架空輸電導線脫冰跳躍實驗系統

王璋奇，齊立忠，王孟，王劍

(華北電力大學機械工程系，河北省保定市 071003)

架空輸電導線脫冰跳躍實驗系統

王璋奇，齊立忠，王孟，王劍

(華北電力大學機械工程系，河北省保定市 071003)

導線覆冰是冰區架空輸電線中的常見現象，導線脫冰振蕩會嚴重影響輸電塔的結構安全。為了實現對導線覆冰脫冰的多工況實驗模擬，基于總線架構式設計思想，研制了一套新型導線脫冰振蕩非線性模擬實驗系統，主要包括脫冰模擬模塊、脫冰控制模塊和數據采集模塊三大部分。脫冰模擬模塊負責基本實驗環境的搭建，可以根據不同的架空輸電線工況進行設計。脫冰控制模塊實現脫冰時序的設置，并按照時序高精度地模擬出各種脫冰跳躍工況。數據采集模塊對導線動張力進行實施采集，并利用雙目立體視覺技術實現導線脫冰跳躍軌跡測量。系統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生覆冰，覆冰導線容易發生舞動，影響線路安全運行[1-2]。同時，由于氣溫升高、自然風力或人為敲擊等作用，覆冰脫離架空輸電線會產生脫冰跳躍動力學過程。架空輸電線脫冰跳躍產生的動張力嚴重影響輸電塔的結構安全。2008年冰雪災害中，有90%左右的倒塔是脫冰跳躍產生的動張力對鐵塔的沖擊作用所致[3]。2015年初冬沿太行山區域自北向南又發生一次范圍較廣的覆冰現象，因此對脫冰跳躍這一非線性動力學過程進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值仿真模擬2種方法。其中架空輸電線脫冰跳躍實驗架設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特性。數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特性進行計算[4]。

數值仿真模擬方法成本較低，效率較高，因此被廣泛采用。但仿真結果往往需要與實驗結果進行對比。目前，不少專家學者搭建架空輸電線脫冰跳躍模型進行實驗研究。Jamaleddine[5]等人架設了2個檔距為3.222 m的架空輸電線連續檔縮小模型，重物通過細電熔絲懸掛在架空線上，模擬導線覆冰工況。當電熔絲通電時熔化斷開，重物脫落，完成脫冰跳躍工況模擬。該實驗系統中采用的電熔絲抗拉強度不高，因此只能用于微型架空輸電線系統的仿真，無法模擬大檔距、厚覆冰工況。西安工業大學研制出了一種常閉型電磁開關用于懸掛重物，架空輸電線采用一段鋼絲繩模擬，電磁開關連接沙袋懸掛于鋼絲繩上模擬覆冰工況，撥動控制開關后常閉電磁開關打開，重物墜落，實現脫冰工況的模擬。該系統中由于電磁開關比較笨重，無法進行微型架空輸電線脫冰實驗。國網武漢超高壓研究院搭建了一段檔距為235 m的真型導線(LGJ-630/45)進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，通過遠程控制重物墜落模擬導線脫冰工況。目前關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。

國內外學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準化脫冰跳躍實驗系統[9]。在深入分析系統需求的基礎上，針對多種工況，提出基于總線架構思想的架空輸電線脫冰跳躍實驗系統實現方案，設計并研制新型導線脫冰振蕩非線性模擬實驗系統。系統應用改進的脫冰控制模塊，實現非同期脫冰工況的模擬，能夠以高時序精度實現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線跳躍軌跡的時程變化特性。

1 總體結構

1.1 系統需求分析

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

(1)功能健全。系統能夠實現多種脫冰跳躍工況的模擬。現有的脫冰跳躍實驗系統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]。本實驗系統在現有系統功能的基礎上加入非同期脫冰功能，使系統能夠按照指定的非同期脫冰時序進行動作。

(2)脫冰動作時序精度高。系統能夠完成高精度脫冰時序動作。在系統實現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。本實驗系統時間精度控制在ms級，可以實現10 ms及以上時間間隔的脫冰動作。

