架空輸電線路覆冰監測技術的研究現狀

劉風坤+++溫泉

摘 要：本文簡要概述了架空輸電線路覆冰的危害；介紹了現有架空輸電線路覆冰監測技術的研究現狀；對現有監測系統的原理進行分析總結；根據現有監測系統的應用情況和存在的不足，提出了改進措施。

關鍵詞：架空輸電線路；覆冰；監測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.252

我國地貌特征千差萬別，輸電網的大部分需要穿過高原、山地、盆地等氣候惡劣的區域，在冰雪、凍雨等極端的氣象條件下，輸電線路覆冰成為了不可避免的問題。線路覆冰，易造成相間閃洛，增加導線的張力和塔架等金具的支撐載荷，嚴重時會造成斷線、倒塌、電網列解等事故。為了電網的穩定、安全運行，輸電線路覆冰監測技術成為急需解決的重大課題之一。

從監測系統實施的原理方法來看，可將其分以下幾類：圖像等效判別法、傾角-弧垂法、電容感應式傳感器法、模擬導線法、行波法、稱重法等。本節對現有監測系統的原理進行分析總結，并為系統的改進措施提出建議。

1 圖像等效判別法

圖像等效判別法的原理：攝像機放置在輸電線路的不同位置上，對線路進行實時監測和拍照。通過GPRS將圖像和數據傳輸到后臺的監控中心，監控中心的計算機對接收到的圖像和數據進行微積分計算，結合由導線的粗細算出來的結冰面積，通過換算得出覆冰的重量和厚度。該方法不僅可以測得輸電導線上的覆冰量還可以測得絕緣子串上的覆冰量。

圖像等效判別法的關鍵技術在于：如何獲取能反映出導線覆冰的精確模型；以及如何精確的進行圖像的邊緣特征提取。現有的監測系統大多是基于單目視覺的輸電線路覆冰監測算法，此類算法只能得到覆冰導線的二維坐標數學模型，對不規則的覆冰圖像識別精度較低。因此，基于雙目視覺的輸電線路覆冰監測算法是發展的趨勢。該算法利用的是雙目視覺原理，用雙攝像頭從不同的角度獲取覆冰導線的圖像，建立導線的三維坐標數學模型來進行覆冰監測[1]。

2 傾角-弧垂法

傾角-弧垂法的原理：首先通過傳感器對輸電線路中懸掛點的傾角及線路的弧垂進行測量，然后通過線路的懸鏈線方程來計算出輸電導線應力的變化，最后根據應力的變化推導出線路的覆冰量 [2]。

這一方法的特點就是需要傳感器測量的量較少，算法簡單，能夠實時監測輸電線路上的覆冰量。但是這種算法的前提要求輸電線路上的覆冰情況是均勻的，而實際上，覆冰情況不可能是完全均勻的。在該方法中雖然弧垂和傾角隨著覆冰量的變化而變化，但是這種變化量是非常小的，需要選擇高精度的傳感器進行測量，但會引起較大的誤差。一些高校和科研院所已用該原理做出了部分監測系統。該系統的不足之處在于，其傾角傳感器和拉力傳感器需要裝在高壓輸電導線上。安裝時一般需要將輸電線路斷電，且在高空安裝相應的裝置難度也較大。

3 電容感應式傳感器法

電容感應式傳感器法是基于冰和空氣電阻特性存在差異這一原理，設計了一種電容感應式傳感器，用該傳感器對輸電線路中導線和塔桿的結冰量進行測量，從而實現對輸電線路覆冰量的監測。

此傳感器的原理：N對檢測接點按一定的間隔豎直排列，這些接點連接著開關，這些開關能在一定的軟件控制下按順序分時接通。這樣可以分別檢測不同垂直高度的冰層、水層和空氣層，然后通過對檢測信號的處理就可以得出冰層的厚度。

由于輸電導線覆冰的不均勻性，此種方法，不能全面的反映一檔輸電線路上的覆冰情況。

4 模擬導線法

模擬導線法是在輸電線塔桿上掛上一根模擬導線，這跟導線跟真實導線同材質、同型號。通過測量模擬導線的覆冰，可以估計真實導線的覆冰量。這種方法的特點是：成本低，算法簡單，測量裝置安裝方便，不影響正常的輸電作業，不涉及到帶電部分等。由于沒有考慮到輸電線路電線的溫度、舞動和風載的影響，此方法會有一定的誤差，不能全面的反應一檔導線的覆冰情況。

5 行波法

行波法的原理：行波在不同長度的導線上傳輸的時間是不同的，覆冰會導致導線的長度發生變化，因此，通過測量行波在輸電導線覆冰前后的時間差就可以算出導線長度的變化量，又因為覆冰量與輸電導線長度的變化存在一定的關系，根據它們之間的關系就能得出覆冰量。

這一方法的特點是：輸電導線在覆冰后的長度變化不是特別的大，尤其是在距離較短時，所以該方法只能測量很遠的距離上輸電線路的覆冰量。而當距離太遠時，不同區域內的結冰厚度還可能存在很大的差別。因此這一方法測得的結果跟實際情況有較大的誤差，不能精確的反應具體每一檔內的覆冰情況。

6 稱重法

當輸電線路覆冰時，線路的載荷就會增加，輸電線路的狀態也會隨之變化。該變化主要由覆冰引起。稱重法的原理是，通過監測輸電線路狀態的變化，來監測輸電線路的覆冰載荷。該方法可以實現自動測量，減少了工人在惡劣自然環境中的工作時間，且測量誤差小，是一種非常有前途的輸電線路覆冰載荷監測方式。根據監測參數的不同，稱重法可以分為兩種。一種是應力-稱重法，另一種是坐標-稱重法。

應力-稱重法，是通過光纖光柵傳感器直接測量輸電導線應力的變化，監測線路覆冰[3]。這種方法的優點是測量結果精度高，原理簡單。缺點是，傳感器的安裝制造困難，實施難度較大。

坐標-稱重法，是先對輸電導線上某些點的坐標值進行測量，通過坐標來計算輸電線路的狀態方程，再得到導線上的覆冰載荷，進而監測覆冰[4]。這種方法的特點是，不需要對現有線路進行改造，實施容易。缺點，沒有考慮到風載荷的影響。

7 結論

本文對現有架空輸電線路覆冰監測技術的研究現狀進行綜述，為后續覆冰監測技術的進一步研究提供了依據。

參考文獻：

[1]陳立軍.輸電線路覆冰檢測技術發展綜述[J].化工自動化及儀表，2010，38（02）：129-133.

[2]徐青松.輸電線路弧垂的實時監測[J].電網技術，2009，33（07）：14-19.

[3]羅健斌.基于光纖傳感技術的高壓輸電線路覆冰狀態監測研究[D].廣州：華南理工大學，2013：60-68 .

[4]劉風坤.輸電線路多纜除冰子機器人與覆冰檢測系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013：45-59.