胡禮軍， 吳 蓉， 黃炎階， 葉卓儒， 金 今

(國網(wǎng)浙江省電力有限衢州供電公司，浙江 衢州 324000)

0 引 言

輸電線路中桿塔變形及導(dǎo)線舞動均可能導(dǎo)致線路的閃絡(luò)或跳閘事故，較大幅度的導(dǎo)線舞動與桿塔變形甚至?xí)斐奢旊娋€路的折斷、脫落等事故。國內(nèi)對已有的三種估算舞動振動幅值的方法進行了比較分析，并分別采用線長法、能量法和有限元方法分析比較了孤立檔和連續(xù)檔中導(dǎo)線的張力變化。國外大量舞動事例的分析研究，認為只有不穩(wěn)定振動才有可能產(chǎn)生像舞動這樣大的振幅，因此可以把舞動看作一種動力不穩(wěn)定現(xiàn)象。

對桿塔形變及導(dǎo)線舞動幅值的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外的重要關(guān)注內(nèi)容，文獻[1]中建立有限元模型對輸電線路中的各檔位線路進行振動幅度與桿塔形變狀態(tài)的監(jiān)測，并應(yīng)用數(shù)值模擬相關(guān)公式計算導(dǎo)線舞動幅值與桿塔形變值的數(shù)據(jù)，再將測得數(shù)據(jù)與張力變化比較與分析。但上述方法對導(dǎo)線舞動幅值的監(jiān)測不夠精細。文獻[2]中應(yīng)用能量平衡方法對導(dǎo)線舞動變幅值計算，應(yīng)用描述函數(shù)方法對桿塔形變量計算，計算結(jié)果表明導(dǎo)線幅值與舞動頻率成反比，導(dǎo)線幅值與風(fēng)速成正比，在此基礎(chǔ)上研究舞動幅值在計算模型中的運算公式與表達方式。但該方法對導(dǎo)線舞動的監(jiān)測易受到距離的限制，且智能性較差，應(yīng)用效果不佳。

近些年來微波干涉技術(shù)也逐漸應(yīng)用到智能化監(jiān)測系統(tǒng)中，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)寬帶與干涉質(zhì)量的遙感關(guān)系，可以將檢測內(nèi)容與計算數(shù)據(jù)精確到毫米，具有精準(zhǔn)度高、智能性強、不受距離限制等優(yōu)勢。本文基于微波干涉技術(shù)研究桿塔形變與導(dǎo)線舞動幅值，實現(xiàn)在惡劣環(huán)境、遠程條件下精準(zhǔn)監(jiān)測形變與幅值狀態(tài)，提升桿塔形變與導(dǎo)線舞動幅值研究領(lǐng)域的信息化水平。

1 基于微波干涉技術(shù)的桿塔形及導(dǎo)線舞動變幅值捕捉

1.1 微波干涉技術(shù)

微波干涉技術(shù)是一種智能化連續(xù)多點測量的形變檢測技術(shù)，應(yīng)用在桿塔形變及導(dǎo)線舞動變幅值研究與應(yīng)用領(lǐng)域中可以實現(xiàn)多項遙感技術(shù)在監(jiān)測數(shù)據(jù)方面的體現(xiàn)[3]。

微波干涉技術(shù)具有極高的穩(wěn)定性，采用雷達對桿塔形變與導(dǎo)線舞動幅值進行多散射點的提取與技術(shù)分析，能夠有效解決傳統(tǒng)技術(shù)中的遙感技術(shù)與幅值、形變沖突問題[4-5]。其工作原理是通過雷達探測信號在不同時段與實際目標(biāo)變化量之間的位移測定和測量來實現(xiàn)，也可以理解為雷達發(fā)射信號與桿塔變量之間的信號交互。圖1為雷達發(fā)射信號與微波干涉之間的相位關(guān)系圖。

圖1 雷達發(fā)射信號與微波干涉之間的相位關(guān)系圖

根據(jù)圖中的微波干涉與雷達信號關(guān)系可知，雷達對桿塔與導(dǎo)線的第一發(fā)射信號相位與第二次雷達發(fā)射信號相位相差定義為 φ1，微波干涉所發(fā)出的波形相位差為 φ2，根據(jù)兩次波形相位差便可知桿塔形變與導(dǎo)線舞動幅值相對應(yīng)的位移，用微波干涉技術(shù)實現(xiàn)表達式為：