(3)靈活性強。系統能夠模擬多種架空輸電線覆冰工況。架空輸電線種類繁多，架設檔距檔數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。本實驗系統針對不同檔距和線型選擇不同吸力的電磁鐵和不同質量的覆冰重物，使得系統具有較強的靈活性，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。系統能夠實現高度自動化控制。系統采用控制軟件對脫冰時序進行自動化設置，動作的執行也采用總線控制的方式實現，提高了實驗效率。原有脫冰跳躍實驗系統功能較單一，只能夠完成整檔或部分檔同期脫冰。本實驗系統加入非同期脫冰功能，使得實驗過程復雜度大大增加。尤其在大檔距情形下，由于需要整檔內均勻加載覆冰重物，實驗系統鋪設跨度增加，操作難度提高，因此提高系統的自動化程度尤為重要。

1.2 系統總體設計思想

根據系統總體需求特性，引入總線架構式設計思想，將系統分割為多個功能子模塊，每個功能子模塊掛接在總線上進行統一配置管理以實現相應的功能。具體實現方式為：設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，統一進行設置并實現脫冰工況模擬。這種設計方式大大提高系統的自動化水平，直接對總線進行操作即可控制所有子模塊，且各路覆冰重物相互獨立，通過遠程設置能夠完成任意時序的脫冰動作，同時系統可以通過增加或減少脫冰控制裝置以適應于不同實驗檔距。實際的架空輸電線工況較多，實驗系統需滿足諸如孤立檔、連續檔，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 系統總體結構

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特性。對應以上基本要求，將系統分為脫冰模擬模塊、脫冰控制模塊以及數據采集模塊3大基本模塊。其中脫冰控制模塊是脫冰跳躍工況實現的關鍵，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的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Total structure diagram of system

脫冰模擬模塊架設一段實驗架空輸電線，并實現覆冰脫冰等基本功能，完成基本實驗環境的搭建。為適應于各種架空輸電線工況，脫冰模擬模塊根據具體實驗工況進行設計與調整。脫冰控制模塊實現架空輸電線覆冰和脫冰工況的模擬，其中脫冰控制軟件負責脫冰時序的遠程設置并發送指令，脫冰控制硬件負責按照指令執行脫冰動作，該部分與架空輸電線的工況和類型并無關系，可以采用統一的方式實現。數據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境的模擬，搭建一段孤立檔或連續檔架空輸電線，具體情況依據實驗條件靈活確定。可以采用真型輸電線，直接將實驗系統應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，系統在設計覆冰重物時需依據架空輸電線的尺寸和覆冰厚度具體確定重物質量。脫冰模擬模塊的重點在于覆冰重物的設計和覆冰脫冰工況的實現。

2.1 覆冰模擬設計

當氣溫低于冰點時，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，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都有附著。為模擬實際覆冰工況，Kollár[11-12]等人進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行模擬，但該實驗方式受氣候條件限制，只能在冷庫或嚴寒的冬季進行。諸多學者采用在架空輸電線上等間距懸掛集中質量的方式模擬覆冰，王璋奇[13]等人將該方法與真實覆冰法進行了對比，發現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，因此本實驗系統采用集中質量法在架空線上懸掛重物實現覆冰模擬。

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量的覆冰載荷，為方便調整覆冰質量，覆冰重物采用不同質量的沙袋，沙袋填裝質量依據不同的覆冰厚度工況和導線型號確定。架空輸電線覆冰工況采用等間距懸掛重物的方式實現，重物質量與等效覆冰質量對應。架空輸電線覆冰質量的計算公式為

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為導線直徑，mm。這里假設導線覆冰截面為圓環狀。

根據式(1)計算導線在不同覆冰厚度情況下的覆冰質量，進而可以計算得出單個重物質量，其計算公式為

mload=miceL/n

(2)

