等值覆冰监测系统在覆冰易发地区的应用与研究解析.docx
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等值覆冰监测系统在覆冰易发地区的应用与研究解析
等值覆冰监测系统在覆冰易发
地区的应用与研究
一.项目背景:
我国输电线路的覆冰现象已经十分普遍。
输电线路覆冰和积雪会导致其机械和电气性能急剧下降,引起导线舞动、杆塔倾斜甚至倒塌、断线以及绝缘子闪络等重大电力事故,严重影响电力系统的安全运行。
2008年春节前后发生的冰冻灾害,引起大规模、长时间的电力中断,直接经济损失达1500亿元以上,同时给工农业生产和人民生活带来严重社会影响。
所以,实时监测输电线路的覆冰状况并做好除冰工作成为目前研究的热点。
二、项目意义:
目前,检测线路覆冰的方法主要有人工巡视、观冰站等,这些方法存在着劳动强度大、投资高,检测结果准确性差等问题。
输电线路覆冰在线监测技术通过在易覆冰区域的铁塔上安装覆冰自动监测站,将数据通过无线通讯网络传往监控中心,可随时掌握线路的覆冰情况,并可实现预、报警,达到降低电网覆冰事故损失的目的。
研究覆冰在线监测技术,对防止和控制电网冰灾,提高电网的运行可靠性具有重大意义。
三、输电线路覆冰危害
根据我国已发生的各类输电线路覆冰灾害事故分析,输电线路覆冰造成的事故可分为以下几类:
1)线路覆冰的过负荷事故
输电线路由导线、金具、绝缘子、杆塔和拉线等环节相互连接而成,
当导线上的覆冰重量达到一定程度时会造成导线和架空地线从压接管内抽出;外层铝股全断,钢芯抽出;也有可能导致整根拉断或耐张线夹出口附近导线外层断若干股的事故,甚至会破坏基础,引起塔身倾斜或倒杆导致倒杆。
再者就是线路覆冰时因重力增大而引起弧垂增大,导致导线对地间距减小而造成闪络事故,也会因导线舞动而引起导线间的闪络
2)不均匀覆冰或不同期脱冰事故
导线相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差,使其在线夹内滑动,严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全部断裂、钢芯抽动,造成线夹另一侧的铝股发生颈缩,拥挤在线夹附近,长达1-20m,悬垂线夹和耐张线夹都会有这种情况发生。
不均匀覆冰和不同期脱冰的区别在于前者张力差是静负荷,前者会造成线股断口有缩颈现象,而后者没有此现象。
其次,因邻档张力不同致使绝缘子串产生较大的偏移,过大会造成绝缘子损伤或破裂。
3)绝缘子串冰闪事故
在绝缘子严重覆冰的情况下,会造成伞裙冰凌桥接,绝缘强度降低,泄露距离缩短,在冰融化的过程中,冰表面的水膜很快溶解污秽中的电解质,使冰面水膜的电导率增大,引起绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布的畸变,降低了其闪络电压。
在恶劣天气和特殊地理环境下,大气中的污秽颗粒进一步的增大冰面水膜的电导率,最后形成冰闪。
闪络过程中持续电弧会烧伤绝缘子,致使绝缘子绝缘强度下降。
4)覆冰导线舞动
导线上形成的不规则形状的覆冰会使导线产生自激振荡和舞动,轻者发生闪络、跳闸,重者发生金具及绝缘子损坏,导线断股,杆塔倾斜或者倒塔
四、输电线路覆冰在线监测系统的原理
输电线路覆冰在线监测系统是集计算机技术、微量信号传感技术、电磁兼容技术、数据信息处理技术、低功耗技术、视频技术、网络通讯技术等为一体的技术集合体。
系统在输电线路杆塔安装拉力传感器、倾角传感器、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、摄像机,采用无线通信技术(通常是GSM或GPRS)进行现场数据/图像的实时传输。
后台专家系统根据前台获取的数据,进行力学分析,利用等值覆冰厚度计算模型、风荷载数学模型、风偏距离数学模型计算出等值覆冰厚度、杆塔纵向不均衡张力和导线风偏距,并可对覆冰生长进行预测。
五、输电线路等值覆冰监测系统的组成
输电线路等值覆冰监测系统由前端监控设备包括:
无线监测主机、气象环境探测器、拉力角度探测器、太阳能电池板及蓄电池组成。
由前端探测器采集系统所需数据。
通过处理以实现数据的储存、传输。
六、输电线路等值覆冰监测系统各部分功能
1、主控制器
系统无线监测主机安装在输电铁塔上,是系统运行的核心。
主要完成对输电线路等值覆冰监测数据的处理、传输及储存功能,同时接收监控中心远程参数设置的各种命令。
