西南山地電力走廊導線覆冰及風載荷觀測試驗

蔡宏珂 齊玉磊 李丹煜 楊加倫 陳權亮

（1成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225；2 中國電力科學研究院有限公司，北京 100032）

0 引言

電力是關系國計民生的重要基礎產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)。安全、穩(wěn)定和充足的電力供應，為我國國民經(jīng)濟健康、穩(wěn)定、持續(xù)快速發(fā)展提供了重要保障。隨著我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展，各行各業(yè)對電力的需求量越來越大，電網(wǎng)建設迅速發(fā)展、規(guī)模急劇擴大，需要輸電線路覆蓋的區(qū)域日益增多，氣象因素對電網(wǎng)安全的影響越來越明顯。尤其是以世界海拔最高輸變電工程——西藏阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程為代表的青藏聯(lián)網(wǎng)、川藏聯(lián)網(wǎng)、藏中聯(lián)網(wǎng)、“三區(qū)三州”電網(wǎng)建設、青藏鐵路格爾木至拉薩段電氣化改造、川藏鐵路電氣化建設等一批重點工程，在氣候條件惡劣的高原地區(qū)實施，面臨導線重覆冰和強風載的電力氣象災害考驗。電力系統(tǒng)大電網(wǎng)、高電壓發(fā)展趨勢以及全球氣候變化背景，對輸電線路設計、建設、運行和維護提出了更高要求，使輸電線路安全問題日顯突出。

導線覆冰一直是威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素。當近地面的過冷卻水滴接觸到架空導線的時候，在合適的溫度、風速、水汽條件下，就會形成覆冰。我國是一個電線覆冰災害嚴重的國家，隨著電網(wǎng)建設規(guī)模的擴大，越來越多的輸電線路走廊選址受電源地理位置、土地利用規(guī)劃等條件限制，只能選擇積冰易發(fā)的丘陵山區(qū)，電線覆冰對電網(wǎng)的危害隨之而日益凸顯。2008年冰雪災害導致電力線路覆冰過載，引發(fā)大范圍的倒塔事故，不僅造成了巨大的財產(chǎn)損失，而且為群眾的生活甚至生命安全帶來了一定的威脅。對電力走廊進行覆冰監(jiān)測以及導線冰載荷特征分析，已經(jīng)成為電網(wǎng)防災減災的切實需求?，F(xiàn)有的一些導線覆冰觀測試驗，采用攝像頭遠程監(jiān)拍或人工取樣稱重的方法，存在數(shù)據(jù)采集頻率低、不能持續(xù)觀測、夜間微光條件下圖像質(zhì)量差、無人值守條件下難以準確獲得定量冰重數(shù)據(jù)等缺陷。

導線瞬時風載荷是指在風激勵下，輸電線路架空導線產(chǎn)生交變力作用在導線和桿塔等輸電線路工程結構上，其會造成導線振動問題，引起結構高應變高應力點疲勞破壞。隨著西電東送、能源互聯(lián)網(wǎng)等國家戰(zhàn)略的實施，近幾年我國西北地區(qū)、內(nèi)蒙古等地區(qū)輸電線路得到了迅猛的發(fā)展，由于相關大部分地區(qū)屬于持續(xù)強風作用的區(qū)域，強風已經(jīng)成為危害輸電線路安全的一種主要因素，亟需研究持續(xù)強風條件下導線風載荷的基本特征，提高輸電線路抵御風災的能力，確保線路的安全穩(wěn)定運行?，F(xiàn)有技術常采用公式計算、振幅測量、風洞試驗等方法對導線瞬時風載荷進行測量，其存在計算參數(shù)依賴經(jīng)驗值、不直接測量導線受力等缺陷。實際上，風載荷的影響因素繁多，且存在氣動力耦合、結構體系耦合等多項耦合效應，同時存在幾何非線性、氣動力非線性等多項非線性效應，傳統(tǒng)的方法往往無法精確獲取實際的強風載荷。

因此，本文擬設計試驗觀測裝置，直接測量高寒高濕和持續(xù)強風條件下作用于輸電導線上的冰載荷和風載荷，為塔線體系的結構設計及輸電線路的運行維護提供理論與技術支撐。

