一种在线监测导线舞动的张力测量系统的设计

王彦，乐滨

（1.武汉铁路职业技术学院，湖北 武汉430205；2.武汉大学动力机械学院，湖北 武汉430072）

0 引言

电力系统中，架空输电导线在运行过程中，因自然条件的作用而发生多种灾害事故，舞动是其中危害较为严重的一种［1].舞动指在风的激励作用下，导线截面不均匀受力而产生的一种低频（0.1～3.0 Hz）的大振幅（20～300 d）振荡现象［1-2].冬季易覆冰时，输电线路导线更易产生舞动，常常引起塔杆倾斜倒塌、导线断裂及绝缘子闪弧等重大电网事故［3-4].因此，有必要实时监测输电导线的舞动和覆冰状态，防止输电线路故障及电网事故.

线路在线监测有许多方法，如巡线机器人、直升机、视频监测、人工巡线等，每种方法都有自己的特点［5]，但这些方法多是通过观察输电导线的外观形态判断导线的状态，由于实际环境如灰尘、污垢、天气及视角等因素的影响，检测的可靠性将下降.本文中设计的基于导线张力监测装置，用于测量导线舞动，此方法不受外界环境等因素的影响，检测的可靠性大为提高.

1 基于张力变化的导线舞动监测理论分析及监测原理

1.1 舞动对履冰导线水平张力的影响 输电导线的力学模型如图1所示［6].图中l为档距，hAB为导线悬挂点高度差，β为高ω差角.TA、TB为导线悬挂点轴向张力，T0为导线水平张力；TγA、TγB为导线悬挂点竖向张力分量.图中虚线为导线舞动的形态，实线为导线的静止状态.

图1 输电导线一个档距的力学模型

根据斜抛物线方法，导线的挠度曲线方程为

式中，ys（x）（m）为导线上任一点在舞动前的静止位移，W（N／m）为覆冰导线单位长度荷载.导线舞动前的静长度Ls（m）为

舞动观测模拟结果表明，稳态舞动导线可近似为简谐波形状，如图1中虚线所示.设舞动导线上任一点的舞动位移yg（t）（m）为

式中，a0（m）为舞动幅值，n为舞动半波数，ω（rad／s）为舞动的角速率.舞动导线在t（s）时刻的挠度曲线方程为

由弹性力学及舞动理论可得到水平张力的变化量与导线舞动的关系如下：

式中，E（N／mm2）为导线的综合弹性模量，A（mm2）为导线的横截面积.

1.2 舞动对导线悬挂点竖向张力分量的影响 与水平张力的分析类似，根据弹性力学和导线舞动理论，垂直张力的变化量和导线舞动的关系如下：

2 监测系统与试验

图2 高压导线线夹结构

2.1 张力检测传感器及其采集电路设计 张力检测装置主要由拉压力传感器和安装线夹构成.安装线夹是结合导线的特征设计的，能够将导线的张力施加到拉压力传感器上.安装线夹的结构如图2所示.拉压力传感器的电路是一个惠更斯电桥，拉压力的变化使电桥上某一桥臂的电阻增大或减小，通过桥臂两端的差分输出反映输电导线上的拉压力变化.由于一般惠更斯电桥输出的电压范围很小，μV或mV，因此需要使用高增益差分放大器将电桥输出电压放大至可精确测量的范围，我们采用特质的线夹将拉压力传感器固定在架空导线上，拉压力传感器采集电路原理如图3所示.

图3 拉压力传感器采集电路

2.2 感应取电装置设计 系统并网运行时，作为一个独立的装置，需要外部供电.对于悬挂在高压电缆上的相关设备，外部供电较难实现，因此采用感应取电.由于该装置的功耗较小，因此较小的电流感应线圈便可以满足现场供电需求.基于感应取电的原理，将高压导线穿过电流线圈，其输出端采用全波整流、滤波、钳位，并通过相关的DC-DC转换成系统运行所需要的电压，其原理图如图4所示.

2.3 信号处理及其传输设计 信号处理和传输是整个装置的核心，其主要功能是采样、数据处理、无线传输、数据存储.拉压力采集传感器输出信号经过调理电路放大后进入AD转换器，主控制器驱动AD转换器进行数据采集，将获取的数据运算分析后传输至上位机系统.本文中主控制器采用STM32F103ZET6设计，AD转换器为24位高精度A／D转换器HX711，具备两路模拟输入通道，可以同时测量两路的拉压力，内部集成128被增益可编程放大器，输入电路可以配置为提供桥压的电桥式传感器.经过测量，其有效精度可达18～19位，可以满足到线上拉压力精确测量的要求.

图4 高压感应取电原理

3 现场试验分析

为了检验监测原理是否正确，检测系统能否可靠地工作，进行了检测现场试验.试验在甘肃平凉眉天线0066＃～0067＃档距进行.档距参数如下：导线型号LGJ-240／30，水平档距223 m，静态张力15 124 N，杆塔高度18.5 m，悬垂5 m，弹性模量7.3e10Pa，斜角β＝0.

试验条件：晴天，温度-4℃，风速15 m／s，海拔高度1 895 m.

由检测装置检测的导线张力随时间变化曲线如图5所示.

图5 实测导线张力随时间变化曲线

对张力数据进行频谱变换，得出的导线张力频谱图如图6所示.由测量结果可以看出导线瞬态舞动主频率是固定的，主频率为0.24 Hz，张力幅值为25 k N，张力变化值ΔTB＝TBMAX-TB静态，通过式（5）、式（6）可计算出舞动幅值为3.87 m，由摄像机监测的舞动幅值约为4 m，可以看出两者十分接近.

图6 导线张力频谱图

4 结论

导线舞动理论分析和试验表明，导线舞动时输电线路承受的张力发生大幅度变化，并且与舞动频率和舞动幅度有确定的关系，本文中设计相关导线舞动监测装置，能够精确测量架空导线的拉压力变化，计算机分析与现场的实际摄像对比说明，该装置监测到的拉压力变化能够准确反应架空导线的舞动情况，通过智能和人工结合判断，可以避免2／3以上因舞动产生的电网事故.

［1]朱宽军，刘超群，任西春，等.特高压输电线路防舞动研究［J].高电压技术，2007（11）：61-65.

［2]朱宽军，刘超群，任西春.架空输电线路舞动时导线动态张力分析［J].中国电力，2005，38（10）：40-44.

［3]胡毅.电网大面积积冰灾害分析及对策讨论［J].高电压技术，2008，34（2）：215-219.

［4]赵作利.输电线路导线舞动及其防治［J].高电压技术，2004（2）：57-58.

［5]孙峰，傅葵军，高紹龙，等.输电线断股、损伤故障分析及对策［J].电力科技与环保，2012，28（3）：55-57.

［6]邵天晓.架空送电线路的电线力学计算［M].北京：中国电力出版社，2003：10-20.