其中，λ為波形長度，d表示相對位移。

目前國內(nèi)應(yīng)用的微波干涉技術(shù)表達函數(shù)主要是基于拉力關(guān)系組件推導(dǎo)，在推導(dǎo)出的函數(shù)中引用靜力學(xué)與動力學(xué)，在形變與導(dǎo)線舞動中的系統(tǒng)關(guān)系來建立規(guī)律性的頻率公式與參數(shù)算法。由于本文研究的桿塔形變與導(dǎo)線舞動幅度具有底階固有的頻率特點。因此，本文應(yīng)用微波干涉技術(shù)時考慮到研究對象的剛度與邊界條件，對數(shù)據(jù)計算條件進行修正[6-7]。

文章還在微波干涉技術(shù)基礎(chǔ)上添加了振動法的測力技術(shù)，微波干涉技術(shù)實現(xiàn)的過程中，首先需要運用桿塔傳感器完成桿塔形變量的數(shù)據(jù)上傳與導(dǎo)線振幅的數(shù)據(jù)上傳，通過振動法測定上傳數(shù)據(jù)中可以被應(yīng)用于拉力計算的參數(shù)，如下為振動法下的微波干涉技術(shù)公式表現(xiàn)方式：

式中：T——導(dǎo)線或桿塔的應(yīng)力；

m——導(dǎo)線或桿塔的密度值；

l——導(dǎo)線的長度與桿塔的高度；

n——導(dǎo)線在有風(fēng)情況下的振動頻率；

fn——不同時間段的導(dǎo)線振動狀態(tài)或桿塔的形變規(guī)律。

1.2 桿塔形變及導(dǎo)線舞動幅度捕捉

桿塔形變及導(dǎo)線舞動幅度數(shù)據(jù)的采集，主要是通過無線網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場情況的程序數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集程序中會結(jié)合現(xiàn)場硬件檢測裝置提供的精確數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)匯報與總結(jié)[8-9]。

數(shù)據(jù)采集后，結(jié)合桿塔與導(dǎo)線的基本動態(tài)信息實現(xiàn)監(jiān)測單位的參數(shù)參考，如圖2所示為桿塔的受力數(shù)據(jù)與監(jiān)測單位標(biāo)準(zhǔn)值的參考信息比較。觀察圖2可知，參數(shù)比較可知桿塔的對比模型是處于固定狀態(tài)，對于微波干涉技術(shù)的數(shù)據(jù)采集器是一種具有螺紋結(jié)構(gòu)的固定與供電線設(shè)備上的凹槽連接裝置，在設(shè)計的過程中需要固定塊在桿塔與導(dǎo)線上發(fā)揮中性穩(wěn)定作用。圖3為數(shù)據(jù)采集器的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

圖2 參考信息對比圖

圖3 數(shù)據(jù)采集器的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

由于桿塔形變會對固定數(shù)據(jù)采集裝置產(chǎn)生一定的影響，容易引起采集裝置本身的形變，導(dǎo)致桿塔形變下部的承受壓力大于桿塔形變上部的壓力。所以數(shù)據(jù)采集裝置下，表面是一個敏感性較高的光補償裝置，能夠通過導(dǎo)線上傳捕捉信息[10]，見圖4。

圖4 桿塔形變數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)示意圖

桿塔與導(dǎo)線在外界干擾條件下會產(chǎn)生大量的干擾信號，將影響數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)馁|(zhì)量[11]，為了改善數(shù)據(jù)捕捉環(huán)境，需要在導(dǎo)線傳輸接口處濾波，如圖5所示為信號濾波電路圖。

圖5 信號濾波電路圖

由圖5可知，在信號濾波中通過傳感加速裝置傳輸數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸干擾因素，降低濾波后數(shù)據(jù)的誤差，將濾波處理后的信號波傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測控制中心。

