王勝利 周璋鵬 成 保 白宏明 馬長山

（國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州730070）

電力系統(tǒng)為我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供強(qiáng)而有力的動力支持，而輸電線路對供電的安全穩(wěn)定性具有直接的影響，因此，保證輸電線路，尤其是特高壓輸電線路在運(yùn)行過程中的安全可靠性具有十分重要的意義[1]。由于特高壓輸電線路跨越區(qū)域范圍廣、所處地形復(fù)雜、所在自然環(huán)境惡劣、設(shè)備長期暴露在外,導(dǎo)致輸電線路非常容易受到機(jī)械張力作用、雷擊閃絡(luò)、材料老化、覆冰、高溫等因素的影響而出現(xiàn)斷股、磨損甚至是腐蝕等各種問題[2-3]。

一直以來，輸電線路的維護(hù)以及走廊巡檢工作均依靠人工現(xiàn)場勘探，這種方式工作效率低下，工作人員的安全得不到保障，且受到地形、地勢的影響，輸電線路隱患問題不能被及時發(fā)現(xiàn)，具有嚴(yán)重的安全隱患[4]。

本文研究一種基于激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路通道多工況仿真模擬分析算法，動態(tài)模擬在不同的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件下，風(fēng)偏、弧垂等的變化狀態(tài)，結(jié)合三維地形和三維模型，實現(xiàn)線路安全運(yùn)行狀態(tài)檢測。

1 多工況仿真模擬分析

1.1 導(dǎo)線弧垂擬合

本研究采用懸鏈線方程的簡化形式拋物線方程，拋物線方程可以滿足工程應(yīng)用的精度要求，斜拋物線方程為：

其中，φ- 高差角。

1.1.1 比載計算

在導(dǎo)線計算中，常把導(dǎo)線受到的機(jī)械荷載用比載表示。由于導(dǎo)線具有不同的截面，因此僅用單位長度的重量不宜分析它的受力情況[5]。

此外比載同樣是矢量，其方向與外力作用方向相同。所以比載是指導(dǎo)線單位長度、單位截面積上的荷載，常用的比載共有七種，包括自重比載、冰重比載、導(dǎo)線自重和冰重總比載、無冰時風(fēng)壓比載、覆冰時的風(fēng)壓比載、無冰有風(fēng)時的綜合比載和有冰有風(fēng)時的綜合比載。

1.1.2 導(dǎo)線溫度與應(yīng)力計算

由于氣象條件變化時，架空線所受溫度和荷載也發(fā)生變化，相應(yīng)其水平應(yīng)力σ0 和弧垂f 也隨著變化。為此要確定σ0大小，則必須要研究氣象條件（或稱狀態(tài)）變化時，導(dǎo)線的應(yīng)力會怎樣的變化關(guān)系，因而引出了狀態(tài)方程，即導(dǎo)線內(nèi)的水平應(yīng)力隨氣象條件的變化規(guī)律可用導(dǎo)線狀態(tài)方程來描述[6]。由斜拋物線方程確定的形式，略去推導(dǎo)過程，得到狀態(tài)方程如下：

式中：

gm- 初始?xì)庀髼l件下的比載，N/m.mm2；

gn- 待求氣象條件下的比載，N/m.mm2；

tm- 初始?xì)庀髼l件下的溫度，℃；

tn- 待求氣象條件下的溫度，℃；

σm- 在溫度tm 和比載gm 時的應(yīng)力，MPa；

σn- 在溫度 和比載 時的應(yīng)力，MPa；

α- 線溫度線膨脹系數(shù)，1/℃；

E- 導(dǎo)線的彈性系數(shù)，MPa；

φ- 導(dǎo)線懸掛點高差角；

l- 檔距，m。

1.1.3 導(dǎo)線載流量與溫升計算

根據(jù)熱平衡原理,架空導(dǎo)線吸收的熱量應(yīng)等于散發(fā)的熱量，即導(dǎo)線上電流產(chǎn)生的熱量加上日照吸收的熱量等于輻射散發(fā)的熱量加上對流散發(fā)的熱量[7]。

1.1.4 弧垂調(diào)整

由機(jī)載LiDAR 點云獲取的三維電力線模型數(shù)學(xué)表達(dá)簡單，為了進(jìn)行電力線安全的實時評估，需要模擬不同氣象條件下的導(dǎo)線弧垂?fàn)顟B(tài)，首先要確定瞬時工況條件下應(yīng)力參數(shù)。由于導(dǎo)線的弧垂受氣象條件影響，其懸鏈線形態(tài)是動態(tài)變化的，需要根據(jù)實際情況才能更加精確模擬現(xiàn)場情況。實時擬合算法需要加入風(fēng)速、溫度因子，使導(dǎo)線的擬合模型能夠在不同環(huán)境下進(jìn)行智能化的參數(shù)調(diào)整，求出實時最優(yōu)解。

1.2 導(dǎo)線風(fēng)偏與弧垂

導(dǎo)線風(fēng)偏（舞動、弧垂）是威脅架空輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一，常常造成線路跳閘、導(dǎo)線電弧燒傷、斷股、斷線等嚴(yán)重后果，且風(fēng)偏的發(fā)生常伴有大風(fēng)和雷雨現(xiàn)象，給故障的判斷及查找?guī)硪欢ǖ睦щy。

（1）風(fēng)偏后導(dǎo)線弧垂計算。需要計算架空線風(fēng)偏后，在垂直及水平投影平面內(nèi)的弧垂、應(yīng)力及懸掛點應(yīng)力等[8]。如圖1 所示，將風(fēng)偏平面內(nèi)的架空線向垂直平面xy 投影，投影曲線ACB上僅作用有垂直比載γv、懸掛點垂直應(yīng)力分量συA和συB、線路方向的水平應(yīng)力分量συA=συB=σ0。將風(fēng)偏平面內(nèi)的架空線向水平面xz 投影，投影曲線A"C"B"上僅作用有橫向水平比載γh、垂直于線路方向的懸掛點水平應(yīng)力σhA和σhB、順線路方向的水平應(yīng)力σ0。

