一種基于弱磁探測的直流架空輸電線路弧垂和應力監測方法
【技術領域】
[0001] 本發明是一種基于弱磁探測的直流架空輸電線路弧垂和應力監測方法，涉及輸電 線路監測領域。
【背景技術】
[0002] 我國輸電線路成網絡狀結構分布，分支多，且多數地區地形環境紛繁復雜，容易受 到氣象環境的影響，線路故障率較高，更兼沿途地勢多變，難以查找。因此對輸電線路的狀 態進行實時監測是實現電力系統穩定運行的重要保證，但由于受到某些技術條件的限制， 目前還沒有高精度的線路狀態實時監測裝置。故一旦線路出現故障，需要人工沿線查找，增 加了故障排查的難度和時間，而利用配網自動化系統能夠實現故障的自動定位，但成本太 大，難以推廣。因此對輸電線路的弧垂、應力進行實時監測和分析，能及時發現線路缺陷和 隱患，可提高輸電線路運行的可靠性。

【發明內容】

[0003] 本發明提供一種基于弱磁探測的直流架空輸電線路弧垂和應力監測方法，通過弱 磁探測技術，結合無線通訊技術，將磁傳感器采集到的磁信號上傳到監控終端，再通過計算 機編程對線路弧垂和應力進行實時計算，從而實現簡易快速的發現故障、排除故障，為整個 電力系統運行提供安全可靠的電力傳輸。
[0004] 本發明所采用的技術方案是：
[0005] -種基于弱磁探測的直流架空輸電線路弧垂和應力監測方法，在桿塔上選擇多個 探測點并安置磁傳感器，利用輸電線空間磁場的分布特點，在相應的坐標系中，得到每一根 輸電線在每一個探測點處產生的磁場分量與輸電線弧垂的擬合線性方程式；在此基礎上通 過坐標變換和磁場疊加原理，并用差分的方法構建一個非齊次線性方程組，即可求解塔兩 側輸電線的弧垂與輸電線的水平應力，并最終求解出輸電線上任意一點的應力大小，從而 實現對輸電線弧垂和應力的實時監測，提高輸電線路運行的可靠性。
[0006] -種基于弱磁探測的直流架空輸電線路弧垂和應力監測方法，包括以下步驟：
[0007] 任意選取相鄰位置的三個桿塔，分別標記為0號塔、1號塔和2號塔。
[0008] 步驟一：對0號塔和1號塔之間的輸電線建立tZ'坐標系，其中tZ' 平面平行于輸電線所在的平面，X'軸方向平行于兩桿塔的垂直連線方向；對于1號塔和2 號塔之間的輸電線建立XYZ坐標系，并測量得到相應輸電線左懸掛點在各自坐標系中的坐 標，以及三個桿塔的相關參數；
[0009] 步驟二：在1號桿塔上靠近懸掛點的地方選擇探測點，探測點的數量大于桿塔一 側的輸電線數量，利用輸電線空間磁場的計算公式，在相應的坐標系中，計算得到每一根輸 電線在每一個探測點處產生的的X'(或X)磁場分量和Y'(或Y)磁場分量與輸電線弧 垂的擬合線性方程式；通過坐標變換和磁場疊加原理，得到每個探測點在XYZ坐標系中X方 向和Y方向磁感應強度分量與1號桿塔兩側輸電線弧垂之間的線性方程式，然后對所有的 線性方程兩兩差分，建立一個含有輸電線弧垂的非齊次線性方程組；
[0010] 步驟三：在探測點所在位置處安置磁傳感器，通過定標使磁傳感器測量到的磁信 號即為探測點處的磁信號，并使所有磁傳感器矢量探測方位與ΧΥΖ坐標系保持一致；
[0011] 步驟四：對桿塔上磁傳感器探測到的X方向和Υ方向的磁感應強度分量進行實時 讀取，代入步驟二中得到的非齊次線性方程組中，最終求出1號桿塔兩側懸掛的輸電線的 弧垂；
[0012] 步驟五：將計算得到的弧垂值代入輸電線方程成立的條件，通過計算機編程求出 輸電線的懸鏈系數和截距，在不同的氣象條件下求解輸電線的比載，利用懸鏈系數與水平 應力的關系式，求解出輸電線的水平應力，然后利用輸電線上任意一點的應力公式最終計 算出輸電線上每一點的應力大小。
