自然環(huán)境輸電線及絕緣子覆冰狀態(tài)多維度評估

鄭捷寧，魏業(yè)文

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

1 引言

由于各地區(qū)的自然環(huán)境差異較大，且氣候條件多變。尤其北方冬季氣溫偏低，導(dǎo)致北方地區(qū)的冬季輸電線絕緣子大部分區(qū)域發(fā)生不同程度的覆冰情況[1]。輸電線中絕緣子作用至關(guān)重要。因為空氣中有一定成分的導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)覆冰匯集絕緣子表面時，絕緣子的絕緣能力下降。當(dāng)輸電線覆冰區(qū)域融冰時，絕緣子表面的局部電阻不同，易導(dǎo)致線路跳閘，對線路的絕緣設(shè)計及電力系統(tǒng)的安全運行有很大威脅，因而對輸電線及絕緣子覆冰進(jìn)行在線監(jiān)測意義重大。

各界對輸電線覆冰情況的研究越來越關(guān)注。文獻(xiàn)[2]提出了一種計及氣象因素時間累積效應(yīng)的輸電線路覆冰預(yù)測，該方法通過建立不同氣象條件下覆冰厚度的增長模型，獲得在不同環(huán)境下覆冰厚度隨著時間的變化關(guān)系。同時充分考慮覆冰的狀態(tài)和該地區(qū)的氣象條件的相關(guān)性，給出了不同的氣象條件下覆冰厚度增長程度參數(shù)，通過將預(yù)測結(jié)果和真實情況的對比，證實該方法在預(yù)測精度方面存在優(yōu)勢，但是存在方法應(yīng)用速度較慢問題。文獻(xiàn)[3]提出基于圖像處理技術(shù)的輸電線及絕緣子覆冰狀態(tài)評估。以鋁合金表面為基底，利用激光二次掃描方法，將水滴在其表面結(jié)冰過程圖像用閾值法分割，并進(jìn)行形態(tài)學(xué)運算，分析結(jié)冰過程中輪廓及狀態(tài)變化，獲取水滴結(jié)冰時間與結(jié)果，該方法在運行速度存在優(yōu)勢，但由于評估指標(biāo)單一，導(dǎo)致所得結(jié)果誤差較大且不具說服力。

為保證覆冰狀態(tài)評估準(zhǔn)確性與時效性，提出自然環(huán)境輸電線及絕緣子覆冰狀態(tài)多維度評估方法。分析自然條件下輸電線覆冰類型及形成條件，定義影響覆冰程度各相關(guān)指標(biāo)權(quán)重值，獲取輸電線覆冰后對環(huán)境、人員及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響程度。通過對覆冰過載狀體狀態(tài)研究，計算出各區(qū)域輸電線絕緣子水平、垂直荷載量及該區(qū)域的覆冰厚度，綜合考慮覆冰厚度與被測區(qū)域的環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境濕度等相關(guān)指標(biāo)在覆冰過程中的重要程度，得出覆冰狀態(tài)的計算方法，多維度評估輸電線覆冰狀態(tài)。

2 電線及絕緣子覆冰類型分析

輸電線覆冰狀態(tài)與覆冰量取決于當(dāng)?shù)貧鉁?、空氣濕度及電線尺寸及覆冰持續(xù)時間。雖然各個地區(qū)的輸電線絕緣子[4]覆冰情況差異性較大，但可以綜合總結(jié)為3大類型：雨凇，霧凇和混合凇。

一般情況下，雨凇是在凍雨或雨夾雪天氣中形成的，覆冰在該段輸電線中的比重系數(shù)約在0.8～0.92之間。當(dāng)水滴落在輸電線上后，由于雨滴凍結(jié)需要時間，在其凍結(jié)前會沿電線表面流動。雨凇質(zhì)地堅硬，通常呈透明狀，其粘附力較強，主要在輸電線及絕緣子迎風(fēng)面形成。當(dāng)風(fēng)向不確定時，會在絕緣子傘盤表面均勻覆冰，由于雨水未完全凍結(jié)時會沿絕緣子傘盤下落形成懸掛式冰柱，當(dāng)輸電線絕緣子長時間覆冰時，各絕緣子冰柱會串聯(lián)起來，形成橢圓形冰柱[5]。