式中：mload為單個重物質量，kg；L為檔距，m；n為懸掛重物數量，個。

覆冰的模擬需要根據具體的實驗架空輸電線工況進行設計，通過靈活調整覆冰重物的質量和數量進而能夠適應于各種工況。

2.2 覆冰脫冰工況實現

架空輸電線覆冰脫冰工況的實現是實驗的關鍵，本系統采用集中質量法模擬覆冰工況，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。經過華北電力大學輸電線路工程實驗室的實踐應用，驗證了本實驗方法的有效性[14]。

本系統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鐵吸盤，吸盤尺寸和電磁鐵型號根據架空線直徑而定。電磁鐵通斷電由脫冰控制模塊統一控制，當電磁鐵通電時，產生吸力，電磁鐵掛接沙袋懸掛于導線上，實現覆冰狀態的模擬；當電磁鐵斷電時，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置，實現遠程操作功能；硬件部分按照指定脫冰時序執行脫冰動作。

脫冰控制硬件主要由脫冰控制裝置、控制箱以及供電系統組成，其中脫冰控制裝置主要實現架空輸電線非同期脫冰過程，該裝置是實現指定脫冰時序動作的關鍵，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AVR ATmega128，主管接收配置指令，返回配置信息，接收執行指令，并驅動電磁鐵進行動作。為避免電磁鐵動作過程中產生的感應電壓對系統的影響，采用光耦驅動電路將 ATmega128芯片與電磁鐵接口進行隔離。

脫冰控制裝置控制電路的原理如圖2所示。為增強系統的可擴展性，脫冰控制裝置采用相同的內置控制電路。各裝置具有等價性，當實驗系統需要增加覆冰重物時，只需增加相應的脫冰控制裝置即可。同理，對于覆冰重物數量需求較小的情況，只需減少相應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也可以實現覆冰重物數量的增減。

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

3.2 系統總線結構

系統采用總線架構進行設計，將各個脫冰控制裝置掛接在總線上，方便對各裝置進行統一管理與控制。系統總線包括3個部分：485通信總線、控制總線以及電源總線。其邏輯架構圖如圖3所示。

系統統一應用計算機上安裝的控制軟件對各個脫冰控制裝置進行配置，具體實現過程為控制軟件向控制箱發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總線發送給各個脫冰控制裝置，脫冰控制裝置根據自身地址進行指令識別，完成相應配置，并向485總線返回配置成功信息。控制箱發送指令完畢后即開始監視總線中的返回信息，并將信息反饋給計算機，供操作人員及時檢查。

圖3 系統總線邏輯架構圖Fig.3 Bus logical structural diagram of system

為確保系統執行時間精度，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。由于系統總體呈長鏈狀，跨度較大，采用電源總線為各個系統供電，避免了復雜的獨立供電。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地址配置和時序配置兩大功能。地址配置實現對控制裝置地址的靈活配置，當增加非同期脫冰控制裝置時，只需對新增裝置進行地址配置即可接入系統，提高了系統的可擴展性。時序配置指令以數據幀的方式傳輸，每個數據幀中含有設備地址、各設備中的電磁鐵編號以及執行時序等信息。每個數據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。

指令統一編輯為數據幀，數據幀包含6個八位二進制碼，幀頭和幀尾分別統一為“0xeb”和“0x90”，數據幀中間部分分別包含了設置地址、設置每路動作時間、查詢、清除等功能代碼。其中“功能號”區別指令的功能，“地址”表示設備的地址號，“保留”字段統一使用“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行時序設置。“時間高位”和“時間低位”用于設置電磁鐵動作執行時間，具體時間為“‘時間高位’×256 + ‘時間低位’”，單位為 ms。

另外，動作指令由開關控制產生，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，進入中斷程序，觸發內部計時器開始計時，當該時間達到設置的動作時間時驅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 脫冰動作執行

脫冰動作按照指定的時序執行是本實驗系統實現非同期脫冰工況模擬的關鍵，系統對每路電磁鐵進行獨立控制以避免其相互干擾，每路電磁鐵動作執行流程如圖4所示。

圖4 脫冰跳躍執行流程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，系統設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行時序，設備檢測功能用于檢測每個脫冰控制裝置的連接狀態，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，以便狀態檢查。

