本發(fā)明關(guān)于電力系統(tǒng)的架空輸電線路監(jiān)測(cè)技術(shù)，具體是一種架空輸電線路舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：架空輸電線舞動(dòng)是覆冰架空輸電線在相對(duì)穩(wěn)定風(fēng)的激勵(lì)下產(chǎn)生的流固耦合非線性振動(dòng)。覆冰架空輸電線舞動(dòng)頻率較低，范圍多在0.1～3hz之間。大部分舞動(dòng)的形態(tài)以單個(gè)或多個(gè)半波的豎向舞動(dòng)為主。然而實(shí)際線路中的覆冰架空輸電線舞動(dòng)多存在偏心現(xiàn)象以及不同運(yùn)動(dòng)方向間的氣動(dòng)耦合效應(yīng)，輸電線路發(fā)生豎向舞動(dòng)同時(shí)往往伴隨有較為顯著的水平向和扭轉(zhuǎn)向舞動(dòng)，因此舞動(dòng)軌跡形狀多為在垂直線路走向平面內(nèi)的橢圓。大幅舞動(dòng)所致的動(dòng)張力對(duì)輸電線路危害極大，容易造成混線短路、閃絡(luò)跳閘、懸垂絕緣子線夾滑移、線路金具磨損、間隔棒斷裂和引流線與跳線串分離，在某些特定冬季季風(fēng)的影響下，舞動(dòng)持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)日或數(shù)十日，輕則導(dǎo)致橫擔(dān)扭曲、架空輸電線及引流線斷裂、輸電桿塔構(gòu)件失穩(wěn)，重則引發(fā)構(gòu)件疲勞失效和倒塔等惡性事故，架空輸電線舞動(dòng)成為威脅架空輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。20世紀(jì)30年代以來(lái)，一些學(xué)者對(duì)架空輸電線舞動(dòng)機(jī)理、舞動(dòng)規(guī)律做了大量的研究，提出了多種舞動(dòng)機(jī)理學(xué)說(shuō)，包括denhartog的垂直舞動(dòng)機(jī)理、o.nigol的扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)機(jī)理、p.yu的偏心慣性耦合失穩(wěn)機(jī)理、陣風(fēng)誘發(fā)機(jī)理等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)架空輸電線的舞動(dòng)也做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，提出了一些有效的并已在工程實(shí)踐中得到運(yùn)用的防舞措施。隨著全球環(huán)境及氣候變化，我國(guó)輸電線路舞動(dòng)問(wèn)題越發(fā)突出，2009年年末至2010年年初，全國(guó)600多條線路發(fā)生舞動(dòng)。因此，實(shí)時(shí)獲取架空輸電線舞動(dòng)情況是十分必要的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種架空輸電線路舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種架空輸電線路舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：步驟1、在架空輸電線端部串接拉力傳感器和角度傳感器，分別監(jiān)測(cè)架空輸電線動(dòng)張力和風(fēng)攻角，并通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)終端；步驟2、將架空輸電線各計(jì)算參量歸算到風(fēng)偏平面內(nèi)，運(yùn)用線長(zhǎng)法逆推出舞動(dòng)幅值；步驟3、根據(jù)橢圓形覆冰架空輸電線的基本參數(shù)，建立橢圓形覆冰架空輸電線模型；步驟4、定義遠(yuǎn)離架空輸電線的邊界，架空輸電線固壁和這個(gè)邊界之間構(gòu)成一塊流動(dòng)的圓形計(jì)算區(qū)域，在圓形計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格；步驟5、根據(jù)架空輸電線覆冰厚度、風(fēng)速、風(fēng)攻角，計(jì)算獲得各個(gè)氣動(dòng)力系數(shù)的時(shí)程曲線，再求得時(shí)程穩(wěn)定后若干周期的氣動(dòng)力系數(shù)的平均值；步驟6、根據(jù)計(jì)算所得的氣動(dòng)阻力系數(shù)的時(shí)程曲線、升力系數(shù)的時(shí)程曲線以及扭矩系數(shù)的時(shí)程曲線分別進(jìn)行擬合，獲得覆冰架空輸電線所受的氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力和扭矩。所述的橢圓形覆冰架空輸電線的基本參數(shù)，包括：檔距、懸掛點(diǎn)高差、截面積、單位長(zhǎng)度質(zhì)量、綜合彈性模量、架空輸電線最低點(diǎn)平均運(yùn)行應(yīng)力。