1 觀測裝置

高寒地區(qū)惡劣的氣候環(huán)境對試驗觀測儀器的溫度調(diào)節(jié)能力、剛度、精度和可靠度而言都是一個巨大的挑戰(zhàn)。另外，對于支持觀測設備正常運行的供電設備和數(shù)據(jù)收集裝置也提出了較高的要求。本試驗裝置設計指標要求：1）適應-30～50 ℃、RH的溫濕環(huán)境在0～100%的，確保在極端低溫情況下正常工作的能力；2）拉力傳感器、三維測力天平與導線連接位置具備防護屏蔽，在導線引出位置設計氣動吹沙通道，防護等級達到IP65標準，防止雨水冰雪的侵入；3）采用太陽能加蓄電池方式供電；4）采用2G/4G遠程實時傳輸與定期U盤讀取相結合的方式收集數(shù)據(jù)。

1.1 基于拉力傳感器的導線覆冰重量觀測試驗裝置

本試驗裝置是針對在惡劣天氣條件下電線覆冰監(jiān)測而設計開發(fā)的一款自動氣象監(jiān)測站。本觀測裝置主要由氣象要素傳感器、重量傳感器、數(shù)據(jù)采集器、無線通訊部件、太陽能供電控制系統(tǒng)組成，組件結構示意圖（圖1）。

圖1 高寒地區(qū)室外導線覆冰稱重試驗平臺組件結構示意圖（虛線為連接供電組件和數(shù)據(jù)采集傳輸組件的電源線，點線為連接數(shù)據(jù)采集傳輸組件和氣象，拉力傳感器的電源-數(shù)據(jù)線）Fig.1 The structure diagram of the outdoor conductor ice weighing experimental platform component(the dashed line is the transmission line connecting the power supply component and the data acquisition and transmission component,and the dotted line is the power-data line connecting the data acquisition and transmission component and the meteorology sensor and tension sensor)

氣象觀測組件用于監(jiān)測與導線覆冰有直接關系的常規(guī)氣象要素，包括溫度、氣壓、相對濕度、風向、風速和雨量。導線稱重組件包括東西向和南北向兩組，每組包含一根受測導線和兩個拉力傳感器，受測導線兩端懸掛于拉力傳感器下方，當導線重量發(fā)生變化時，拉力傳感器發(fā)生形變，其電阻發(fā)生變化，進而導致輸出電流的變化。導線覆冰和氣象要素觀測的性能指標由表1所示。攝像組件為具有夜視功能的高清監(jiān)拍攝像頭，間隔10 min定時上傳監(jiān)拍圖像，獨立供電。導線稱重組件、氣象觀測組件和攝像組件均通過獨立的數(shù)據(jù)采集傳輸組件實時向云服務器上傳數(shù)據(jù)。在本試驗中，兩組受測導線相互垂直，主要用于對比研究不同風向對導線覆冰的影響。此外由于導線覆冰多發(fā)生在光照微弱的夜間，受攝像頭夜視性能的局限，監(jiān)拍圖像信噪比低，僅用來作為驗證覆冰發(fā)生的輔助觀測手段。

表1 高寒地區(qū)室外導線覆冰稱重試驗平臺觀測性能指標Table 1 Observation performance of outdoor traverse icecovered weighing experimental platform

該裝置監(jiān)測溫度、相對濕度等氣象要素以及導線覆冰重量，輔助相關部門掌握導線覆冰狀態(tài)，以及時預警、提前調(diào)度，盡量規(guī)避災害天氣所帶來的風險。其具有低成本建設、獨立安裝運行、部署靈活等特點，適合電力走廊沿線的覆冰觀測組網(wǎng)使用，為電網(wǎng)安全提供可靠的監(jiān)測產(chǎn)品。

1.2 基于三維測力天平的導線風載荷觀測試驗裝置

本試驗裝置是針對在強風天氣條件下三維風場和導線三維風載荷監(jiān)測而設計開發(fā)的一款自動監(jiān)測站。本觀測裝置主要由風載荷測量組件、架空風速測量組件、地面氣象觀測組件、基礎座和立柱、供電組件、數(shù)據(jù)采集傳輸組件組成，組件結構示意圖如圖2所示。

圖2 導線風載荷觀測裝置組件結構示意圖Fig.2 The structure diagram of the wire wind loading observation device assembly

本試驗利用基礎座和立桿支撐觀測裝置，將受測導線架空至5 m高度，以模擬輸電線路運行狀態(tài)。供電組件和數(shù)據(jù)采集傳輸組件固定在堅固基礎座上，以提高觀測試驗裝置在持續(xù)強風環(huán)境下的生存能力。