2 桿塔形變及導(dǎo)線舞動幅值預(yù)測

本文首先應(yīng)用微波干涉技術(shù)對桿塔形變及導(dǎo)線舞動幅值進行算法判別，將輸電線路中的實際受力情況預(yù)測分析。桿塔的基礎(chǔ)受力形狀為圓柱體，將圓柱體一端控制參數(shù)，并加以水平方向的受力固定，滿足桿塔的基本彈性定律。由于不同地區(qū)采用的導(dǎo)線材質(zhì)不同，需要對鋼絞線應(yīng)力進行預(yù)測實驗。假設(shè)不同地區(qū)應(yīng)用相同直徑的9 mm鋼絞線，當(dāng)鋼絞線處于硬拉狀態(tài)下的傳感受力器傳輸波長與拉力的大小成正比，當(dāng)硬拉力量從50 N上升至20 kN左右，數(shù)據(jù)傳輸波長也會隨著拉應(yīng)力的波長變化，進而導(dǎo)致桿塔形變波長發(fā)生變化。如表1所示為不同拉力下的導(dǎo)線對桿塔形變產(chǎn)生的影響。

表1 不同拉力下的導(dǎo)線對桿塔形變產(chǎn)生的影響

對固定在導(dǎo)線上的傳感器數(shù)據(jù)提取得到較為精準(zhǔn)的采樣頻率，波長在采集器中的測量劃分為多個階段，每個階段的桿塔的形變程度均隨著導(dǎo)線舞動頻率增長[12]，本文采用的風(fēng)壓傳感器波長采集器為傳統(tǒng)的1 kHz，如圖6所示為導(dǎo)線舞動頻率與微波干涉波長關(guān)系圖。

圖6 導(dǎo)線舞動頻率與微波干涉波長關(guān)系圖

根據(jù)圖6中的關(guān)系線圖可知導(dǎo)線舞動頻率與波長有著明顯的線性關(guān)系，當(dāng)舞動頻率達到常規(guī)頻率時線性對應(yīng)關(guān)系如下：

本文還應(yīng)用圖像擬合方法完善微波干涉技術(shù)，實現(xiàn)對桿塔形變的預(yù)測分析[13-14]。頻率是一個物體發(fā)生在一定時間內(nèi)的變化次數(shù)，桿塔發(fā)生形變的主要因素是載荷非固定性頻率的壓力變化，可以通過靜態(tài)調(diào)節(jié)的方式增強桿塔形變的預(yù)測環(huán)境，在桿塔形變數(shù)據(jù)采集器中安裝200個負載頻率變化點，根據(jù)時間的變化與環(huán)境的變化對負載頻率變化的采集放寬條件。如圖7所示為預(yù)測過程中對單筒塔的預(yù)測實景圖。

圖7 單筒塔預(yù)測實景圖

由圖7可知，不同的桿塔結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的絕緣設(shè)備與避雷設(shè)備，兩個相鄰的桿塔之間還會建立完整的連接導(dǎo)線，應(yīng)用空間單元建立桿塔與其他設(shè)備的混合模型，桿塔中的絕緣子串等設(shè)備可以簡化為負載設(shè)備，統(tǒng)一視為桿塔的形變因素，圖中進行預(yù)測的單筒桿塔可以自主釋放負載對桿塔結(jié)構(gòu)的壓力，獲取一定程度上的形變自由度，此時發(fā)生的形變基本為可逆形變，保障桿塔在正常負載壓力下的自由度。單筒桿塔塔高一般控制在35～40 m，耐張桿塔高度一般控制在37～45 m。分析桿塔材料的力學(xué)數(shù)據(jù)，模擬單元性桿塔形變預(yù)測值，單筒桿塔在安全系數(shù)達到2.0情況下的形變值，預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 桿塔力學(xué)參數(shù)預(yù)測值

3 桿塔形變及導(dǎo)線舞動幅值監(jiān)測

根據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊》與GB 50545—2010《110 kV至750 kV架空線輸電線路設(shè)計規(guī)范》內(nèi)容可知導(dǎo)地線水平載荷和基本風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值運算表達式為：