所述步驟4，具體包括：步驟4.1、定義遠(yuǎn)離架空輸電線的邊界；步驟4.2、確定架空輸電線固壁和這個(gè)邊界之間構(gòu)成一塊流動(dòng)的圓形計(jì)算區(qū)域；步驟4.3、選擇非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在圓形計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格，為使靠近架空輸電線中心的圓形計(jì)算區(qū)域計(jì)算更加精確，對(duì)架空輸電線中心區(qū)域的網(wǎng)格采用局部加密。所述各個(gè)氣動(dòng)力系數(shù)的時(shí)程曲線包括：氣動(dòng)阻力系數(shù)的時(shí)程曲線、升力系數(shù)的時(shí)程曲線以及扭矩系數(shù)的時(shí)程曲線。所述步驟6中采用三次多項(xiàng)式方程來(lái)擬合氣動(dòng)力系數(shù)，三次多項(xiàng)式方程如下：ci＝ci3α3+ci2α2+ci1α+ci0式中，ci為阻力系數(shù)、升力系數(shù)或扭矩系數(shù)，ci3、ci2、ci1、ci0為常系數(shù)，α為風(fēng)攻角，下標(biāo)i可以為d、l或m，分別表示阻力系數(shù)、升力系數(shù)或扭矩系數(shù)；三次多項(xiàng)式方程通過(guò)聯(lián)立求解，分別得到阻力系數(shù)、升力系數(shù)、扭矩系數(shù)與風(fēng)攻角α之間關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式，進(jìn)而獲得覆冰架空輸電線所受的氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力和扭矩。有益效果：本發(fā)明以線路端部張力傳感器和角度傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)為基本參量，結(jié)合線路的自身參數(shù)，針對(duì)架空輸電線路舞動(dòng)特性，引入等效軸向張力并考慮風(fēng)偏因素，基于線長(zhǎng)法逆推出舞動(dòng)幅值，再通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到氣動(dòng)力系數(shù)，從而完成架空輸電線路舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)，較好地反映出覆冰架空輸電線舞動(dòng)的特性。通過(guò)仿真證明本方法的可行性，滿足輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)的需要，對(duì)輸電線路的運(yùn)行維護(hù)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的架空輸電線路舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法流程圖；圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的架空輸電線最大舞動(dòng)幅值處的位移曲線圖；圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的橢圓形覆冰架空輸電線模型圖；圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例的橢圓形覆冰架空輸電線圓形計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖；圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例的覆冰架空輸電線三個(gè)氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比圖；圖6為本發(fā)明一種實(shí)施例的架空輸電線初始模型圖和架空輸電線覆冰后模型圖，其中，(a)為架空輸電線初始模型圖；(b)為架空輸電線覆冰后模型圖；圖7為本發(fā)明一種實(shí)施例的架空輸電線最大振幅處位移對(duì)比圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明一種實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明實(shí)施例中，架空輸電線路舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法流程如圖1所示，包括以下步驟：步驟1、在架空輸電線端部串接拉力傳感器和角度傳感器，降低設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本，分別監(jiān)測(cè)架空輸電線動(dòng)張力和風(fēng)攻角，并通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)終端；步驟2、將架空輸電線各計(jì)算參量歸算到風(fēng)偏平面內(nèi)，運(yùn)用線長(zhǎng)法逆推出舞動(dòng)幅值；架空輸電線風(fēng)偏后必然位于風(fēng)偏平面，將架空輸電線各計(jì)算參量(動(dòng)張力、檔距、懸掛點(diǎn)高度)歸算到風(fēng)偏平面內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)舞動(dòng)的研究成果，再運(yùn)用線長(zhǎng)法逆推出舞動(dòng)幅值；本發(fā)明實(shí)施例中，架空輸電線基本參數(shù)見(jiàn)表1，架空輸電線舞動(dòng)時(shí)氣象條件以及舞動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表2。表1架空輸申線基本參數(shù)表2架空輸電線舞動(dòng)時(shí)氣象條件以及舞動(dòng)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的舞動(dòng)張力隨平均風(fēng)速的變化曲線，估測(cè)此例舞動(dòng)中架空輸電線產(chǎn)生的最大張力約為靜態(tài)張力的1.5倍。計(jì)算出架空輸電線舞動(dòng)幅值最大處的位移如圖2所示，主要舞動(dòng)階次為3，單峰舞動(dòng)幅值為5.196m。步驟3、根據(jù)橢圓形覆冰架空輸電線的基本參數(shù)，采用gambit軟件建立橢圓形覆冰架空輸電線模型；所述的橢圓形覆冰架空輸電線的基本參數(shù)，見(jiàn)表1，包括：檔距、懸掛點(diǎn)高差、截面積、單位長(zhǎng)度質(zhì)量、綜合彈性模量、架空輸電線最低點(diǎn)平均運(yùn)行應(yīng)力。步驟4、定義遠(yuǎn)離架空輸電線的邊界，架空輸電線固壁和這個(gè)邊界之間構(gòu)成一塊流動(dòng)的圓形計(jì)算區(qū)域，在圓形計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格；所述步驟4，具體包括：步驟4.1、定義遠(yuǎn)離架空輸電線的邊界：設(shè)置覆冰架空輸電線半徑的10倍左右的物理域作為繞流的外邊界；設(shè)置計(jì)算區(qū)域外圓的左邊界為速度入口邊界條件；外圓右邊界設(shè)為出流邊界，覆冰架空輸電線截面設(shè)定為無(wú)滑移邊界條件；步驟4.2、確定架空輸電線固壁和這個(gè)邊界之間構(gòu)成一塊流動(dòng)的圓形計(jì)算區(qū)域；步驟4.3、選擇非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在圓形計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格，為使靠近架空輸電線中心的圓形計(jì)算區(qū)域計(jì)算更加精確，對(duì)架空輸電線中心區(qū)域的網(wǎng)格采用局部加密。本發(fā)明實(shí)施例中，橢圓形覆冰架空輸電線模型和圓形計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分分別如圖3、圖4所示，風(fēng)速u為10m/s，架空輸電線直徑d為28.6mm，覆冰厚度d為15.8mm。步驟5、根據(jù)架空輸電線覆冰厚度、風(fēng)速、風(fēng)攻角，計(jì)算獲得各個(gè)氣動(dòng)力系數(shù)的時(shí)程曲線，再求得時(shí)程穩(wěn)定后若干周期的氣動(dòng)力系數(shù)的平均值如表3所示；各個(gè)氣動(dòng)力系數(shù)的時(shí)程曲線包括：氣動(dòng)阻力系數(shù)的時(shí)程曲線、升力系數(shù)的時(shí)程曲線以及扭矩系數(shù)的時(shí)程曲線。步驟6、根據(jù)計(jì)算所得的氣動(dòng)阻力系數(shù)的時(shí)程曲線、升力系數(shù)的時(shí)程曲線以及扭矩系數(shù)的時(shí)程曲線分別進(jìn)行擬合，獲得覆冰架空輸電線所受的氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力和扭矩；氣動(dòng)阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及扭矩系數(shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別如表3和表4所示，對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及扭矩系數(shù)這三個(gè)氣動(dòng)力系數(shù)分別進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，可獲得覆冰導(dǎo)線所受的氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力和扭矩。