脫冰時序是本實驗系統的關鍵，脫冰控制裝置可以實現 ms 級時間間隔精度。軟件以 ms 為單位，分別對每路電磁鐵進行時間設置。每路電磁鐵執行時間相互獨立，可以設置成任意時序組合，該功能確保系統能實現非同期脫冰。

系統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過程，整檔導線脫冰時延超過90 s則不在本實驗系統考慮范圍內。

4 數據采集模塊

4.1 動張力采集模塊

架空輸電線脫冰產生跳躍振蕩，導線端部張力會發生動態變化。系統設計動張力采集模塊，實現對架空輸電線動張力變化數據的實時采集。

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行實時采集，系統應用量程為0～10 000 kg的電阻應變式張力傳感器，其綜合精度為0.02(線性+滯后+重復性)，靈敏度為2.0 mV/V，傳感器將張力值轉變為電阻應變再經過變送器轉換為0～5 V標準模擬電壓量。其中變送器中安裝有精密電橋，張力傳感器內部電阻由于張力作用而發生變化，該變化導致電橋失衡，輸出正比于張力值的模擬電壓，再經過濾波放大處理后，輸出標準電壓量。該電壓經DT9800高性能數據采集卡采集，并通過數據線傳送至計算機中的數據采集軟件DEWEsoft，軟件將該值轉換為導線端部實時動張力，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 導線脫冰跳躍軌跡測量模塊

導線脫冰后在豎直和水平兩個方向上都會有振動，本系統采用雙目立體視覺技術實現對導線脫冰跳躍軌跡的測量。

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

(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；R和T為世界坐標系到相機坐標系的旋轉矩陣以及平移向量。

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

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

導線脫冰跳躍軌跡的測量原理如圖7所示。系統采用2個可調焦相機作為雙目系統硬件，相機焦距可調范圍為2.8～12.0 mm，分辨率為1280*720，上位機采集軟件利用MATLAB軟件編寫。使用時，首先利用棋盤格標定板對左右相機的內參數和外參數進行標定，其次通過上位機控制相機連續拍攝導線跳躍圖像，然后在上位機中利用圖像中導線與雙目系統極線有交叉的特性進行特征點匹配，最后計算出導線脫冰過程中的運動軌跡。通過對運動軌跡進行時運和頻域分析，可以發現導線脫冰跳躍軌跡的多項特征。

圖7 導線脫冰跳躍軌跡測量Fig.7 Jump track measurement of ice shedding

5 結 論

針對現有導線脫冰實驗系統適用性單一的問題，基于總線架構式設計思想，設計并研制了一套新型導線脫冰振蕩非線性模擬實驗系統。使用該系統進行了驗證性實驗，并得出以下結論。

(1)本系統在現有實驗系統基礎上，通過對脫冰控制模塊硬件、軟件部分的改進，能夠實現任意時序組合的非同期脫冰工況模擬，提升了實驗系統的適用性。

(2)本實驗系統能夠實現高精度的準確控制，將時間精度設置為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行實時采集，以供進一步動力學分析。

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

[1]胡紅春. 冰害、冰閃和舞動的防治措施[J]. 電力建設, 2005, 26(9): 31-33, 44. HU Hongchun. Prevent and cure measurements for icing disaster, icing flash and galloping[J]. Electric Power Construction, 2005, 26(9): 31-33, 44.

[2]蔣興良, 周仿榮, 王少華, 等. 輸電導線覆冰舞動機理及防治措施[J]. 電力建設, 2008, 29(9): 14-18. JIANG Xingliang, ZHOU Fangrong, WANG Shaohua,et al. Mechanism of icing-caused conductor galloping and its prevention[J]. Electric Power Construction, 2008, 29(9): 14-18.