式中：WH——桿塔在不同風(fēng)壓下的受力系數(shù)；

α——導(dǎo)地線水平載荷；

W0——基本風(fēng)壓值；

μs——負載變化系數(shù)；

μsc——桿塔的材質(zhì)應(yīng)力參數(shù)；

βc——桿塔載荷調(diào)整值；

Lp——桿塔與導(dǎo)線之間的距離；

B——即將產(chǎn)生形變的最大應(yīng)力值；

θ——風(fēng)向角。

根據(jù)GB 50545—2010內(nèi)容可知桿塔的基本風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值隨著桿塔的高度增長而減小，當(dāng)桿塔高度超出國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》時桿塔中的部分構(gòu)件便會增加形變受力面積，在垂直方向上桿塔結(jié)構(gòu)受力面積與水平方向受力面積呈線性關(guān)系增長。例如絕緣子、避雷器等設(shè)備的重量也將會對桿塔形變量產(chǎn)生巨大影響，設(shè)備高度與設(shè)備到桿塔形變出的相對高度可由《結(jié)構(gòu)風(fēng)工程》相關(guān)計算方法實現(xiàn)等比例系數(shù)變化。如表3所示為不同高度桿塔設(shè)備結(jié)構(gòu)面對不同風(fēng)壓的形變影響系數(shù)。

表3 影響形變因素系數(shù)表

由表中數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)高度與影響系數(shù)成正比關(guān)系，風(fēng)壓高度與影響系數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，根據(jù)表中的影響系數(shù)可以監(jiān)測出風(fēng)壓與結(jié)構(gòu)高度在可測量的情況下桿塔的形變量。

不同風(fēng)速下的導(dǎo)線舞動幅值監(jiān)測，隨著風(fēng)速的增大而增大，為了能夠更加精準(zhǔn)檢測導(dǎo)線舞動幅值，在自然條件下對三種差距較大的風(fēng)速進行舞動軌跡監(jiān)測，分別計算垂直幅值與水平幅值的相差值，考慮到電氣絕緣之間存在較大的間隙，中間產(chǎn)生的張力變化可能會影響桿塔形變，所以在監(jiān)測導(dǎo)線舞動幅值過程中需要將桿塔形變值導(dǎo)入監(jiān)測程序中。本文在不同季節(jié)監(jiān)測10 m/s、15 m/s、20 m/s三種風(fēng)速下的導(dǎo)線舞動狀態(tài)，獲取導(dǎo)線舞動垂直幅值分別為2.31 m、3.45 m、5.61 m，如圖8所示為三種風(fēng)速下的導(dǎo)線舞動軌跡圖。

圖8 三種風(fēng)速下的導(dǎo)線舞動軌跡圖

由圖8可知，不同風(fēng)速下的導(dǎo)線舞動幅值監(jiān)測，導(dǎo)線隨著風(fēng)速增大舞動幅值也逐漸增大，因此在不同環(huán)境下裝設(shè)具有不同抗風(fēng)度的微波干涉器監(jiān)測導(dǎo)線舞動幅度，監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

表4 導(dǎo)線舞動幅值監(jiān)測結(jié)果

4 實驗研究

為了驗證本文研究方法的有效性，應(yīng)用微波干涉技術(shù)實際應(yīng)用案例監(jiān)測效果與文獻[1]、文獻[2]中監(jiān)測效果相比較。我國東北平原地區(qū)桿塔以及導(dǎo)線受環(huán)境因素造成較明顯破壞，為此應(yīng)用此地區(qū)案例能夠凸顯實驗效果。

首先對此地區(qū)的桿塔與導(dǎo)線初始性能調(diào)查，保證桿塔與導(dǎo)線建設(shè)符合IEC 61968電力企業(yè)應(yīng)用集成、D476192電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通信應(yīng)用層協(xié)議，且微波干涉技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備在安裝規(guī)范中符合GB 50395—2007《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》、DL/T 547—2020《電力系統(tǒng)光纖通信運行管理規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，建設(shè)在桿塔上的監(jiān)測設(shè)備主要分為移動監(jiān)測設(shè)備與在線監(jiān)測設(shè)備，分別針對桿塔終端與數(shù)據(jù)控制終端，方便提供各類數(shù)據(jù)以及分析，運用微波干涉技術(shù)實現(xiàn)對桿塔形變及導(dǎo)線舞動幅值監(jiān)測的實驗步驟如下：