2、数据采集模块
内置的数据处理模块是系统的工作核心。
主要完成对前端探测器所探测到的数据进行处理(储存或传输);同时接收监控中心的命令进行前端各种参数的设置。
并完成系统自身整体工作状态的检测并且将数据上传至监控中心。
3、无线传输模块
铁塔上的监测分机通过无线传输模块与监控中心进行远距离无线通信。
通过优化天线设计,保证数据采集和通信正常运行。
对于没有移动信号的地区可采用无线接力方式将信号传输到有移动信号的杆塔,通过无线进行远距离传输。
4、电源管理模块
安装在输电铁塔上的覆冰监测分机通过太阳能电池进行供电;并采用太阳能对蓄电池进行浮充供电。
电源管理模块根据蓄电池特性的特性严格进行充放电控制。
并且防止过压、过流造成对系统各部件的损坏。
5、蓄电池
为了保证系统在阴雨天气也能够的正常运行,系统采用了高性能的聚合物锂电池储存电能。
采用太阳能板对蓄电池浮充的方式电能储存起来,结合电源控制模块对其充放电进行严格的控制,保证系统的稳定和持续的运行。
六、输电线路覆冰在线监测系统实现的功能
1)导线等值覆冰厚度监测。
利用绝缘子受力数据,建立在一个垂直挡距单元内导线自重、风压系数、绝缘子倾角、绝缘子垂直荷重和导线等值覆冰厚度的数学模型,在线监测在一个垂直挡距内导线等值覆冰厚度的变化。
(2)视频在线监测。
通过现场摄像头的转动,可获取多方位多角度的现场图像,一般选取绝缘子、金具、导线、杆塔基础等关键部位,定时进行拍照。
图像通过GPRS传至后台与监测数据进行对比分析。
(3)气象数据监测。
在线监测测点周围的温度、湿度、风速、风向等数据,必要时,可增加降雨量、日照监测等功能。
4)杆塔荷载监测。
利用沿两个垂直方向(坐标)的倾角数据,可建立杆塔受力三维力学解析模型,实现对杆塔垂直荷载及不均衡张力的监测。
(5)风偏距监测。
利用绝缘子垂直线路方向的倾斜角(该数据可直接获取或解析得到,根据倾角传感器现场安装方式而定),可实现风偏距监测。
(6)自动预警报警功能。
根据线路设计标准或用户要求,设定预、报警值,预、报警信息可在客户端显示,专家系统也会根据预报警信息,自动提高数据采集频率,实现实时跟踪。
(7)覆冰生长预测。
导线覆冰生长模型应考虑气象条件、线路走向及悬挂高度、导线直径及扭转性能等因素。
Makkonen把导线半径、气温、风速、降水率、风向及覆冰时间等作为输入量,对冰柱生长的覆冰模型进行了分析和计算。
考虑预测模型的可靠性及实用性,选择Makkonen模型对导线覆冰生长进行预测。
七、输电线路典型覆冰分析
500kV孝浉I回线115#塔监测点位于湖北大悟县山区,当地海拔483m。
2009年二月下旬孝浉I回线115#塔测点监测到的一次线路覆冰数据如图1所示。
图1孝浉I回线115#塔测点覆冰数据图
从图1可见,孝浉I回线115#塔监测点的覆冰过程大致分为四个阶段:
(1)覆冰形成阶段
从26日4:
25开始,线路开始结冰,风速风向传感器被冻住,气温维持在-1.8℃左右,相对湿度大于97%,完全满足覆冰条件,至26日8:
25在短短4个小时之内,综合拉力从30KN迅速增加到38.7KN左右,增长幅度近30%,现场风速风向仪冻住,覆冰迅速增加,至26日8:
25,等值冰厚达12mm。
(2)覆冰稳定生长阶段
26日8:
25后,气温进一步下降,由-2.0℃降至27日9:
27的-2.5℃,其中27日凌晨2:
27测到的气温最低值为-2.9℃。
此间,相对湿度一直保持在97%或98%,覆冰稳定增长,至27日8:
27等值冰厚达20mm。
(3)覆冰缓慢生长阶段
27日10时后,气温保持在-2.2℃至-1.5℃之间,相对湿度一直维持在97%或98%,覆冰略有增长,但增长速度变缓慢,至28日9:
30,等值冰厚为22mm。
(4)覆冰消失阶段
28日11:
32,综合拉力为47kN,等值冰厚仍有21.5mm,但气温升至0.46℃;至28日13:
32,综合拉力迅速减小为38kN,等值冰厚为11mm,此时气温为0.14℃;至28日15:
32,综合拉力恢复正常,等值冰厚变为0,气温升至0.66℃,相对湿度为99%,风速风向仪已解冻,说明覆冰已消除;至3月1日2:
34,相对湿度升至75%,气温在0℃以上,说明该测点天气好转。
从监测到的几次覆冰来看,架空输电线路覆冰过程都与孝浉I回线115#塔测点相似,大致可分为上述四个过程,主要有几个特点:
