沙漠區(qū)域輸電線路絕緣子風(fēng)偏運動分析

李曉光，龔浩，金銘，王建，劉春翔，李昆，劉健

(1．國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊830011；2.南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；3．國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

極端環(huán)境災(zāi)害影響范圍廣，受災(zāi)損失巨大[1-3]，以沙漠區(qū)域的風(fēng)沙災(zāi)害最為典型.風(fēng)沙災(zāi)害帶來的系列故障中輸電線路絕緣子風(fēng)偏、連接金具磨損等問題尤為突出.

有關(guān)輸電線路風(fēng)偏相關(guān)的研究，早期主要以計算仿真模擬為主.考慮到線路的阻尼效應(yīng)，研究者通常采用頻域計算方法，深入分析了振型組合階數(shù)以及組合方式對輸電線路動態(tài)風(fēng)偏結(jié)果的影響[4-5]，或者分析輸電塔線體系在風(fēng)振影響下的響應(yīng)頻域特征[6-7].也有研究者考慮到絕緣子串和導(dǎo)線之間的耦合效應(yīng)，采用有限元仿真了自然風(fēng)災(zāi)環(huán)境下的線路風(fēng)偏情況，給出了相應(yīng)的計算手段[8].沙塵環(huán)境引起的風(fēng)偏間隙放電相關(guān)的研究，放電間隙的安全評估工作[9]，沙粒大小、空間分布和沙粒密度等因素對放電的影響研究[10-12]，是目前研究者關(guān)注的熱點問題.

絕緣子風(fēng)偏運動過程引發(fā)的連接金具磨損問題，相關(guān)的研究報道較少，研究主要集中在試驗?zāi)M方面.較為系統(tǒng)的是國網(wǎng)電力科學(xué)研究院和新疆電力科學(xué)研究院等單位，實驗?zāi)M了金具沙粒磨損特征，分析了風(fēng)力、沙粒等環(huán)境參數(shù)對金具磨損的影響以及磨損引起的金具電暈特性[12-14]，并探索了地理環(huán)境、風(fēng)速風(fēng)向等因素對線路金具壽命的綜合影響[15].此外，采用CIGRE、EPRI以及東京電力研究院推薦的圖像分析方法研究了輸電導(dǎo)線的運動軌跡，推測運動中絕緣子和導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)特征[16-18]；利用視頻圖像分析方法，新疆電科院通過導(dǎo)線運動軌跡獲取導(dǎo)線運動周期，通過自制設(shè)備模擬金具風(fēng)振情況，但運動周期取值有待商榷.國網(wǎng)武漢高壓研究院建立了長串絕緣子的試驗?zāi)M設(shè)備，對盤形懸式瓷絕緣子串、玻璃絕緣子串和復(fù)合絕緣子開展了系列試驗，其中的絕緣子耐張串試驗，強度下降較多[19].清華大學(xué)建立了特高壓復(fù)合絕緣子耐張串振動試驗裝置，獲得了微風(fēng)振動對復(fù)合絕緣子耐張串機械性能的影響因素[20].但針對絕緣子風(fēng)偏過程的振動研究較少，相關(guān)試驗參數(shù)尚待考證.

沙漠區(qū)域性大風(fēng)為典型的空氣湍流，這種湍流包含有巨大的能量，推動了線路的運動，從而導(dǎo)致線路絕緣子風(fēng)偏產(chǎn)生，出現(xiàn)無規(guī)律的振幅.絕緣子的運動迫使線路回應(yīng)，并出現(xiàn)了線路的抖振反應(yīng)，這種抖振反應(yīng)瞬間出現(xiàn)多個小幅值現(xiàn)象，可能導(dǎo)致絕緣子風(fēng)偏放電的產(chǎn)生.強風(fēng)環(huán)境絕緣子風(fēng)偏振動過程可以看作風(fēng)偏和振動2個運動的合成.本文中采用視頻分析方法和振動分析獲得絕緣子的風(fēng)偏和振動，在這2個量的基礎(chǔ)上進行合成.采用視頻分析方法分析絕緣子的風(fēng)偏過程，通過位移傳感器捕捉振動的過程.

1 分析方法

圖1 絕緣子照片

1.1 圖像分析絕緣子視頻系統(tǒng)在成像過程中受到環(huán)境因素的制約，系統(tǒng)常出現(xiàn)透鏡色差及像差等固有缺陷，出現(xiàn)光路衍射、成像噪聲、運動絕緣子圖像失真以及失焦模糊等問題.正常情況下，從桿塔橫擔(dān)的視角，獲取的絕緣子圖像如圖1(a)所示.在實際風(fēng)偏運動過程中，獲取清晰的圖像非常困難，但絕緣子的特征明顯.圖1(b)為某次沙塵暴天氣獲得的絕緣子圖像，圖1(b)可以視為圖1(a)的圖像獲取過程的退化照片.

