自然环境输电线及绝缘子覆冰状态多维度评估

郑捷宁，魏业文

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443000)

1 引言

由于各地区的自然环境差异较大，且气候条件多变。尤其北方冬季气温偏低，导致北方地区的冬季输电线绝缘子大部分区域发生不同程度的覆冰情况[1]。输电线中绝缘子作用至关重要。因为空气中有一定成分的导电介质，当覆冰汇集绝缘子表面时，绝缘子的绝缘能力下降。当输电线覆冰区域融冰时，绝缘子表面的局部电阻不同，易导致线路跳闸，对线路的绝缘设计及电力系统的安全运行有很大威胁，因而对输电线及绝缘子覆冰进行在线监测意义重大。

各界对输电线覆冰情况的研究越来越关注。文献[2]提出了一种计及气象因素时间累积效应的输电线路覆冰预测，该方法通过建立不同气象条件下覆冰厚度的增长模型，获得在不同环境下覆冰厚度随着时间的变化关系。同时充分考虑覆冰的状态和该地区的气象条件的相关性，给出了不同的气象条件下覆冰厚度增长程度参数，通过将预测结果和真实情况的对比，证实该方法在预测精度方面存在优势，但是存在方法应用速度较慢问题。文献[3]提出基于图像处理技术的输电线及绝缘子覆冰状态评估。以铝合金表面为基底，利用激光二次扫描方法，将水滴在其表面结冰过程图像用阈值法分割，并进行形态学运算，分析结冰过程中轮廓及状态变化，获取水滴结冰时间与结果，该方法在运行速度存在优势，但由于评估指标单一，导致所得结果误差较大且不具说服力。

为保证覆冰状态评估准确性与时效性，提出自然环境输电线及绝缘子覆冰状态多维度评估方法。分析自然条件下输电线覆冰类型及形成条件，定义影响覆冰程度各相关指标权重值，获取输电线覆冰后对环境、人员及经济产生影响程度。通过对覆冰过载状体状态研究，计算出各区域输电线绝缘子水平、垂直荷载量及该区域的覆冰厚度，综合考虑覆冰厚度与被测区域的环境温度、环境风速、环境湿度等相关指标在覆冰过程中的重要程度，得出覆冰状态的计算方法，多维度评估输电线覆冰状态。

2 电线及绝缘子覆冰类型分析

输电线覆冰状态与覆冰量取决于当地气温、空气湿度及电线尺寸及覆冰持续时间。虽然各个地区的输电线绝缘子[4]覆冰情况差异性较大，但可以综合总结为3大类型：雨凇，雾凇和混合凇。

一般情况下，雨凇是在冻雨或雨夹雪天气中形成的，覆冰在该段输电线中的比重系数约在0.8～0.92之间。当水滴落在输电线上后，由于雨滴冻结需要时间，在其冻结前会沿电线表面流动。雨凇质地坚硬，通常呈透明状，其粘附力较强，主要在输电线及绝缘子迎风面形成。当风向不确定时，会在绝缘子伞盘表面均匀覆冰，由于雨水未完全冻结时会沿绝缘子伞盘下落形成悬挂式冰柱，当输电线绝缘子长时间覆冰时，各绝缘子冰柱会串联起来，形成椭圆形冰柱[5]。

雾凇是冷云雾与极小的水粒遇冷冻结的沉积物。因水粒对比雨水体积较小，遇冷则会迅速冻结，重复堆积形成了雾凇。按照其硬度能划分为硬雾凇与软雾凇两类。软雾凇为蓬松状白色结晶颗粒，比重在0.1～0.6之间。附着力较小，要在气温较低的环境下形成。在海拔较高地区中，因过冷水体积较小，软雾凇则成为当地输电线绝缘子常见覆冰类型。硬雾凇为小水粒冻结逐渐累积形成，呈白色不透明状，比重在0.5～0.8之间，并且含有气泡。具有较强附着力。