圖1 風(fēng)偏模型

（2）最大弧垂判定。為確定桿塔高，校驗導(dǎo)線對地面、水面或交叉跨越物間的安全距離及桿塔位置等，需要知道導(dǎo)線的最大弧垂及其出現(xiàn)的氣象條件[9]。最大弧垂出現(xiàn)的氣象條件一般為最高氣溫或者最大垂直比載出現(xiàn)，可以通過臨界溫度法確定，計算公式如下：

將計算的臨界溫度tj和最高氣溫tmax相比較，溫度高者為出現(xiàn)最大弧垂的控制條件。若tj>tmax，則最大弧垂發(fā)生在最大垂直比載氣象條件，反之最大弧垂發(fā)生的最高溫氣象條件。

（3）風(fēng)偏分析。模擬大風(fēng)環(huán)境下風(fēng)偏情況，根據(jù)風(fēng)向、最大風(fēng)速，用風(fēng)偏模型對線路進(jìn)行風(fēng)偏模擬計算。計算出不同運(yùn)行情況下風(fēng)偏角的大小，按照導(dǎo)線弧垂情況決定絕緣子的空間位置，將輸電線路的實際情況展示在三維可視化平臺中。然后把風(fēng)偏的實時情況與輸電線路的風(fēng)偏極限值進(jìn)行對比，一旦超出設(shè)定值就會發(fā)出預(yù)警信息。

1.3 覆冰模型

覆冰對于電力系統(tǒng)是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，常會引起輸電線路倒桿、倒塔，導(dǎo)線舞動、斷線（股），金具損傷、損壞，導(dǎo)線相間或?qū)Φ胤烹?，絕緣子閃絡(luò)跳閘等重大事故，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重危害。

本研究采用兩種覆冰模型計算覆冰厚度，即通過覆冰截面積計算覆冰厚度和通過輸電線路靜力學(xué)模型計算覆冰厚度。

（1）覆冰截面積計算覆冰厚度。通過分析懸鏈線懸點處導(dǎo)線張力，分別計算風(fēng)偏平面內(nèi)參數(shù)及垂直線路的導(dǎo)線水平風(fēng)荷載，從而計算風(fēng)偏情況下覆冰導(dǎo)線總截面積。覆冰厚度計算公式可得：

（2）通過線路靜力學(xué)模型計算覆冰厚度。

圖2 是風(fēng)偏平面內(nèi)輸電線路的模型，分析導(dǎo)線覆冰后垂直風(fēng)向上的靜力學(xué)平滑，設(shè)覆冰密度為ρ，導(dǎo)線直線為D，認(rèn)為覆冰形狀為均勻圓柱體，則可得到導(dǎo)線等效覆冰厚度：

圖2 風(fēng)偏平面內(nèi)輸電線路的模型

2 基于航巡數(shù)據(jù)的特高壓輸電線路通道多工況仿真模擬分析

基于航巡數(shù)據(jù)的特高壓輸電線路通道多工況仿真模擬分析流程如圖3 所示。

圖3 特高壓輸電線路通道多工況仿真模擬分析流程圖

基于航巡數(shù)據(jù)的特高壓輸電線路通道多工況仿真模擬分析，包括若干個處理流程和步驟：

步驟1 線路走廊三維建模。基于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包括激光點云數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行線路走廊三維建模，生成線路三維地形和地面、障礙物模型。

步驟2 建立輸電線路導(dǎo)線和桿塔模型?；诩す恻c云數(shù)據(jù)，進(jìn)行點云數(shù)據(jù)篩選、桿塔定位、范圍裁剪、自動分類和人工交互等自動建模過程生成桿塔精確位置信息數(shù)據(jù)和桿塔模型、導(dǎo)線模型。

步驟3 計算應(yīng)力系數(shù)。利用激光點云數(shù)據(jù)、瞬時工況信息和桿塔、導(dǎo)線臺賬信息，生成在特定溫度、風(fēng)速、光照、負(fù)荷條件下的導(dǎo)線弧垂曲線，進(jìn)行比載計算、溫度與應(yīng)力計算、弧垂調(diào)整計算、負(fù)載與升溫計算和風(fēng)偏計算，得到導(dǎo)線應(yīng)力系數(shù)。

步驟4 生成調(diào)整導(dǎo)線弧垂曲線。利用步驟2、步驟3 的計算結(jié)果，在不同的溫度、覆冰、風(fēng)速、光照、負(fù)荷等條件下，計算生成調(diào)整導(dǎo)線弧垂曲線。

步驟5 多工況仿真模擬分析?；诓襟E1 和步驟4 的成果，按照輸電線路運(yùn)行規(guī)程設(shè)置各種地物到導(dǎo)線的安全距離，計算多種工況條件下的各種安全距離、自動提示安全隱患、動態(tài)模擬顯示進(jìn)行報警、生成分析報表。

3 結(jié)論

本文研究在不同的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件下，風(fēng)偏、弧垂等的變化狀態(tài)，結(jié)合三維地形和三維模型，實現(xiàn)線路安全運(yùn)行狀態(tài)檢測。經(jīng)過理論和現(xiàn)場驗證，這種方法具有準(zhǔn)確性和實用性的特點，適用于常見的輸電線路，特別是特高壓輸電線路通道，可以快速找出輸電線路的潛在故障，提高電網(wǎng)系統(tǒng)日常運(yùn)行的穩(wěn)定性。