输电线路覆冰在线监测动态预警模型 董绍春

发表时间:2018/6/5   来源:《电力设备》2018年第2期   作者:董绍春
[导读] 摘要:随着全球异常恶劣气候频发,因极端天气引起的电网覆冰灾害不断加剧,输电线路覆冰影响范围也日趋扩大,轻则可造成闪络跳闸,严重时会引起金具损坏、倒塔断线等危害。

        (蒙古电力勘测设计院有限责任公司  内蒙古呼和浩特  010020)
        摘要:随着全球异常恶劣气候频发,因极端天气引起的电网覆冰灾害不断加剧,输电线路覆冰影响范围也日趋扩大,轻则可造成闪络跳闸,严重时会引起金具损坏、倒塔断线等危害。为了提高电力行业应对灾情和紧急事故时的反应能力和抗风险能力,一方面电力行业加强研究线路覆冰形成机理和有效的防冰除冰融冰方法,另一方面要积极开展覆冰的在线监测、预警和诊断方法的研究,它可有效地将线路覆冰故障遏制在萌芽状态。文章重点就输电线路覆冰在线监测动态预警模型进行研究分析,以供参考和借鉴。
        关键字:输电线路;覆冰;监测;动态预警模型
        引言
        我国大部分地区位于寒带,覆冰积雪是美丽的自然景观,这是一种分布相当广泛的自然现象。但对于输电线路来说,则是自然灾害。输电线路覆冰可引起导线舞动、杆塔倾斜倒塌、断线及绝缘子闪络等问题,要减轻导线覆冰带来的危害,在新建线路时,首先要充分掌握该地区的冰雪情况,并仔细研究输电走廊的微气候、微地形,尽量避开重冰区,无法避免时,应在重冰区采取抗冰设计。对重冰区超高压线路的设计、运行以及提高整个电力系统的安全可靠性具有重要的实际意义和指导作用。
        1影响输电线路覆冰的因素分析
        第一,气象因素。输电线路覆冰主要发生在11月至次年3月间,尤其在入冬和倒春寒时覆冰发生的频率最高;第二,海拔高程因素。就同一个地区来说,一般海拔高程愈高,愈易覆冰,覆冰也愈厚,且多为雾凇;海拔高程较低处,其冰厚虽较薄,但多为雨凇或混合冻结;第三,线路走向及悬挂高度因素。东西走向的导线覆冰普遍较南北走向的导线覆冰严重。因为冬季覆冰天气大多为北风或西北风,所以在严重覆冰地段选择线路走廊时,应尽量避免导线呈东西走向;第四,导线直径因素。在常见的小于或等于8m/s的风速下,直径小于或等于4cm的导线,相对较粗的导线的单位长度覆冰量比相对较细的导线重;对于直径大于4cm的导线,单位长度覆冰重量反比较细的导线轻;在大于8m/s的较大风速下,对于任何直径的导线,导线越粗覆冰越重,但覆冰厚度随导线直径的增加而减小。
        2输电线路覆冰在线监测动态预警模型
        2.1机理分析
        2.1.1温度和湿度
        当环境温度在冰点附近时,若空气相对湿度越大,那么过冷却水滴就越多,云雾天气在这种情况下极易形成,此时大大提高了过冷却水滴与导线碰撞概率,在导线表面凝结成雾凇或雨凇。根据国内某科研单位对鄂西地区1953-1974年间导线覆冰速度、发生次数与温度之间关系,得到覆冰在−1℃和−5℃时覆冰发生概率最大,温度在0℃覆冰增长速度最快,达到5mm/h。
        2.1.2风速
        当温度和湿度条件具备后,风速对导线覆冰起着重要的作用。风能够将大量的过冷却水滴源源不断地输向架空输电线路,与导线碰撞,被导线捕获后而逐步加速覆冰。根据相关导线覆冰的数据统计资料显示,在风速<3m/s时,导线覆冰速度与风速成正比;导线覆冰最快时风速为3~6m/s;当风速>6m/s,导线覆冰速度与风速成反比。
        2.1.3风向
        除了以上分析的温度、湿度和风速对覆冰产生影响外,导线覆冰过程与风向也有密切的关系。当风向与线路导线垂直或风与导线之间的夹角 >450或 <1500时,覆冰比较严重;若风向与导线平行时或 <450或 >1500时,覆冰较轻。覆冰成灾是一个慢变的过程,是多因数耦合作用的综合结果,因此对实时监测的参数要求时间精度不高,但是需要一个慢变的趋势分析和汇总,现有的监测手段和方式为此提供了足够完全的基本采样信息。
        2.2数据来源分析
        随着现代电力企业自动化水平不断提高,为建立高效的应急预警系统提供了一定的条件。动态预警监测主要是获取必要的、实时的信息提供给预警模型,能够及时全面的反映出电网所面临的安全隐患,其中预警监测主要有以下信息来源,见图1。
        第一,通过安装在架空输电线路上的覆冰在线监测、视频图像监测、微气象在线监测装置获取当前线路的实时环境信息和线路走廊情况;第二,从气象监测部门获取与电力部门所管辖区域的实时和预测的气温、降雨强度、降雪量、风速、降雪强度、闪雷频率、风力、风向、降雨量等信息;第三,通过专设的观冰站获取覆冰基础数据,观冰站是区域性测站,是为长期积累区域覆冰基础数据而设立的人工监测站,满足覆冰研究或为线路设计冰区划分提供数据支撑,它可以更精确在反映线路所处的自然环境状况;第四,通过巡线工作人员现场实地的观察,记录线路走廊的环境信息和线路运行状况,为数据的收集提供第一手实地资料。


