基于电场传感的输电线路弧垂测量研究

基于电场传感的输电线路弧垂测量研究

李志升  孙强

乌兰察布供电公司, 内蒙古 乌兰察布 011800

摘要：传统接触式测量方法可能会受到导体电磁干扰的影响，而非接触式测量方法与被测对象无直接电接触，更具有便携性和灵活性。输电线路的物理世界与信息世界的转换，需要通过相应的传感测量元件来实现。大多数传感器通过测量磁场变化获得感知信息，而易忽视电场变化及其干扰影响。然而，输电线路磁场易受周围环境的干扰，而电场则相对恒定，不易受环境、气象等因素的影响，更易进行传感监测。因此，基于非接触式电场传感的弧垂测量技术成为了建设和优化智能电网运行体系的重要研究内容。

关键词：电场传感；输电线路；弧垂测量

1输电线路弧垂的概念

弧垂是输电线路中重要的参数之一，是反映线路状态的关键参数。弧垂定义为输电线路上一点到两端支撑悬挂点连线的垂直距离。同时，弧垂也分为很多种类，包括中心点弧垂、最低点弧垂和最大弧垂。其中最重要的是最大弧垂，我们所说的弧垂一般就是指最大弧垂，在绝大多数弧垂测量中，最大弧垂一直是人们关注的重点，通常情况下可以近似认为档距的中心点弧垂就是最大弧垂。弧垂数据从线路建设开始便在工程中设定好，但随着时间推移、环境影响和输送容量的增加，弧垂必须要保持在一个限定范围内，才可以确保输电线路安全稳定地运行。影响弧垂大小的因素有很多，包括输电线路的温度、系统的传输容量、输电线的覆冰情况、输电线两端悬挂点的应力、输电线附近的风速风向等。由于输电线为金属，必然受温度影响而热胀冷缩，传输容量的增大使得线路温度升高，传输线受热变长，弧垂便会增大；当线路上有结冰情况时，线路重量增加，输电线两端悬挂点的应力增加，弧垂也会增大；当输电线受风力的作用发生摆动时，弧垂数据也会随之变化。总的来说，各种因素都会直接或间接的导致弧垂的变化，这些弧垂的变化也会反映线路的运行状态。接下来便对输电线路进行数学分析，以选取最适合本设计的计算模型。

2基于电场传感的输电线路弧垂测量

2.1弧垂的影响因素

弧垂在测量过程中会受到自身条件与周围环境的影响，如：导线所受应力、周边环境温度、导线传输容量、结冰和风速、初伸长及线路结构。影响弧线垂度值的关键在于线路所受应力的大小。应力越大，导线垂度值越小。而周边环境温度会导致导线发生热膨胀和冷收缩，进而改变输电线路的弧垂值；温度越高，电线越长，垂度值越大。导线传输容量则直接影响输电线路的温度，温度升高将导致弧垂值增大。而且，导线结冰和强风作用会使得导线发生摇摆振动，从而直接导致线路的弧垂增大。导线的初伸长客观存在，对弧线垂度值产生直接作用。但是，输电线路在正常运行中的跨度长度变化相对较小，而且也受到线路设计和施工过程中的补偿作用，这使得初伸长的大小对弧垂测量没有很大影响。若考虑附件装设，实际应用中通常在附件安装前就实施了弧垂的测量和调整，故可以认为装设附件对弧垂测量也几乎没有影响。总之，输电线路所受应力是影响弧线垂度的主要因素，其他影响均体现出导线应力的变化。这些因素的影响会使得弧垂超过安全范围，造成严重的事故，影响电力线路的正常运行，并且带来重大的经济损失。因此，要实时监测输电线路的弧垂变化，使其满足应用需求。