霧凇是冷云霧與極小的水粒遇冷凍結(jié)的沉積物。因水粒對比雨水體積較小，遇冷則會迅速凍結(jié)，重復(fù)堆積形成了霧凇。按照其硬度能劃分為硬霧凇與軟霧凇兩類。軟霧凇為蓬松狀白色結(jié)晶顆粒，比重在0.1～0.6之間。附著力較小，要在氣溫較低的環(huán)境下形成。在海拔較高地區(qū)中，因過冷水體積較小，軟霧凇則成為當(dāng)?shù)剌旊娋€絕緣子常見覆冰類型。硬霧凇為小水粒凍結(jié)逐漸累積形成，呈白色不透明狀，比重在0.5～0.8之間，并且含有氣泡。具有較強附著力。

混合凇即雨凇與霧凇的混合物，氣象變化時，呈現(xiàn)能引起霧凇與雨凇的氣候環(huán)境，其比重一般在0.4～0.6之間。剛開始發(fā)生覆冰時氣溫較高，過冷水不會迅速結(jié)冰，而在輸電線的表面產(chǎn)生雨凇，隨溫度不斷降低，小水粒則形成霧凇附著在雨凇外層部分，當(dāng)氣溫再次回升時，輸電線絕緣子外層霧凇又一次融化，若遇到冷空氣則會再次凍結(jié)形成雨凇，若此過程反復(fù)發(fā)生在凍結(jié)天氣中，則會在輸電線上形成厚度較大的混合凇覆冰。

上述的三種覆冰類型在輸電線絕緣子帶電和不帶電的時都會產(chǎn)生。并且根據(jù)觀測，在輸電線兩種條件下的覆冰形態(tài)和覆冰數(shù)量大致相同，也就是說絕緣子雖然帶電，但是其泄漏電流產(chǎn)生的微小熱效應(yīng)對覆冰過程沒有較大影響。

3 輸電線絕緣子覆冰狀態(tài)多維度評估

3.1 輸電線覆冰風(fēng)險分析

自然環(huán)境中，輸電線在寒冷條件下，就會發(fā)生覆冰風(fēng)險，從溫度、地形、濕度、覆冰程度、冰區(qū)劃分等5方面對發(fā)生覆冰風(fēng)險可能性進(jìn)行分析。首先將風(fēng)險指標(biāo)體系定義為目標(biāo)層U、分層B、分層C。如表1所示：

表1 覆冰風(fēng)險評估表

由于各項指標(biāo)的影響程度不同，因此對各個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行計算，過程如下：

1)建立矩陣[6]。假設(shè)B層對U的構(gòu)造的矩陣為A1(矩陣元素為aij)則：aij={1：Bi和Bj同樣重要；3：Bi比Bj略重要；5：Bi比Bj明顯重要；7：Bi比Bj重要得多；9：Bi比Bj極端重要；2、4、6、8：相鄰判斷的中值}，B1>B3>B2>B4，則

(1)

同理可得：

(2)

式(2)中，A21、A22、A23、A24分別是危險性、暴露性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力的矩陣。

2)確定B層參數(shù)的權(quán)重值[7]。對矩陣A1的特征向量進(jìn)行歸一化處理，則可以得到：ω1=[0.657 4 0.094 2 0.202 7 0.045 7]，此時一致性指標(biāo)ICR=0.0632<0.1，因此四舍五入ω1，將其兩位有效數(shù)位作為B層指標(biāo)的權(quán)重值。