混合凇即雨凇与雾凇的混合物，气象变化时，呈现能引起雾凇与雨凇的气候环境，其比重一般在0.4～0.6之间。刚开始发生覆冰时气温较高，过冷水不会迅速结冰，而在输电线的表面产生雨凇，随温度不断降低，小水粒则形成雾凇附着在雨凇外层部分，当气温再次回升时，输电线绝缘子外层雾凇又一次融化，若遇到冷空气则会再次冻结形成雨凇，若此过程反复发生在冻结天气中，则会在输电线上形成厚度较大的混合凇覆冰。

上述的三种覆冰类型在输电线绝缘子带电和不带电的时都会产生。并且根据观测，在输电线两种条件下的覆冰形态和覆冰数量大致相同，也就是说绝缘子虽然带电，但是其泄漏电流产生的微小热效应对覆冰过程没有较大影响。

3 输电线绝缘子覆冰状态多维度评估

3.1 输电线覆冰风险分析

自然环境中，输电线在寒冷条件下，就会发生覆冰风险，从温度、地形、湿度、覆冰程度、冰区划分等5方面对发生覆冰风险可能性进行分析。首先将风险指标体系定义为目标层U、分层B、分层C。如表1所示：

表1 覆冰风险评估表

由于各项指标的影响程度不同，因此对各个指标的权重系数进行计算，过程如下：

1)建立矩阵[6]。假设B层对U的构造的矩阵为A1(矩阵元素为aij)则：aij={1：Bi和Bj同样重要；3：Bi比Bj略重要；5：Bi比Bj明显重要；7：Bi比Bj重要得多；9：Bi比Bj极端重要；2、4、6、8：相邻判断的中值}，B1>B3>B2>B4，则

(1)

同理可得：

(2)

式(2)中，A21、A22、A23、A24分别是危险性、暴露性、脆弱性、防灾减灾能力的矩阵。

2)确定B层参数的权重值[7]。对矩阵A1的特征向量进行归一化处理，则可以得到：ω1=[0.657 4 0.094 2 0.202 7 0.045 7]，此时一致性指标ICR=0.0632<0.1，因此四舍五入ω1，将其两位有效数位作为B层指标的权重值。

3)对C层的危险指标权重值进行确定。归一化处理矩阵A21，获得其特征向量集为ω2=[0.032 5 0.032 5 0.068 1 0.257 3 0.134 6 0.475 0]四舍五入ω2，将其两位有效数位作为C层危险指标的权重值。

4)对C层暴露性指标和脆弱性指标的权重系数进行确定，因该层只考虑经济的影响，所以将二者的权重系数同时定义为1。

5)对C层的防灾减灾能力的权重值进行确定。将矩阵A24进行归一化处理，得到R1、R2的权重系数d1=0.25，d2=0.75。

通过加权综合评分法可得危险性计算公式可表示为

(3)

暴露性计算公式为

E=E1b

(4)

脆弱性[8]计算公式为

V=V1c

(5)

防灾减灾能力计算公式为

(6)

则覆冰的风险指数为

Ir=HaEβVγ[e+(1-e)(5-R)δ]

(7)

式(7)中，e为不可抗系数。若H、E、V中任何一种指标为零，则输电线的覆冰风险为零。若被测区域有极强的防灾减灾能力，则输电线的覆冰风险指标的值会降到最小。

3.2 覆冰过载状态计算

通过物理力学特征来对覆冰过载进行描述，根据对输电线各个相关因素的分析，得出各角度过载力学计算方法如下：

输电线在垂直方向的过载计算公式

A=B(M，N)×C

(8)

式(8)中，A表示输电线塔杆垂直方向的最大荷载量[9]；M为B层覆冰导线长度；N代表B层地线的最大覆冰荷载；C表示为输电线到地面的垂直距离。

E=F×G

(9)

式(9)中，E代表输电线塔杆垂直方向的最大荷载量；F表示输电线的拉力角；G为输电线所在区域的风向角。

H=I(J，K)×L

(10)

式(10)中，H为地线在垂直方向的最大荷载量；J代表地线自重；K代表地线的总覆冰量；

输电线在水平方向的过载计算公式如下

(11)

