输电线路舞动监测技术综述

任鹏亮 谢 凯 陈 钊 宋高丽 李梦丽 吕中宾

（1.河南恩湃高科集团有限公司，河南 郑州 450052；2.国网河南省电力公司电力科学研究院输电线路舞动防治技术实验室，河南 郑州450052）

输电线路舞动一般是非圆形的覆冰导线在风的作用下产生的一种低频率（0.1～3Hz左右）、大振幅（约为导线直径的20～300倍）的自激振动现象［1］。输电线路舞动轻则会引起相邻线路的闪络、跳闸，重则发生金具及绝缘子损坏，更严重的甚至会造成杆塔倒塌等事故。舞动涉及各个电压等级的输电线路，我国又是舞动发生比较频繁的国家之一，特别是近年来，随着电网建设的发展，以及灾害性气象条件的影响，我国输电线路舞动事故发生的频率和强度有了明显增加［2-4］。

舞动的观测与研究源于20世纪30年代，美、加、日等国进行了较多的观测、研究与治理工作［5-7］。美国的邓哈托于1932年发表了“输电导线覆冰舞动”一文，首次从理论上阐述了输电线路舞动的发生机理，并且证明了当升力曲线的负斜率比阻力曲线的幅值大时出现不稳定性［5-7］。加拿大的爱德华滋等人于1953年1月至1954年在安大略省柏林顿、丹尼斯和肯沃斯地区先后进行了舞动的观测，并建成了与实际尺寸相同的7档试验线路，对系统的静态与动态参数进行了较为全面的试验［5-7］。日本在笠取山地区也建立了试验线路，进行了长期的监测研究［5-7］。我国有关舞动的记载始于20世纪50年代，而真正进行大规模治理与研究则是从1987年湖北省中山口大跨越发生舞动导致断线之后才开始进行的。

输电线路舞动的研究和防治是一个非常复杂的综合性课题，它涉及空气动力学、耦合振动学、气象学、力学等多个学科［3］。输电线路舞动监测就是通过对线路舞动的振幅、频率、阶次等参数进行监测，进而利用监测到的数据进行更加深入分析的一种手段，它对于舞动机理研究、防舞装置开发和防舞方案制定都具有重要的意义。

目前，输电线路舞动监测技术主要分为现场监测法和在线监测法。现场监测法常用的包括简易观测法和单目测量法，主要便于线路运维人员现场观测舞动的参数，有利于针对性地开展舞动防治和治理；在线监测法主要有基于加速度传感器的在线监测法和基于惯性测量单元的在线监测法，主要便于大数据的积累和分析，为舞动机理的研究、舞动预警和舞动治理方案的制定提供依据。本文对现有常用的舞动监测技术，从基本原理、应用场合、适用性等角度进行分析和探讨，同时指出了进一步的研究发展方向。

1 输电线路舞动监测技术

1.1 简易观测法

简易观测法是指在没有任何摄像设备、测量设备情况下粗略估算输电线路舞动振幅的方法。图1所示为该方法的原理图。

图1 简易观测法原理图

该方法操作步骤：观测人员在离输电线路一定距离正对输电线路，根据半波数确定出振幅波腹的位置伸直手臂，用两指夹住笔杆，使笔杆成垂直状态，用一只眼睛观测，使笔杆上端与输电线路舞动上限在同一视线上时，保持笔杆不动，记下与该点的舞动下限点成同一视线的笔杆上的位置，笔杆上记录的位置到笔杆上端的距离L1即反映了舞动的峰-峰值。使用同样方法在同样远的距离处测量另一已知尺寸参照物的尺寸H对应笔杆上的距离L2，根据比例关系估算出舞动的幅值A，计算公式如公式1所示。

简易观测法一般是在线路巡视人员突遇舞动，又没有随身携带监测设备的情况下使用的一种方法，一般巡视人员经过简单学习即可学会。由于其没有使用监测设备，仅靠观测人员目测，因此准确度很难保证，但对舞动统计、防舞装置安装位置的选择具有参考价值。

1.2 单目测量法

单目测量法是使用便携式视频采集装置，对输电线路进行视频录制，运用图像匹配、图像跟踪等处理算法，计算特征点的舞动幅值变化，进而得到整档线路的纵向轨迹变化曲线，最后分析得到舞动的幅值、阶次等参数的一种监测方法。图2所示为单目测量法特征点选取示意图，其中红色方框标注的位置即为对舞动进行分析时选取的特征点。

图2 单目测量法特征点选取示意图

单目测量法的优点主要体现在简单易行，操作人员只需要使用视频采集装置、测距仪等简单设备即可完成监测。另外，与简易观测法相比，单目测量法不仅能得到舞动的幅值、频率等参数，而且能得到整档导线的舞动轨迹。

单目测量法在对所录制的视频进行分析时，为了更好地对特征点进行跟踪，需要线路与线路背景有明显的差异，因此，在使用视频采集装置录制视频时需要选择合适的观测点。

1.3 基于加速度传感器的在线监测法

基于加速度传感器的在线监测法是指将安装在线路上的多个加速度传感器作为传感单元，通过对其进行二次积分等算法还原被测点空间位移变化情况的一种方法［8-10］。图3为加速度传感器安装位置示意图，图4为系统架构图。