3)對C層的危險指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行確定。歸一化處理矩陣A21，獲得其特征向量集為ω2=[0.032 5 0.032 5 0.068 1 0.257 3 0.134 6 0.475 0]四舍五入ω2，將其兩位有效數(shù)位作為C層危險指標(biāo)的權(quán)重值。

4)對C層暴露性指標(biāo)和脆弱性指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行確定，因該層只考慮經(jīng)濟(jì)的影響，所以將二者的權(quán)重系數(shù)同時定義為1。

5)對C層的防災(zāi)減災(zāi)能力的權(quán)重值進(jìn)行確定。將矩陣A24進(jìn)行歸一化處理，得到R1、R2的權(quán)重系數(shù)d1=0.25，d2=0.75。

通過加權(quán)綜合評分法可得危險性計算公式可表示為

(3)

暴露性計算公式為

E=E1b

(4)

脆弱性[8]計算公式為

V=V1c

(5)

防災(zāi)減災(zāi)能力計算公式為

(6)

則覆冰的風(fēng)險指數(shù)為

Ir=HaEβVγ[e+(1-e)(5-R)δ]

(7)

式(7)中，e為不可抗系數(shù)。若H、E、V中任何一種指標(biāo)為零，則輸電線的覆冰風(fēng)險為零。若被測區(qū)域有極強的防災(zāi)減災(zāi)能力，則輸電線的覆冰風(fēng)險指標(biāo)的值會降到最小。

3.2 覆冰過載狀態(tài)計算

通過物理力學(xué)特征來對覆冰過載進(jìn)行描述，根據(jù)對輸電線各個相關(guān)因素的分析，得出各角度過載力學(xué)計算方法如下：

輸電線在垂直方向的過載計算公式

A=B(M，N)×C

(8)

式(8)中，A表示輸電線塔桿垂直方向的最大荷載量[9]；M為B層覆冰導(dǎo)線長度；N代表B層地線的最大覆冰荷載；C表示為輸電線到地面的垂直距離。

E=F×G

(9)

式(9)中，E代表輸電線塔桿垂直方向的最大荷載量；F表示輸電線的拉力角；G為輸電線所在區(qū)域的風(fēng)向角。

H=I(J，K)×L

(10)

式(10)中，H為地線在垂直方向的最大荷載量；J代表地線自重；K代表地線的總覆冰量；

輸電線在水平方向的過載計算公式如下

(11)

式(11)中，d代表導(dǎo)線的直徑；a代表風(fēng)壓系數(shù)；μz代表風(fēng)壓高度變化系數(shù)；L代表相鄰塔桿之間的水平距離；θ代表風(fēng)向角。

(12)

式(12)中代表地線的直徑，μsc代表輸電線的規(guī)格。

設(shè)覆冰厚度為b，則

(13)

式(13)中，q代表總荷載量，ρ代表覆冰密度。

4 實驗分析

為驗證所提方法的有效性和準(zhǔn)確性，對多個處于不同氣候條件下的輸電線絕緣子進(jìn)行狀態(tài)驗證，并與真實數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

4.1 評估指標(biāo)設(shè)定

根據(jù)研究數(shù)據(jù)，提取傳統(tǒng)輸電線狀覆冰態(tài)評估方法多維度指標(biāo)，對各個衡量標(biāo)準(zhǔn)作如下定義：濕度(RH)論域為0%～100%；溫度(T)論域為-20℃～20℃；風(fēng)速(S)論域為：0m/s～20m/s；輸電線絕緣子覆冰厚度(H)論域為：0mm～30mm；模糊語言[10]值為：極小(NB)，較小(NS)，中等(O)，較大(PS)，極大(PB)。則各衡量指標(biāo)的隸屬度函數(shù)[11]如圖1。

