架空輸電線脫冰動張力實驗系統設計與實現

王璋奇, 王　劍, 楊文剛

(華北電力大學 機械工程系, 河北 保定　071003)

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架空輸電線脫冰動張力實驗系統設計與實現

王璋奇, 王劍, 楊文剛

(華北電力大學 機械工程系, 河北 保定071003)

基于總線架構研制了一套架空輸電線脫冰動張力實驗系統,系統包括脫冰模擬實驗模塊、脫冰控制模塊和動張力數據采集模塊。脫冰模擬實驗模塊搭建了脫冰跳躍基本實驗物理環境；脫冰控制模塊由脫冰控制硬件和脫冰控制軟件組成,用于模擬架空線脫冰工況；動張力數據采集模塊對脫冰過程中架空線端部動張力進行實時采集。在實驗室進行了孤立檔耐張段架空輸電線脫冰動張力教學性創新實驗,加深了學生對架空線脫冰動力學特性教學內容的理解和認識。

架空輸電線； 脫冰實驗系統； 動張力

架空輸電線覆冰是電網的常見災害,脫冰過程中,導線將發生劇烈運動,并在導線內產生動態變化的張力。導線張力的劇烈變化對輸電鐵塔結構、線路金具等造成嚴重的安全隱患。2008年我國冰雪災害中,有90%左右的倒塔都是由于脫冰致動張力對鐵塔的沖擊作用所致[1-2]。因此,架空導線脫冰動張力的內容是架空輸電線路課程的理論和實驗教學的重要內容。

由于架空線脫冰動特性的復雜性[3],盡管相關學者設計了多種脫冰實驗系統進行研究[4-10],但這些研究注重于科學實驗研究,所采用的設備復雜、價格昂貴,不便于課堂教學使用。因此,開發和研究適合課程內容的實驗教學設備是非常必要的。配合輸電線路工程專業的建設,在學校的支持下,輸電線路工程實驗室研制了一套架空輸電線脫冰動張力實驗系統,實現了多種脫冰工況模擬和實驗,同時對動張力進行了采集分析。將該研究成果用到輸電線路工程專業本科生和研究生的教學實踐中,增強了學生對架空導線脫冰過程中的物理規律的認識和理解,培養了實踐能力,取得了良好的教學效果。

1　系統設計思想

采用總線架構式設計思想,將系統分割為多個功能子模塊,分別實現相應的功能。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。該方式大大提高了系統的自動化水平,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,通過遠程設置可以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的數量以適應不同實驗檔距。

1.1實驗系統結構

架空輸電線脫冰實驗要求能夠建立一段架空輸電線模型,并能實現覆冰/脫冰工況模擬,同時也能采集脫冰過程中的導線動力學特性。基于這些實驗的基本要求,將系統分為三大基本模塊,分別為脫冰實驗模塊、脫冰控制模塊和動張力采集模塊。研制的架空導線脫冰動張力實驗系統的總體結構如圖1所示。

圖1　架空線脫冰動張力實驗系統結構

1.2脫冰實驗模塊

脫冰實驗物理模塊完成架空輸電線脫冰實驗基本環境,實驗系統搭建一段孤立檔或者連續檔架空線,具體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模型。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線尺寸和覆冰厚度具體確定重物質量。

1.2.1覆冰重物

架空輸電線表面在冬季易形成圓柱狀或近似橢圓狀的冰層,為模擬架空線覆冰工況,通常采用在架空線上等間距懸掛集中質量的方式模擬覆冰,王璋奇等[9]對該方法與真實覆冰工況下的脫冰動張力進行了對比,指出采用集中質量法可以有效模擬架空線覆冰脫冰工況,因此本系統采用集中質量法在架空線上懸掛重物實現覆冰模擬。

架空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。架空線覆冰質量的計算公式為

(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,取ρice=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時的覆冰質量,進而可以計算得出每個重物的質量,其計算公式為

(2)