2.2非接触弧垂测量技术

非接触式测量能够使测量设备与被测对象无直接电接触，不影响系统运行，具有便携、使用灵活等优点，还可以实现高频测量。对于实现输电线路的非接触式测量，许多学者进行了研究。非接触测量方法在很大程度上依赖于架空输电线路实时参数的准确采集。输电线路非接触弧垂测量方法一般基于电磁传感原理。该方法主要通过感应原理测量电场或磁场，然后估计从导体到传感器的距离和垂度等参数。基于磁场的测量方案采用传感器线圈或磁电阻传感器进行磁场测量，再结合迭代拟合算法进行弧垂估计。例如，采用等于导体数量的双轴磁场传感器，在支撑塔上垂直阵列，以此来估计线路电流和垂度；然而，当塔架发生倾斜时，由于弧线垂度减小，以往的算法可能无法收敛。为此，提出了一种基于人工免疫系统的能准确估计垂度、塔身倾斜和检测系统电流的算法，同时该方法中磁场分布沿地面进行检测，避免了安装在塔上的麻烦。另外，有一种商用设备使用基于地面的磁场传感测量，通过迭代拟合算法估计线路电流和导体-传感器间的距离。该设备使用线圈磁传感器，不具有高灵敏度，由于容易发生扭曲，要求传感器放置在距离道路和其他电线至少100米的地方。最近的一项研究重点是通过沿线路跨度长度放置多个电磁传感器来重建输电线路的导体方向和相电流。在这些研究中使用了磁阻传感器，它提供了更高的灵敏度，但其物理特性限制了其检测范围和在强磁场存在时的定向效应。基于电场的测量方案主要采用电压监测，建立电压与电场之间的关系，然后通过电场传感器和反演计算算法进行垂度估计。有学者提出了根据三维模型结构已知的输电线路电压的弧垂计算方法。Kun-LongChen等人在已知导线电压的情况下，通过建立电源电压与地面上电场强度的关系，采用人工神经网络方法训练输电线路周围的电场数据，建立变电站母线杂散电容耦合模型。这些研究大多假设传输线的位置是已知和固定的，需要确定导线中未知的弧垂值和附加变量，这意味着优化过程中传感器的数量和位置需要进一步研究。同时，目前大多数非接触架空输电线路弧垂测量方法采用简单的二维等效，即取最大垂落点处的计算截面，缺乏对实际三维系统测量的考虑。显然，非接触弧垂测量方法在很大程度上依赖于对架空输电线路实时参数的准确采集。由于输电线路电流随负载变化较大，这使得基于磁场的测量技术较为复杂，采用一致迭代拟合算法估计线路弧垂较为困难。但是，输电线路的电压是相对恒定的，不容易受周围环境、天气等条件的影响。

2.3多导体弧垂测量

在传输线由多个导体组成的情况下，通过电势系数计算每个导体上的感应电荷。对于位于等效导体表面的三个轮廓点，电势将等于导体的表面电压。一般情况下，传输线路各相导线的电压幅值相等，相角依次滞后120°。因此，导线的电压随时间周期性变化。为了简化问题，悬链线等效于一条无限长的导体线，其高度为最低点至地面的距离。因此，选取该点的二维截面进行计算。同时，本文仅考虑输电线路电压幅值的有效值。由于各相导线的电压有效幅值是一致的，因此导体的线性电荷密度可以认为是相同的，以简化计算。根据输电线路典型工况电场仿真的研究，分析了线路电场分布的一般特征和规律。根据仿真，可以发现多导体传输线电场彼此互相耦合，地面上的电场是由多导体共同作用影响形成的。在使用无限长直导线模型进行弧垂反演计算时，需要根据多导体的数量获得未知变量，以进一步确定测量点的数量及其位置分布。

2.3.1单回线路

对于单回线路，当电压和导体位置确定时，若考虑各相导线的垂度一致，弧垂计算包含1个未知变量；若考虑各相导线的垂度不一致，弧垂计算包含3个未知变量。传感器可以平行放置在各相导体下方水平地面的不同位置，这样就测量空间电场。三个测量点构成一个测量阵列。由此，可以得到三个方程来求解单回线路的弧垂。由于目前现有的电场传感器只能检测一维或二维的电场强度，检测方向一般是平行于传感器主轴方向或垂直于传感器主轴方向。因此，为了更加简单便捷，文中测量的电场均指的是电场垂直分量。

2.3.2双回线路

对于双回线路，同理，当电压和导体确定时，若考虑各相导线的垂度一致，弧垂计算包含1个未知变量；若考虑各相导线的垂度不一致，弧垂计算包含6个未知变量。传感器平行放置在导体下方的水平地面不同位置，来测量空间电场。三个测量点构成一个测量单元，两个测量单元构成一个测量阵列。由此，可以得到六个方程来求解双回线路的弧垂。

参考文献

[1]朱广城.架空电力线路弧垂远程在线监测终端研究与设计[D].哈尔滨理工大学,2020.