圖1 各指標(biāo)隸屬度函數(shù)圖

將絕緣子覆冰狀態(tài)最終可能給出的4種評估狀態(tài)[12]作如下描述：

NA：指自然條件下，環(huán)境和氣候不會發(fā)生覆冰情況，或輸電線絕緣子在該階段不處于覆冰狀態(tài)，再或者是存在的覆冰極小，不影響線路的正常運行，可以忽略不計。

A1：指輸電線上的覆冰情況較為嚴(yán)重。

A2：指輸電線覆冰嚴(yán)重。

A3：指輸電線上的覆冰狀態(tài)極為嚴(yán)重。

則可以通過溫度、濕度、風(fēng)速等參考數(shù)值來評估自然環(huán)境是否達(dá)到覆冰狀態(tài)，然后根據(jù)輸電線的覆冰厚度對的覆冰狀態(tài)進(jìn)行評估，其規(guī)則如下：

1)當(dāng)輸電線的覆冰厚度為NB或NS時，則輸出NA。

2)當(dāng)輸電線的覆冰厚度為O時，則輸出A1。

3)當(dāng)輸電線的覆冰厚度為PS時，則輸出A2。

4)當(dāng)輸電線的覆冰厚度為PB時，則輸出A3。

4.2 所提方法評估結(jié)果與實際情況擬合度測試

得到的對比分析結(jié)果如下表：結(jié)合3.3節(jié)給出的評估指標(biāo)，對濕度、溫度、風(fēng)速及覆冰厚度分別進(jìn)行記錄，結(jié)果與真實數(shù)據(jù)越接近說明評估性能越好。表2中，“等效覆冰厚度”是監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測參數(shù)計算得到的；“實際情況”是經(jīng)人工定量獲得的，“評估結(jié)果”是所提算法最終輸出的覆冰狀態(tài)。

表2 所提方法評估結(jié)果與實際情況的擬合度驗證

從表2中可以看出，被測區(qū)域1，4，9被測出覆冰厚度分別為2.4mm、3.7mm、2.7mm，但是由于環(huán)境溫度過高，不符合冰凍條件，所以最終給出的評估結(jié)果是NA，即無覆冰狀態(tài)，這和實際狀態(tài)相符，這證明了所提方法不會因為單一評估指標(biāo)計算存在誤差而產(chǎn)生誤判，同時其它待測區(qū)域的測試結(jié)果也與實際結(jié)果一致。表2的數(shù)據(jù)表明，提出的自然環(huán)境輸電線及絕緣子覆冰狀態(tài)多維度評估方法可以實現(xiàn)對輸電線絕緣子的智能化評估，并且準(zhǔn)確性較高。

4.3 不同方法的評估效率對比

為進(jìn)一步驗證所提評估方法的評估效率，將所提方法與文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法、文獻(xiàn)[3]方法的評估消耗時間進(jìn)行對比分析，消耗時間越少表明評估方法效率越高。對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同算法測試速度對比圖

根據(jù)圖2的數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明，傳統(tǒng)方法的應(yīng)用耗時明顯高于所提方法。所提算法的應(yīng)用時間消耗均不超過2s，且隨檢測目標(biāo)增加對其效率影響較小，得到評估效率高于傳統(tǒng)方法，具有更高應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

由于輸電線路覆冰產(chǎn)生情況復(fù)雜，且受環(huán)境因素綜合影響，提出了自然環(huán)境輸電線及絕緣子覆冰狀態(tài)多維度評估方法。定義影響覆冰程度各個相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重值。計算出各區(qū)域輸電線絕緣子水平、垂直荷載量及該區(qū)域的覆冰厚度，完成輸電線覆冰狀態(tài)多維度評估。實驗結(jié)果表明：所提方法與實際情況一致，且所提方法對比傳統(tǒng)方法應(yīng)用效率更高，在對多個輸電線目標(biāo)進(jìn)行覆冰狀態(tài)評估時，消耗時間不超過2s。綜上所述，所提方法具有更好的應(yīng)用效果，可以為相關(guān)研究提供可靠依據(jù)。