1）應(yīng)用傳統(tǒng)靜力學(xué)與動力學(xué)對導(dǎo)線進行拉力測試，并用公式修正固有頻率對導(dǎo)線舞動狀態(tài)的數(shù)據(jù)提取與計算，再應(yīng)用不同階段的固有頻率對桿塔形變完成階段測試，提出合理監(jiān)測擬合方法。

2）采集傳感器中形變數(shù)據(jù)以及導(dǎo)線舞動幅值，由導(dǎo)線的舞動頻率推算出導(dǎo)線的抗性與剛度，在理想狀態(tài)的繃緊導(dǎo)線可以由以下公式計算：

式中：T′——導(dǎo)線繃緊狀態(tài)張力；

m′——導(dǎo)線材質(zhì)密度；

l′——導(dǎo)線的舞動長度；

f′n——導(dǎo)線的固有頻率。

若導(dǎo)線剛度對導(dǎo)線舞動幅值監(jiān)測產(chǎn)生一定影響時，需要對剛度的應(yīng)力條件進行判斷，判斷條件為：

其中，E為導(dǎo)線彈性系數(shù)，I為導(dǎo)線舞動慣量。

3）最終還要考慮到導(dǎo)線垂度、環(huán)境溫度、設(shè)備質(zhì)量、桿塔高度等因素造成的適應(yīng)范圍內(nèi)影響。

在東北平原地區(qū)同時實施文獻[1]、文獻[2]中方法，對桿塔形變量以及導(dǎo)線舞動幅值進行監(jiān)測，本文方法應(yīng)用微波干涉技術(shù)對桿塔形變量以圖像擬合方式體現(xiàn)出來，其他兩種文獻以微波感應(yīng)方式體現(xiàn)，圖9為三種方法下的桿塔形變量監(jiān)測對比圖。

圖9 桿塔形變量監(jiān)測對比

根據(jù)圖中的桿塔形變精確度可知本文方法能夠更加精準(zhǔn)監(jiān)測桿塔產(chǎn)生的形變量，本文方法下的監(jiān)測精準(zhǔn)度至毫米，同等時間內(nèi)，本文方法能夠檢測到12次波頻，文獻[1]方法和文獻[2]方法分別為8次和3次，較其他方法波頻高1.5～4倍，還能夠體現(xiàn)出桿塔形變中彈性模量與截面慣性矩產(chǎn)生的形變特征。

實驗還比較了三種方法的導(dǎo)線舞動幅值監(jiān)測結(jié)果，如圖10所示為三種方法下對導(dǎo)線幅值監(jiān)測對比結(jié)果。

圖10 導(dǎo)線幅值監(jiān)測對比結(jié)果

由圖可知本文方法可以對導(dǎo)線舞動幅值進行更加細微的監(jiān)測，例如在0～10 Hz振動頻率下本文方法監(jiān)測幅值精準(zhǔn)度為-40～-10 dB，而文獻[1]、文獻[2]方法監(jiān)測精準(zhǔn)度在-80～0 dB，由此可見所提方法優(yōu)于文獻方法。

5 結(jié)束語

導(dǎo)線舞動以及桿塔形變嚴(yán)重影響正常輸電線路運行，為保障輸電線路的正常運行，本文應(yīng)用微波干涉技術(shù)對桿塔形變及導(dǎo)線舞動幅值監(jiān)測進行研究，分析架空線路上的監(jiān)測設(shè)備與微波監(jiān)測的關(guān)系，獲取導(dǎo)線張力、桿塔負載等參數(shù)，完成導(dǎo)線預(yù)測，分析影響形變因素系數(shù)，得出導(dǎo)線舞動的幅值，實現(xiàn)較精準(zhǔn)的監(jiān)測。設(shè)計的監(jiān)測方法能夠為不良氣候下輸電線路的正常運行提供幫助，為導(dǎo)線舞動的監(jiān)測與控制提供一定理論依據(jù)。