形成阶段覆冰增长速度很快,持续时间不长;覆冰消失过程很快,通常为两三个小时甚至更短,说明覆冰可能未完全融化,而是从线路上掉落。
覆冰过程的第二及第三阶段持续时间的长短则依赖于地区气候的变化。
覆冰与温湿度密切相关,覆冰时气温在-1~-5℃之间,相对湿度通常在90%以上。
八、华中电网覆冰在线监测系统
华中电网有限公司2005年开展了科研项目“500kV输电线路覆冰在线监测装置研究”,2007年起承担了国家电网公司科研项目“华中电网500kV输电线路覆冰在线监测系统研究与应用”及企业标准《架空输电线路等值覆冰厚度在线监测系统》编制的任务,属国内较早开展输电线路覆冰在线监测系统科研与运行的单位。
华中电网输电线路覆冰在线监测系统统一包含了两次科研及技改项目,目前一共设置了16个监测点。
九、冰在线监测系统研发及运行分析
华中电网输电线路覆冰在线监测系统自投入运行以来,获取了大量现场覆冰图像和数据,图2是采集的一组绝缘子覆冰雪图像。
图像采用压缩格式,占用空间较小,较为清晰,拍摄位置有绝缘子、塔基、塔头、导线等位置,能较好地反映现场实际;各采集数据合理,有一定的精度,与现场条件吻合。
多次成功监测了线路覆冰,为生产管理部门决策提供了重要依据,亦验证了其可行性,尤其是在2008年年初抗击冰灾中发挥了一定作用。
十、在系统研发及运行中获得的重要经验
(1)拉力传感器是系统的最关键部件之一,目前国内的部分覆冰在线监测系统为图像监测系统,无拉力数据,单纯的图像系统只能判断现场是否积雪等简单状况,无法判断覆冰的严重程度。
而通过拉力数据及力学模型,可计算等值覆冰厚度,从而对线路覆冰严重程度、杆塔受力情况有准确全面的了解。
这也对拉力传感器的可靠性及精度提出了很高要求。
(2)在线路覆冰形成、发展及融化过程中,温湿度数据变化是最敏感的因素之一,通过温湿度数据随时间的变化情况,可推测线路覆冰是处于形成、生长或融化的哪一阶段,并可在一定程度上判断覆冰严重程度,与计算的等值覆冰厚度进行对比分析。
3)拉力传感器的非线性区问题。
系统采用的拉力传感器是电阻应变式传感器,一般传感器标称负载的15%以内为传感器的非线性区,而现场500kV线路绝缘子串的实际负载经常不足标称负载的15%,即拉力传感器将长期工作于非线性区,这将大大降低测量精度。
系统通过非线性补偿,将拉力传感器非线性区压缩至标称负载的5%以内,保证了拉力数据的精度。
(4)摄像头及风速风向仪在覆冰降雪条件下的可靠性问题。
快球式摄像头在低温覆冰条件下能自由转动与拍照,而外面有旋转部件的摄像头存在冻结问题;摄像头在覆冰情况下玻璃表面可能形成大范围的小冰块,从而无法清晰地拍到现场实际图像。
覆冰试验及系统挂网试运行都验证了这一结论。
摄像头加热功能有一定作用,可以融化部分覆冰,但由于蓄电池容量有限,无法持续启动这一功能,在覆冰严重的状态下意义不大。
有旋转部件的风速风向仪在覆冰情况下也容易冻结,通过这一点也可判断现场是否覆冰。
(5)通过在监测点安装舞动、污秽、泄露电流等监测装置,可较为全面地掌握线路工作状况,同时可降低装置成本,减少安装及通讯费用。
(6)覆冰在线监测系统能详细准确地记录现场覆冰过程,可取代观冰站,提高时效性和准确性,降低成本和劳动强度。
能在线路覆冰初期及时发现,为运行单位制定处理措施提供依据,有利于将覆冰事故消除在萌芽状态,提高覆冰区线路的安全运行水平。
通过若干年的运行,建立覆冰统计资料序列,为输电线路工程设计、建设及电网调度提供参考依据。
十一、结论及建议
(1)输电线路覆冰在线监测系统可实现导线等值覆冰厚度、线路视频、气象数据、杆塔荷载、风偏距的实时监测,并实现自动预警报警,及时准确地掌握线路覆冰情况,为生产管理及调度运行部门决策提供依据。
(2)典型覆冰过程包含覆冰形成、稳定生长、缓慢生长、消失四个阶段。
覆冰对气温及湿度变化很敏感,覆冰时的气温在-1~-5℃之间,相对湿度通常在90%以上。
(3)拉力传感器是系统的最关键部件之一,其可靠性及精度要求高,通过非线性区补偿,可提高数据精度。
摄像头及风速风向仪在覆冰降雪条件下可能存在冻结问题。
(4)在覆冰严重的山区,可取代观冰站,提高检测的准确性和时效性,降低成本和劳动强度。
应合理规划监测布点,通过若干年的数据积累,为电网冰区图绘制、输电线路工程设计提供依据。
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