式(11)中，d代表导线的直径；a代表风压系数；μz代表风压高度变化系数；L代表相邻塔杆之间的水平距离；θ代表风向角。

(12)

式(12)中代表地线的直径，μsc代表输电线的规格。

设覆冰厚度为b，则

(13)

式(13)中，q代表总荷载量，ρ代表覆冰密度。

4 实验分析

为验证所提方法的有效性和准确性，对多个处于不同气候条件下的输电线绝缘子进行状态验证，并与真实数据进行对比分析。

4.1 评估指标设定

根据研究数据，提取传统输电线状覆冰态评估方法多维度指标，对各个衡量标准作如下定义：湿度(RH)论域为0%～100%；温度(T)论域为-20℃～20℃；风速(S)论域为：0m/s～20m/s；输电线绝缘子覆冰厚度(H)论域为：0mm～30mm；模糊语言[10]值为：极小(NB)，较小(NS)，中等(O)，较大(PS)，极大(PB)。则各衡量指标的隶属度函数[11]如图1。

图1 各指标隶属度函数图

将绝缘子覆冰状态最终可能给出的4种评估状态[12]作如下描述：

NA：指自然条件下，环境和气候不会发生覆冰情况，或输电线绝缘子在该阶段不处于覆冰状态，再或者是存在的覆冰极小，不影响线路的正常运行，可以忽略不计。

A1：指输电线上的覆冰情况较为严重。

A2：指输电线覆冰严重。

A3：指输电线上的覆冰状态极为严重。

则可以通过温度、湿度、风速等参考数值来评估自然环境是否达到覆冰状态，然后根据输电线的覆冰厚度对的覆冰状态进行评估，其规则如下：

1)当输电线的覆冰厚度为NB或NS时，则输出NA。

2)当输电线的覆冰厚度为O时，则输出A1。

3)当输电线的覆冰厚度为PS时，则输出A2。

4)当输电线的覆冰厚度为PB时，则输出A3。

4.2 所提方法评估结果与实际情况拟合度测试

得到的对比分析结果如下表：结合3.3节给出的评估指标，对湿度、温度、风速及覆冰厚度分别进行记录，结果与真实数据越接近说明评估性能越好。表2中，“等效覆冰厚度”是监测系统根据监测参数计算得到的；“实际情况”是经人工定量获得的，“评估结果”是所提算法最终输出的覆冰状态。

表2 所提方法评估结果与实际情况的拟合度验证

从表2中可以看出，被测区域1，4，9被测出覆冰厚度分别为2.4mm、3.7mm、2.7mm，但是由于环境温度过高，不符合冰冻条件，所以最终给出的评估结果是NA，即无覆冰状态，这和实际状态相符，这证明了所提方法不会因为单一评估指标计算存在误差而产生误判，同时其它待测区域的测试结果也与实际结果一致。表2的数据表明，提出的自然环境输电线及绝缘子覆冰状态多维度评估方法可以实现对输电线绝缘子的智能化评估，并且准确性较高。

4.3 不同方法的评估效率对比

为进一步验证所提评估方法的评估效率，将所提方法与文献[1]方法、文献[2]方法、文献[3]方法的评估消耗时间进行对比分析，消耗时间越少表明评估方法效率越高。对比结果如图2所示。

图2 不同算法测试速度对比图

根据图2的数据对比结果表明，传统方法的应用耗时明显高于所提方法。所提算法的应用时间消耗均不超过2s，且随检测目标增加对其效率影响较小，得到评估效率高于传统方法，具有更高应用价值。

5 结论

由于输电线路覆冰产生情况复杂，且受环境因素综合影响，提出了自然环境输电线及绝缘子覆冰状态多维度评估方法。定义影响覆冰程度各个相关指标的权重值。计算出各区域输电线绝缘子水平、垂直荷载量及该区域的覆冰厚度，完成输电线覆冰状态多维度评估。实验结果表明：所提方法与实际情况一致，且所提方法对比传统方法应用效率更高，在对多个输电线目标进行覆冰状态评估时，消耗时间不超过2s。综上所述，所提方法具有更好的应用效果，可以为相关研究提供可靠依据。