         图1覆冰环境信息来源
        2.3动态预警模型研究
        2.3.1趋势预警
        趋势预警是结合易形成覆冰的气象条件,通过关键风险因子4个参数的阈值设定,制定覆冰趋势预警模型,具体如下:第一,3级预警。当温度满足在0℃~−5℃左右以及雨量条件或者空气相对湿度(H)致使H>85%时,启动趋势3级预警模式,提醒工作人员注意该监测装置附近达到易形成覆冰的气象条件,需要随时跟踪气象情况,以免恶化;第二,2级预警。当温度和湿度满足覆冰条件时,通过监测装置发送的瞬时风速和10min平均风速判断是否满足 >4m/s或 >4m/s,若满足条件,那么启动趋势2级预警模式,提醒工作人员此时的环境极易形成覆冰,切不可掉以轻心,应注意密切观察;第三,1级预警。当温度、相对湿度和风速均满足条件时,若瞬时风向或10min平均风向满足F>450或F<1500时,启动趋势一级预警模式,提醒工作人员需要进行现场巡视确认是否已形成覆冰,或通过覆冰监测装置的覆冰厚度观察覆冰情况。
        2.3.2实时预警
        实时预警根据覆冰预警阈值,制定覆冰实时预警模型。详细如下:第一,3级预警。通过监测装置监测得到导线的A、B、C三相覆冰厚度及地线覆冰厚度4个参数,取其中最严重的值与设计覆冰厚度做比较,若 <0.4,则可认为线路运行处于安全状态,若 在0.4~0.5范围内则认为线路运行启动实时3级预警机制,此时线路处于轻覆冰情况,提醒工作人员需要对该段线路进行实时监控;第二,2级预警。若 在0.5~0.6范围内则认为线路运行启动实时2级预警机制,此时线路处于中度覆冰情况,提醒工作人员需要通过现场观察或巡检等措施详细掌握现场的情况,以免事故发生;第三,1级预警。若 >0.6则认为线路运行启动实时1级预警机制,此时线路处于重度覆冰情况,属于红色预警状态,需要及时采取应急措施,例如申请线路直流融冰方式,以免造成断线或者倒塔等严重事故。
        结束语
        综上所述,目前输电线路覆冰预警模型大多以积累的历史数据为支撑,无法很好的体现预警的实时性。本文的研究成果在国内某运检分公司应用的实际意义在于验证此模型的可行性,并提高此模型的可操作性。
        参考文献:
        [1]刘捷,戴睿,马枚,杨俊杰.基于ZigBee技术的输电线路覆冰在线监测系统设计[J].上海电力学院学报,2017,33(06):568-572.
        [2]樊汝森.基于无线传感器网络的输电线路覆冰监测系统设计[D].上海电力学院,2015.
 

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