[0013] 由于需要對磁傳感器的信號進行兩兩差分以消除地磁場的影響，以及每個磁傳感 器可建立X方向和Υ方向磁感應強度分量與桿塔兩側輸電線弧垂之間的線性方程式，為了 保證最終得到的非齊次線性方程組中方程的數量大于所求輸電線弧垂的個數，故所述磁傳 感器數量應大于桿塔一側的輸電線數量。
[0014] 所述磁傳感器為雙軸磁傳感器或三軸磁傳感器，由于對輸電線建立的坐標系相對 固定，為了能夠通過磁傳感器探測到的磁信號，來獲得坐標系下不同探測點的t(或X)和 Y'(或Y)方向的磁場分量，故要求同一桿塔上安裝的磁傳感器的空間方位保持一致或呈 定量的幾何關系。
[0015] 為了消除地磁場的影響，可增加磁傳感器的數量，利用差分原理，把磁傳感器輸出 的同方向信號兩兩相減。磁傳感器的數量大于桿塔兩側輸電線數量。
[0016] 本發明是一種基于弱磁探測的直流架空輸電線路弧垂和應力監測方法，技術效果 如下：
[0017] 1)、本發明通過弱磁探測技術，結合無線通訊技術，將磁傳感器采集到的磁信號上 傳到監控終端，再通過計算機技術對線路弧垂和應力進行實時計算，從而實現簡易快速的 發現故障、排除故障，為整個電力系統運行提供安全可靠的電力傳輸。
[0018] 2)、此發明采用弱磁探測方法，來實現對直流架空輸電線路弧垂和應力的實時監 測，具有測量數據直接可靠、高靈敏度、抗干擾能力強、測量精度較高、定位準確和實時遠程 監控等顯著優點。
[0019] 3)、本發明將為目前正在服役和即將建設的高壓、超高壓直流輸變電系統提供第 一道防御，提早預防發生大面積電網癱瘓，保護人身、設備安全，為社會經濟發展提供有力 保障，其社會效益巨大。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明中懸掛點不等高時，輸電線方程各參數示意圖。
[0021] 圖2是本發明中輸電線弧垂與探測點磁場分量的擬合曲線示意圖（弧垂變化間隔 0·lm)〇
[0022] 其中圖2(1)表示探測點X方向磁場分量與輸電線弧垂的擬合曲線。
[0023] 其中圖2(2)表示探測點Y方向磁場分量與輸電線弧垂的擬合曲線。
[0024] 其中圖2(3)表示探測點Z方向磁場分量與輸電線弧垂的擬合曲線。
[0025] 其中圖2(4)表示探測點總的磁場大小與輸電線弧垂的擬合曲線。
[0026] 圖3是本發明中輸電線弧垂與探測點磁場分量的擬合曲線示意圖（弧垂變化間隔 0· 01m)。
[0027] 其中圖3(1)表示探測點X方向磁場分量與輸電線弧垂的擬合曲線。
[0028] 其中圖3(2)表示探測點Y方向磁場分量與輸電線弧垂的擬合曲線。
[0029] 其中圖3(3)表示探測點Z方向磁場分量與輸電線弧垂的擬合曲線。
[0030] 其中圖3(4)表示探測點總的磁場大小與輸電線弧垂的擬合曲線。
[0031] 圖4是本發明中單回路三線直流架空輸電線路弧垂求解示意圖。
[0032] 圖5是本發明中轉角輸電線在XYZ坐標系中磁場分量求解示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 一種基于弱磁探測的直流架空輸電線路弧垂和應力監測方法，在桿塔上選擇多個 探測點并安置磁傳感器，利用輸電線空間磁場的分布特點，在相應的坐標系中，得到每一根 輸電線在每一個探測點處產生的磁場分量與輸電線弧垂的擬合線性方程式；在此基礎上通 過坐標變換和磁場疊加原理，并用差分的方法構建一個非齊次線性方程組，即可求解所有 輸電線的弧垂與輸電線的水平應力，并最終求解出輸電線任意一點的應力大小，從而實現 對輸電線弧垂和應力的實時監測，提高輸電線路運行的可靠性。