假設(shè)退化函數(shù)用H表示，環(huán)境干擾噪聲用I表示，這2個影響因素共同作用在圖像f(x,y)(圖1(a))上，獲得退化圖像g(x,y)[21]，即圖1(b).假設(shè)該退化圖像的二值圖像為b(x,y)，其過程可由流程圖2(a)給出，通過該流程可以獲取絕緣子的運動振幅軌跡.這些過程包括：

1)絕緣子圖像獲取過程受到各種干擾因素而退化，該退化過程H與干擾噪聲I作用在圖像f(x,y)上，對于一般光學(xué)成像來說，退化過程可近似認(rèn)為是線性的，有方程式(1)成立：

g(x,y)=H(x,y)×f(x,y)+I(x,y)

(1)

圖2 絕緣子圖像處理流程及效果圖

2)退化后的絕緣子圖像g(x,y)，二值變換B后獲得的二值圖像b(x,y)非常清晰簡單，如圖2(b)所示，絕緣子特征明顯，略去背景干擾，可以直接用來做中間過程計算，有方程式(2)成立：

b(x,y)=B(x,y)×g(x,y)

(2)

3)復(fù)原變換過程可采用直接盲解卷積[22]、維納解卷積圖像復(fù)原[23]等方法實現(xiàn)，絕緣子圖像處理流程中，整個絕緣子運動過程不需要考慮復(fù)原變化過程，在重點環(huán)節(jié)進行校對時才考慮復(fù)原變化，識別出絕緣子的2個端點位置，并且圖形精度要求不高；

4)建立絕緣子坐標(biāo)，以無風(fēng)狀態(tài)絕緣子高壓端為原點，垂直導(dǎo)線和絕緣子方向為橫向坐標(biāo)(X坐標(biāo))，以絕緣子方向為縱向坐標(biāo)(Y坐標(biāo))，沿著導(dǎo)線為水平坐標(biāo)(Z坐標(biāo)).獲得的絕緣子運動照片，經(jīng)步驟1)和步驟2)的二值變換B處理，識別出絕緣子兩端，從而計算出絕緣子運動的時間、方向和幅度.

1.2 振動位移分析采用武漢伊萊維特設(shè)計的光纖光柵位移傳感器(型號：YLWT-DMS-102)，改進基礎(chǔ)設(shè)計以滿足現(xiàn)場需求，改進后該傳感器參數(shù)為量程 ± 500 mm，精度0.3%，靈敏度0.1%，頻率響應(yīng)3 500 Hz，光柵中心波長1 525～1 565 nm，光柵反射率 ≥ 90%.測量步驟如下：

1)光纖光柵位移傳感器直接附著在絕緣子高壓端的金具上，觀測位置與視頻觀測位置保持一致；

2)傳感器測量范圍為-500 ～ 500 mm，超過該范圍振幅的測量采用視頻圖像分析實現(xiàn)；

3)振動位移測量的時間參數(shù)與視頻圖像測量的時間參數(shù)保持一致，方便運動疊加合成.

2 結(jié)果與分析

圖3 絕緣子風(fēng)偏觀測塔

選擇位于沙漠風(fēng)區(qū)某超高壓線路的直線塔作為研究對象，如圖3，該直線塔在某次風(fēng)害過程中發(fā)生絕緣子風(fēng)偏放電事件，是沙漠風(fēng)區(qū)絕緣子風(fēng)偏研究的重點對象.

圖4(a)是利用圖像分析方法獲得的結(jié)果，絕緣子圖像處理步驟見1.1部分，觀測位置為均壓環(huán)，見圖3.從圖4(a)中可以得出，絕緣子風(fēng)偏幅度與極大風(fēng)速值之間強相聯(lián)，略微滯后風(fēng)速值約10 s.極大風(fēng)速值在80 ～ 160 s的風(fēng)速穩(wěn)定時間區(qū)域，絕緣子風(fēng)偏幅度值也進入穩(wěn)定區(qū)域，穩(wěn)定陣風(fēng)推動線路的整體運動，從而導(dǎo)致線路絕緣子風(fēng)偏略微滯后；此外，極大風(fēng)值不斷變化區(qū)域，絕緣子風(fēng)偏幅度值也不斷變化.短時間的風(fēng)規(guī)律表現(xiàn)為無規(guī)律的空氣湍流，出現(xiàn)的絕緣子風(fēng)偏表現(xiàn)為無規(guī)律的風(fēng)偏運動，極大風(fēng)速的范圍為25 ～ 45 m/s，風(fēng)偏值為1 ～ 3 m.