该方法的优点主要体现在：能够从开始到结束较完整的记录一次舞动，如果结合风速和覆冰监测，就能准确的得出舞动的激发和终止条件；缺点主要有：安装大量传感器可以得到更多的监测数据，曲线拟合更好，精度也越高，但相应的成本也越大，且安装过多的传感器还有可能破坏输电导线舞动的数学模型，反之传感器安装过少，由于监测点有限，就不能精确地计算、拟和输电线路的舞动轨迹；基于加速度传感器的在线监测法采用的三轴加速度传感器没有考虑导线扭转对数据计算结果的影响，因此，随着时间的积累可能会放大导线扭转引起的误差，导致累积误差增大，数据失真。

1.4 基于惯性测量单元的在线监测法

为了解决导线扭转对监测精度影响的问题，出现了基于惯性测量单元的在线监测法，该监测法与基于加速度传感器的在线监测法有些类似，只是将输电线路上安装的加速度传感器换成了惯性测量单元。由于一个惯性测量单元可以同时测量输电线路舞动时的加速度值和角速度值，因此，它不仅能推算出被测点舞动时的位移变化情况，还能获取被测点舞动时的扭转情况，进而完整、准确的还原输电线路舞动时的姿态。

图5和图6是实际现场一个测量点记录的某一次舞动事件。图5为水平和竖向位移随时间变化的曲线图，从中明显地看到从开始到止舞的过程，图6为该点的舞动轨迹图，能够清晰的得到水平和竖向位移变化情况。

现场实际应用时，基于惯性测量单元的在线监测法也具有传感器布点多少直接影响最终获得线路轨迹的精度等不利因素。

2 分析与讨论

与现场监测法相比，简易观测法由于其简单易学，普通观测人员经过简单学习即可掌握，虽然其观测手段过于简单，精度无法保证，但对舞动统计、防舞装置安装位置的选择有重要的参考价值；单目测量法与简易观测法相比，精度上有了很大提高，不仅可以得到舞动的幅值、频率、阶次参数，而且可以得到整档导线的舞动轨迹，具有较好的实用和推广价值。

基于加速度传感器和惯性测量单元的在线监测技术，虽然都可以实时获得大量的线路舞动数据，但前者没有考虑导线扭转的影响，从原理上来说数据的可靠性较差；后者测量加速度的同时，对角速度也进行测量，通过算法能够获取精确的监测数据，数据精度和可靠性较高。尽管在线监测技术有很大的优势，但也存在一些共性的难点。

2.1 系统可靠性 由于在线监测装置需要安装在野外，常年受风、雨、冰、雪、高温和低温等恶劣天气以及剧烈摆动的影响，其故障率高，寿命短。同时，如果出现故障，维修难度大。因此，提高其运行的可靠性，是目前所有输电线路舞动在线监测装置都急需要解决的问题。

2.2 电源 处于野外的在线监测装置需要配备稳定的电源系统，目前多采用以下两种方案：太阳能板加蓄电池的方式，该系统中太阳能板转化效率低，且受天气影响较严重；线圈取能的方式，该取能系统中，线圈易受外界环境影响，难以得到可靠稳定的电源。因此，上述两种方案都有自己的缺点，难以根本上解决电源问题。

2.3 通讯 舞动在线监测系统在通讯方式上，一般选择在杆塔上安装数据基站，接收输电线路上监测装置发送来的数据，打包后通过无线公网发送到后台服务器。其中监测装置与数据基站之间，受输电线路自身电晕和通讯距离的影响，可能造成数据丢失；数据基站与后台服务器之间，受地形和公网信号无法完全覆盖的影响，容易导致通讯受阻。因此，通讯也是制约舞动在线监测系统发展的一个因素。

现场监测法作为线路巡视人员现场使用的方法，能够直观的观测舞动发生时的情形，对舞动统计、防舞方案的制定等具有重要意义。在线监测法能够更加精确的获取舞动的幅值、频率和阶次等参数，同时结合气象等数据，为研究舞动机理和制定有效的防舞方案提供第一手资料。因此，二者应用场合不同，是不可替代，相互补充的关系。

3 结论

随着电网建设的发展，输电线路舞动对电力系统的破坏作用越来越大。由于线路结构和地形的影响，舞动治理的难度也越大。输电线路舞动监测对于研究舞动机理、开发防舞装置和制定防舞方案具有重要意义。目前的输电线路舞动监测技术，由于原理和应用场合的原因，都具有一定局限性，需要进一步的研究和开发。现场监测法与在线监测法由于其应用场合不同，两者不仅不可替代，更是相互补充的关系。

［1］郭应龙，李国兴，龙传永.输电线路舞动［M］.中国电力出版社，2002.

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［6］侯磊，陈予恕.输电线路导线舞动研究综述［C］.第13届全国非线性振动会议暨第10届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议.

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