式中:mload為每個重物的質量,kg；L為檔距,m；n為懸掛重物個數。

1.2.2覆冰脫冰工況實現

架空輸電線上等間距安裝有輕質鐵吸盤,適應于不同直徑的架空線,吸盤尺寸和電磁鐵型號可以根據架空線直徑而定。電磁鐵的通斷由脫冰控制模塊統一控制,當電磁鐵通電時,產生吸力,電磁鐵掛接重物、一起懸掛在導線上,實現覆冰模擬;當控制電磁鐵斷電時,電磁鐵失去吸力,重物脫離架空線,完成脫冰過程模擬[11-12]。脫冰速度是衡量非同期脫冰的重要指標[13],不同的脫冰速度會呈現不同的動張力變化。為方便系統設計,將脫冰速度轉化為相鄰覆冰重物脫冰時間間隔Δt,當檔距為L,覆冰重物數量為n,則等效脫冰速度v=L/(nΔt)。

1.3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兩部分組成。硬件部分負責覆冰重物按照指定脫冰時序執行脫冰動作,脫冰控制軟件主控脫冰時序的設置,實現遠程操作功能。

1.3.1脫冰控制模塊總體結構

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,該裝置控制模擬覆冰按照指定脫冰時序動作,也是實現非同期脫冰跳躍工況的核心。

控制模塊的核心芯片為8位高性能單片機AT mega128,其主管接收配置指令、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。脫冰控制模塊控制電路原理見圖2。

圖2　控制電路原理

為增強系統可擴展性能,脫冰控制模塊內置控制電路完全一樣,各裝置具有等價性,當實驗系統需要增加覆冰重物數量時,只要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,只需要減少相應的控制裝置即滿足要求。

模塊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485通信總線、控制總線以及電源總線。其邏輯架構如圖3所示。

圖3　脫冰控制模塊總線邏輯架構

模塊統一采用計算機上所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：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從總線中識別出自己指令,完成配置，并向485總線返回配置成功信息,進而反饋給計算機,供操作人員及時校核。

為確保系統執行時間精度,系統脫冰動作指令采用控制總線傳遞,各個脫冰控制器接收到動作指令的時間一致。這一點后文有實驗進行了驗證。由于系統總體呈長鏈狀,跨越長度較長,系統采用電源總線的方式為各個系統提供電能,該種方式大大簡化了單獨供電的復雜性。需要說明的是,為與后文驗證性實驗一致,圖3中給出了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場合。

1.3.2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。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、每個設備中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執行相互獨立,可以組合出多種脫冰時序。

指令統一編輯為數據幀,數據幀包含6個八位二進制碼,幀頭和幀尾統一分別為“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”分別表示每個脫冰裝置中4路電磁鐵標示,該編輯方式實現了可以對每個脫冰控制裝置中的每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。

動作指令使用開關控制,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即驅動繼電器切斷電磁鐵電源,覆冰重物脫離架空線,完成脫冰動作。

1.3.3脫冰動作執行

為保證脫冰動作按照指定的時序進行執行,系統采用對每路電磁鐵進行獨立控制的方式以確保相互之間沒有干擾,其每路電磁鐵動作執行流程見圖4。

圖4　脫冰跳躍執行流程

1.3.4脫冰控制軟件

脫冰控制軟件是學生對脫冰過程進行配置的操作平臺。為方便實踐性教學,其操作過程需相對簡便,能夠方便快速地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是否連接在線,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。

1.4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。設計的動張力數據采集模塊實現對架空線動張力變化情況的實時采集。與后文教學性實驗對應,本文采用量程為10 t的電阻應變式張力傳感器對導線張力進行測定,傳感器將張力值轉變為傳感器內部電阻應變,電阻應變經過變送器轉換為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。該電壓被DT9800高性能數據采集卡所采集,并通過數據線傳送至計算機中的數據采集軟件DEWEsoft,該軟件將該值轉換為導線端部實時動張力,并以時程曲線的形式顯示出來。動張力采集與分析邏輯框圖見圖5。