圖4(b)疊加合成振動位移部分?jǐn)?shù)據(jù).絕緣子風(fēng)偏受到風(fēng)力影響，風(fēng)力本質(zhì)上是空氣的湍流，引發(fā)2種結(jié)果：1)時間上，風(fēng)力的能量處于變化過程中；2)風(fēng)力的能量平面非均勻分布.第一種結(jié)果引發(fā)風(fēng)力提升力的連貫非均勻性，導(dǎo)致導(dǎo)線和絕緣子的非線性運動，引發(fā)絕緣子抖振；第二種結(jié)果引發(fā)風(fēng)力推動導(dǎo)線的非均勻作用，也將引發(fā)絕緣子抖振，這些現(xiàn)象表現(xiàn)為位移傳感器獲得的小振幅運動，約為 ± 400 mm的無規(guī)律運動，相關(guān)結(jié)果如圖4所示.

圖4 絕緣子風(fēng)偏分析結(jié)果

長時間的絕緣子風(fēng)偏過程如圖5所示，本研究中風(fēng)向與輸電走廊的垂直方向為10° ～ 25°，導(dǎo)線受到湍流的抬升力，導(dǎo)線阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的變化而迅速變化，導(dǎo)線的阻力FD由方程式(3)給出[18]：

(3)

其中，ρair為空氣密度(標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力情況下大約為1.2 kg/m3)，Φ為導(dǎo)線直徑(m)，單導(dǎo)線為φ(m)，分裂導(dǎo)線需要根據(jù)分裂數(shù)進行換算，Vr為相對風(fēng)速(m/s)，CD為阻力系數(shù)(k/h)，該常數(shù)由風(fēng)速和導(dǎo)線粗糙度確定，如果出現(xiàn)非對稱沉積物(比如冰、雪等)使表面出現(xiàn)偏心率，CD依賴于風(fēng)攻角，參考相對于風(fēng)向的冰位置，同時分裂導(dǎo)線需要根據(jù)非對稱沉積物界面進行換算得出.空氣湍流過程中，導(dǎo)線阻力能夠在三維空間推動導(dǎo)線動態(tài)運動，在導(dǎo)線阻力作用形成的風(fēng)偏抖振極易受到風(fēng)速值的影響.長時間絕緣子風(fēng)偏運動過程則表現(xiàn)為圖5的形式.

一般情況下，風(fēng)向與輸電走廊并不垂直，風(fēng)的垂直分量引起絕緣子風(fēng)偏向上運動，從而有垂直位置變化，同時，風(fēng)的水平分量導(dǎo)致導(dǎo)線水平運動，其運動過程引發(fā)導(dǎo)線擺動，進而引發(fā)絕緣子擺動，擺動幅值約為 ± 1.5 m，如圖6所示.整個絕緣子風(fēng)偏運動過程非常有害，直接加劇絕緣子兩端連接金具(U型環(huán))的磨損過程，文獻[12-13]中的擺動周期取值為5 s，本文中的結(jié)果與該取值有一定的差異；文獻[12-13]中對比了現(xiàn)場和實驗的分析結(jié)果，認(rèn)為存在粘著磨損和磨料磨損的兩個磨損過程，但從本文中角度出發(fā)，大幅度的絕緣子擺動將引發(fā)連接金具之間的碰撞，而絕緣子抖振過程則引發(fā)粘著磨損，粘著磨損和磨料磨損協(xié)同作用，直接增加絕緣子兩端連接金具磨損故障發(fā)生的幾率.

圖5 長時間絕緣子風(fēng)偏運動過程的時間序列

圖6 絕緣子風(fēng)偏的水平位置與垂直位置的關(guān)聯(lián)圖

3 結(jié)論

1)強風(fēng)環(huán)境下絕緣子風(fēng)偏振動可以看作風(fēng)偏和振動兩個運動的合成，絕緣子風(fēng)偏過程采用視頻分析方法實現(xiàn)，振動位移過程通過光纖光柵位移傳感器捕捉；

2)絕緣子風(fēng)偏幅度與極大風(fēng)速值之間強相聯(lián)，整個運動過程包含無規(guī)律的風(fēng)偏運動和抖振運動，風(fēng)偏值為1 ～ 3 m/s，抖動值為-400 ～ 400 mm；

3)風(fēng)的垂直分量引起絕緣子風(fēng)偏向上運動，風(fēng)的水平分量導(dǎo)致導(dǎo)線水平運動，這個擺動過程將加劇連接金具的磨損.