風(fēng)攻角選取0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°這12個(gè)角度。表3橢圓形覆冰架空輸電線三分力系數(shù)數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)表4橢圓形覆冰架空輸電線三分力系數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)風(fēng)攻角(℃)氣動(dòng)阻力系數(shù)cd升力系數(shù)cm扭矩系數(shù)cl00.7730.799-0.530150.6750.7510.108300.6421.0901.690451.4431.3001.140602.2101.2210.543751.9861.149-0.150902.1000.895-0.4611052.1040.82001202.2780.160-0.0221352.108-0.7020.2801501.990-0.6000.4001651.810-0.2980.497數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線如圖5所示，橢圓形覆冰架空輸電線的氣動(dòng)力特性的數(shù)值模擬所得氣動(dòng)力系數(shù)曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得曲線完全一致，數(shù)值上存在一定誤差，不過(guò)誤差很小，說(shuō)明本發(fā)明對(duì)氣動(dòng)力特性的數(shù)值模擬可以較精確的模擬導(dǎo)線的氣動(dòng)特性。步驟6中采用三次多項(xiàng)式方程來(lái)擬合氣動(dòng)力系數(shù)，以獲得其解析解，三次多項(xiàng)式方程如下：ci＝ci3α3+ci2α2+ci1α+ci0式中，ci為阻力系數(shù)、升力系數(shù)或扭矩系數(shù)，ci3、ci2、ci1、ci0為常系數(shù)，α為風(fēng)攻角，下標(biāo)i可以為d、l或m，分別表示阻力系數(shù)、升力系數(shù)或扭矩系數(shù)。三次多項(xiàng)式方程通過(guò)表3中數(shù)據(jù)聯(lián)立求解，分別得到阻力系數(shù)、升力系數(shù)、扭矩系數(shù)與風(fēng)攻角α之間關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式：結(jié)合下式代入阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)可以獲得覆冰架空輸電線所受的氣動(dòng)升力fl、氣動(dòng)阻力fd和扭矩fm。式中，d為架空輸電線直徑，u為風(fēng)速，ρ為空氣密度。本實(shí)施例中，采用ansys有限元軟件選用link10單元對(duì)架空輸電線進(jìn)行有限元建模，設(shè)置單元的初應(yīng)變，劃分網(wǎng)格，進(jìn)行靜力分析，加載得到架空輸電線的初始位形；在架空輸電線模型上設(shè)置beam188單元模型覆冰，通過(guò)與索單元共用的節(jié)點(diǎn)建立覆冰單元，并設(shè)置覆冰單元圓環(huán)形截面，加載獲得氣動(dòng)力荷載；將獲得的氣動(dòng)力荷載添加在已覆冰的架空輸電線模型上，使用完全法進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，獲得架空輸電線舞動(dòng)頻率、舞動(dòng)時(shí)架空輸電線最大張力差、架空輸電線舞動(dòng)幅值。beam188單元需要設(shè)置應(yīng)力剛度，分析時(shí)需要通過(guò)nlgeom命令予以打開。冰的材料參數(shù)如下：彈性模量e＝10gpa，泊松比y＝0.3，阻尼比取0.01，密度ρ＝900kg/m，覆冰前模型如圖6(a)所示，覆冰后模型如圖6(b)所示。獲得舞動(dòng)相關(guān)參數(shù)：架空輸電線舞動(dòng)頻率為f＝0.37hz，主要舞動(dòng)階次n＝1，舞動(dòng)時(shí)架空輸電線最大張力差為t＝18530n，架空輸電線舞動(dòng)幅值為f＝0.62m。模型計(jì)算主要舞動(dòng)階次為1，單峰舞動(dòng)幅值為0.74m。利用數(shù)值仿真結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，如圖7所示?？芍景l(fā)明能較好地反映出架空輸電線舞動(dòng)的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)舞動(dòng)架空輸電線的在線監(jiān)測(cè)。當(dāng)前第1頁(yè)12