[0034] 一種基于弱磁探測的直流架空輸電線路弧垂和應力監測方法，【具體實施方式】見圖 4,共分五個步驟完成。
[0035] 任意選取相鄰位置的三個桿塔，分別標記為0號塔、1號塔和2號塔。
[0036] 步驟一：對0號塔和1號塔之間的輸電線建立)Γ Z'坐標系，其中t Z'平 面平行于輸電線所在的平面，X'軸方向平行于兩桿塔的垂直連線方向，按同樣的方法，對 于1號塔和2號塔之間的輸電線建立XYZ坐標系，并測量得到相應輸電線左懸掛點在各自 坐標系中的坐標，以及3個桿塔的相關參數如檔距、檔距內高差和轉角。
[0037] 步驟二：在1號桿塔上靠近懸掛點的地方選擇探測點，探測點的數量大于桿塔一 側的輸電線數量。利用輸電線空間磁場的計算公式，在相應的坐標系中，通過MATLAB編程 計算得到每一根輸電線在每一個探測點處產生的X'(或X)分量和Y'(或Y)分量磁場 與輸電線弧垂的擬合線性方程式。通過坐標變換和磁場疊加原理，得到每個探測點X方向 和Y方向磁感應強度分量與所有輸電線弧垂之間的線性方程式，然后對所有的線性方程兩 兩差分，建立一個含有輸電線弧垂的非齊次線性方程組。
[0038] 步驟三：在探測點所在位置處安置高精度矢量磁傳感器，通過定標使傳感器測量 到的磁信號即為探測點處的磁信號，并使所有磁傳感器矢量探測方位與XYZ坐標系保持一 致。
[0039] 步驟四：對1號桿塔上所有磁傳感器探測到的X方向和Y方向的磁感應強度分量 進行實時讀取，代入步驟二中得到的非齊次線性方程組中，最終求出1號桿塔兩側輸電線 的弧垂。
[0040] 步驟五：將計算得到的弧垂值代入輸電線方程成立的條件，通過計算機編程求出 輸電線的懸鏈系數和截距，在不同的氣象條件下求解輸電線的比載，利用懸鏈系數與水平 應力的關系式，求解出輸電線的水平應力，然后利用輸電線上任意一點的應力公式最終計 算出輸電線上每一點的應力大小。
[0041] 實施例：
[0042] 1、架空輸電線路的數學模型：
[0043] 輸電線路實質上是一種懸鏈線，它在不同的氣候條件下，會有不同的弧垂特性。通 常任何材料包括輸電線在內，都具有一定的剛性，但由于懸掛在桿塔上的輸電線相對較長， 因此輸電線材料的剛性對其幾何形狀的影響很小。另外在工程實際中，由于受制于地形等 多方面因素，架空輸電線路的兩端懸掛點大多數是不等高的，這種情況在山區、丘陵地帶比 較普遍。
[0044] 在圖1所示的XYZ坐標系中（XZ平面與輸電線所在平面平行，X軸方向平行于輸 電線最低點的切線方向），設輸電線左懸掛點A在此坐標系下的坐標為（xA，yA，zA)。利用工 程力學的方法可推導出兩側懸掛點不等高時的架空輸電線方程為：
[0046] 式中1為兩桿塔之間的垂直距離即檔距，c為輸電線最小弧垂（文中簡稱弧垂），d為A點與輸電線最低點在X方向的投影距離即截矩，h為輸電線兩端懸掛點的高度差即檔 距內尚差，且規定懸掛點左低右尚時h>0,而左尚右低時h〈0,a為輸電線的懸鏈系數，且
[0048] 其中γ為輸電線比載，〇。為輸電線最低點應力即水平應力。
[0049] 2、直流架空輸電線路空間磁場的計算：
[0050] 設輸電線載流為I，在（1)式中，令X=t，可得輸電線參數方