2　教學性實驗

2.1實驗工況

實驗采用5個脫冰控制裝置串聯相接,每個控制裝置連接4路電磁鐵,電磁鐵與控制裝置之間使用電磁鐵控制線連接,電磁鐵上懸掛有沙袋以模擬覆冰工況。在輸電線上等間距懸掛20個重物模擬導線覆冰工況,其懸掛位置分別為距離左端(6.5×n-3.25)m處,其中n=1,2,3,…,20。脫冰控制裝置之間采用電源線、控制線和通信總線連接,并從5號脫冰控制裝置引出接到控制箱上,控制箱主控數據通信、脫冰動作執行以及為脫冰控制裝置供電等功能。控制箱通過數據線與計算機連接,接收脫冰控制軟件發送的配置指令,并反饋配置成功信息。為減少電磁鐵通斷干擾,系統采用單設的電磁鐵電源為電磁鐵供電。

圖5　動張力采集模塊結構框圖

架空導線兩端通過耐張線夾串接張力傳感器后再連接于鐵塔上,張力傳感器可以實時采集架空導線端部動張力變化情況。

2.2實驗結果

采用本系統進行了整檔同期脫冰(工況一)、順序非同期脫冰(工況二)以及部分檔(工況三)驗證性實驗。當設置所有路電磁鐵執行時間為同一時刻時,即可實現整檔同時脫冰動作。整檔(工況一)同時脫冰時導線端部動張力F時程曲線如圖6(a)所示；參考圖1中的左右方位,當導線從左端往右端間隔50 ms依次脫落(工況二)時,導線端部動張力時程曲線如圖6(b)所示；當導線左邊半檔脫冰(工況三)時,導線端部動張力時程曲線如圖6(c)所示。

圖6　架空輸電線脫冰跳躍動張力時程曲線由圖6可見：整檔同時脫冰跳躍過程中,架空線動張力呈現較為規整的余弦衰減形態,該現象與眾多已有研究結論一致；順序脫冰且相鄰覆冰重物之間脫落時間差為50 ms時,動張力首先呈現一個較為陡峭的衰減,至覆冰墜落完后以一較小幅值波動衰減,這與文獻[13]中的研究結果類似；當脫冰工況三時,由于仍有覆冰殘留在架空輸電線上,動張力以一較高的張力值為中心波動衰減,且波動幅值沒有整檔時大。

3　結論

結合架空輸電線路課程教學內容,在前期工作的基礎上[9-12]，本文設計并研制了一套架空輸電線脫冰實驗系統。本系統具有功能全面、靈活性強、自動化程度高等特點,可應用于不同覆冰、脫冰工況的實驗。通過該實驗可加深學生對架空輸電線脫冰動力學特性的理解和認識,培養學生探索、創新的實驗技能和能力,提高了實驗教學質量。

References)

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Design and realization of ice shedding dynamic tension experimental system for overhead transmission lines

Wang Zhangqi, Wang Jian, Yang Wengang

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

The designed system consists of three components which are ice shedding experiment module,ice shedding control module and dynamic tension data acquisition module. The ice shedding experimental module is used for the implementation of the basic environment of the ice shedding experiment. The ice shedding control module is adopted for the realization of the ice shedding process,which contains ice shedding control hardware and ice shedding control software. The dynamic tension data acquisition module is in charge of collecting the dynamic tension of the overhead transmission lines when ice shedding. Ice shedding dynamic tension innovative experiment was done on an isolated span strain section transmission line in laboratory and it enhances the students’ comprehension and recognition of the teaching content on the ice shedding dynamic characteristic of overhead transmission lines.

overhead transmission lines; ice shedding experimental system; dynamic tension

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.019

儀器設備研制與應用

2016-03-02

河北省高等教育教學改革研究與實踐項目(2015GJJG236)

王璋奇(1964—)，男，陜西大荔，教授，博士生導師，主要從事輸電線路工程、機械系統動力學及應用研究.

E-mail：wangzq2093@163.com

G484;TM726

A

1002-4956(2016)9-0071-04