dǎo)線脫冰跳躍軌跡測量模塊

導(dǎo)線脫冰后在豎直和水平兩個方向上都會有振動，本系統(tǒng)采用雙目立體視覺技術(shù)實現(xiàn)對導(dǎo)線脫冰跳躍軌跡的測量。

雙目立體視覺技術(shù)原理如圖6所示。分別建立世界坐標(biāo)系OwXwYwZw，相機(jī)坐標(biāo)系Oc1Xc1Yc1Zc1和Oc2Xc2Yc2Zc2，圖像物理坐標(biāo)系O1X1Y1和O2X2Y2，圖像像素坐標(biāo)系Ouv1U1V1和Ouv2U2V2，由單個相機(jī)投影原理，可以得到像素坐標(biāo)u、v與世界坐標(biāo)xw、yw、zw之間的關(guān)系為

(3)

式中：k和s是比例因子；fx與fy分別為x方向和y方向上的尺度因子；(u0,v0)為主點坐標(biāo)；R和T為世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣以及平移向量。

對于任一測量點，可以得到兩個圖像像素坐標(biāo)(ul，vl)、(ur，vr)，代入式(3)，得到4個方程，利用最小二乘法進(jìn)行求解，即可以得到被測點在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。

圖6 雙目視覺原理Fig.6 Principle of binocular vision

導(dǎo)線脫冰跳躍軌跡的測量原理如圖7所示。系統(tǒng)采用2個可調(diào)焦相機(jī)作為雙目系統(tǒng)硬件，相機(jī)焦距可調(diào)范圍為2.8～12.0 mm，分辨率為1280*720，上位機(jī)采集軟件利用MATLAB軟件編寫。使用時，首先利用棋盤格標(biāo)定板對左右相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，其次通過上位機(jī)控制相機(jī)連續(xù)拍攝導(dǎo)線跳躍圖像，然后在上位機(jī)中利用圖像中導(dǎo)線與雙目系統(tǒng)極線有交叉的特性進(jìn)行特征點匹配，最后計算出導(dǎo)線脫冰過程中的運(yùn)動軌跡。通過對運(yùn)動軌跡進(jìn)行時運(yùn)和頻域分析，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線脫冰跳躍軌跡的多項特征。

圖7 導(dǎo)線脫冰跳躍軌跡測量Fig.7 Jump track measurement of ice shedding

5 結(jié) 論

針對現(xiàn)有導(dǎo)線脫冰實驗系統(tǒng)適用性單一的問題，基于總線架構(gòu)式設(shè)計思想，設(shè)計并研制了一套新型導(dǎo)線脫冰振蕩非線性模擬實驗系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)進(jìn)行了驗證性實驗，并得出以下結(jié)論。

(1)本系統(tǒng)在現(xiàn)有實驗系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過對脫冰控制模塊硬件、軟件部分的改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)任意時序組合的非同期脫冰工況模擬，提升了實驗系統(tǒng)的適用性。

(2)本實驗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的準(zhǔn)確控制，將時間精度設(shè)置為ms級，保證同期脫冰實驗的同時性與非同期脫冰實驗的時序精度。

(3)通過動張力采集模塊和導(dǎo)線脫冰跳躍軌跡測量模塊對脫冰跳躍過程中的動張力和跳躍軌跡進(jìn)行實時采集，以供進(jìn)一步動力學(xué)分析。

(4)本系統(tǒng)采用總線架構(gòu)式設(shè)計，通過對3大模塊的精細(xì)化設(shè)計，使系統(tǒng)功能更全面，靈活性更強(qiáng)，自動化程度更高，能夠適用于多種輸電線脫冰跳躍工況。

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(編輯 景賀峰)

Ice Shedding Experimental System for Overhead Transmission Lines

WANG Zhangqi , QI Lizhong, WANG Meng, WANG Jian

(Mechanical Engineering Department, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Ice shedding occurs frequently on overhead transmission line in ice area. The line vibration caused by ice shedding may reduce the structure safety of transmission tower. In order to implement the experiment simulation for the ice shedding of transmission line under multi-operating conditions, this paper develops a new nonlinear simulation experiment system of ice shedding for overhead transmission lines based on bus architecture design, which consists of ice shedding simulation module, ice shedding control module and data acquisition module. The ice shedding simulation module establishes the fundamental environment of the experiment, which can design according to different transmission line conditions. The ice shedding control module sets the time sequence of ice shedding, which can accurately simulate different ice shedding conditions according to the time sequence. The data acquisition module acquires the dynamic tension in real time, and adopts binocular stereo vision technology for the measurement of ice shedding jump track of the overhead conductor. The system has a higher lever of automation and a good control precision, which can effectively obtain the dynamic tension and ice shedding track during ice shedding.

overhead transmission lines; ice shedding; nonlinear simulation

國家電網(wǎng)公司科技項目(1216713041)

TM 75

A

1000-7229(2016)06-0109-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.06.016

2016-02-16

王璋奇(1964)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為輸電線路工程，新能源技術(shù)與設(shè)備；

齊立忠(1968)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為輸變電工程技術(shù)與管理；

王孟(1967)，女，碩士，副教授，主要研究方向為輸電線路工程；

王劍(1989)，男，博士研究生，主要研究方向為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。