[3]楊靖波，李正，楊風利，等. 2008年電網冰災覆冰及倒塔特征分析[J].電網與水力發電進展, 2008, 24(4): 4-8. YANG Jingbo, LI Zheng, YANG Fengli, et al. Analysis of the features of covered ice and collapsed tower of transmission line snow and ice attacked in 2008[J].Advances of Power System & Hydroelectric Engineering，2008，24(4)：4-8.

[4]沈國輝, 徐曉斌, 樓文娟，等. 導線覆冰脫冰有限元模擬方法的適用性分析[J].工程力學，2011, 28(10): 9-15, 40. SHEN Guohui, XU Xiaobin, LOU Wenjuan, et al. Applicability analysis of finite element methodologies to simulate the ice-accreting and ice-shedding on transmission lines[J].Engineering Mechanics, 2011, 28(10): 9-15, 40.

[5]JAMALEDDINE A, BEAUCHEMIN R, ROUSSELET J, et al. Weight-dropping simulation of ice-shedding effects on an overhead transmission line model[C]//Proceedings of the 7th International Workshop on Atmospheric Icing of Structures (IWAIS’96). 1996: 44-48.

[6]沈國輝，袁光輝，孫炳楠，等. 考慮脫冰速度效應的輸電線路脫冰模擬[J].重慶大學學報，2010, 33(9): 132-138. SHEN Guohui, YUAN Guanghui, SUN Bingnan, et al. Simulation of ice-shedding on tranmission lines considering ice-shedding velocity effect[J]. Journal of Chongqing University, 2010, 33(9): 132-138.

[7]KALMAN T, FARZANEH M, MCCLURE G. Numerical analysis ofthe dynamic effects of shock-load-induced ice shedding on overhead ground wires[J]. Computers & Structures, 2007, 85(7): 375-384.

[8]FARZANEH M. Atmospheric icing of power networks [M].Springer Science & Business Media, 2008.

[9]王璋奇，王劍，齊立忠. 同期脫冰架空輸電導線的動張力特性實驗研究[J]. 噪聲與振動控制, 2016, 36(1): 157-161. WANG Zhangqi, WANG Jian, QI Lizhong. Experimental study on the dynamic tension characteristics of the overhead transmission conductor under synchronous ice shedding[J]. Noise and Vibration Control, 2016, 36(1): 157-161.

[10]苑吉河，蔣興良，易輝，等. 輸電線路導線覆冰的國內外研究現狀[J].高電壓技術, 2003, 30(1): 6-9. YUAN Jihe, JIANG Xingliang, YI Hui, et al. The present study on conductor icing of transmission lines[J]. High Voltage Engineering, 2003, 30(1): 6-9.

[11]KOLLAR L E, OLQMA O, FARZANEH M. Natural wet-snow shedding from overhead cables[J]. Cold Regions Science and Technology, 2010, 60(1): 40-50.

[12]KOLLAR L E, FARZANEH M. Vibration of bundled conductors following ice shedding[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(2): 1097-1104.

[13]王璋奇，齊立忠，楊文剛，等. 集中質量法模擬覆冰在架空線脫冰動張力實驗中的適用性研究[J].中國電機工程學報, 2014, 34(12): 1982-1988. WANG Zhangqi, QI Lizhong, YANG Wengang, et al. Research on the applicability of lumped mass method for cable’s dynamic tension in the ice shedding experiment[J]. Proceedings of the CSEE, 2014,34(12): 982-1988.

[14]楊文剛，蘇士斌，王璋奇. 導線脫冰振動的模擬實驗研究[J].振動、測試與診斷, 2013, 33(5): 892-896. YANG Wengang, SU Shibin, WANG Zhangqi. Simulated experiment of ice shedding from cable[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2013, 33(5): 892- 896.

[15]王璋奇, 江文強. 架空線覆冰載荷模擬試驗裝置: 201120177573.3[P]. 2011-12-28.

[16]王劍, 王璋奇, 江文強, 等. 輸電線路脫冰模擬試驗系統: 201220701605.X[P]. 2013-05-22.

(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，博士研究生導師，主要研究方向為輸電線路工程，新能源技術與設備；

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監測與故障診斷技術。