為保證架空導線風載荷數(shù)據(jù)的全面性、完整性和可靠性，本試驗裝置選取了三根不同直徑導線按Z字型布局，分別是9-1粗導線、9-2細導線、9-3細導線。9-2和9-3兩根細導線互相垂直，分別測量東西向和南北向風載荷，可用于對比研究不同風向對導線風載荷的影響；9-1粗導線和9-3細導線相互平行，可用于對比研究不同直徑導線的同風向風載荷。本試驗使用長度2 m、30 mm和47.35 mm兩種不同直徑的受測導線。為獲得直導線，減少導線形狀對風載荷測量的干擾，本試驗采用了3D打印技術制備導線。

風載荷測量組件和架空風速測量組件是本試驗裝置的核心組件，分別由三維動態(tài)測力天平和三維超聲測風儀組成，通過高頻數(shù)據(jù)記錄儀實現(xiàn)10 Hz頻率的數(shù)據(jù)采集。受測導線兩端固定在測力天平上，由測力天平測量受測導線的三維受力，由超聲測風儀測量受測導線相同高度上的三維風場。地面氣象觀測組件為多要素微氣象站，通過低頻數(shù)據(jù)記錄儀實現(xiàn)10 min一次的常規(guī)氣象要素觀測。高頻和低頻數(shù)據(jù)均經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸單元，存儲于云服務器。觀測數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 導線風載荷測量裝置組件連接示意圖（箭頭指向為觀測數(shù)據(jù)流向）Fig.3 The connection diagram of wind loading measuring device assembly of traverse,with the arrow pointing to the flow direction of observation data

高頻動態(tài)測力天平（High Frequency Force Balance，HFFB）由彈性元件、電阻應變片、測量電路、穩(wěn)定電源、信號調(diào)理放大器組成，是通過測量敏感元件——電阻應變片的輸出電壓來測量受測模型空氣動力的一種裝置。測力天平可應用于高層建筑抗風、輸電線路抗風、船艦和航空航天空氣動力研究等領域，此前常見于風洞試驗，本試驗將其應用于野外真實風場模擬導線的觀測試驗，試驗流程如圖4所示。

在管理過程中，班主任與家長之間造成誤會，大部分是因為溝通不暢，信息不對等造成的。在與家長溝通時，盡可能創(chuàng)造機會讓家長來說，認真聆聽他們的想法，同時真誠地提出自己的建議，但一定要注意溝通的態(tài)度，要把尊重家長放在首位。

圖4 高頻動態(tài)天平測力試驗流程圖Fig.4 Flow chart of force measurement test of high frequency dynamic balance

對于高頻測力天平而言，測力模型設計與制作是試驗成功的重要前提，模型必須滿足幾個重要條件：1）要求幾何相似：由于得到的荷載最終必須轉換到原型，只有保證模型的相似性準則，才能在分析中進行模型與原型之間的各個參數(shù)的轉換。2）要求剛度足夠大：由于測力試驗測得的是模型基底的荷載，因此必須保證模型有足夠的剛度，在受到風力作用時，不會產(chǎn)生較大的變形，將荷載較為真實地傳遞到基底，以反映真實情況。3）要求質(zhì)量足夠輕：只有提高天平模型系統(tǒng)的基階固有頻率，使其遠離受測物體結構響應的頻率范圍，才可以避免天平輸出信號產(chǎn)生畸變，同時，只有天平具有高剛度，也才能減少模型的運動效應，從而滿足“高頻動態(tài)天平”試驗技術中無氣動反饋的基本假設。本試驗裝置的高頻測力天平，關鍵技術指標設計要求：三分量天平，精度0.1 N，量程100 N，響應頻率≥10 Hz；架設支撐點在最大設計風速下位移＜1 mm，振動頻率大于4倍的導線振動頻率。

本試驗裝置實現(xiàn)了三維風場和風載荷的野外實地觀測，為評估實際風場環(huán)境中導線力學模型積累觀測資料；結合三維測力天平和超聲測風儀的高頻觀測，計算風阻系數(shù)等導線性能參數(shù)，為評估導線風振響應特性積累觀測資料。

2 試驗方案

導線覆冰重量觀測試驗選取了7個高寒山區(qū)站點分別進行。各站點建設時間不等（表2），自建成起各站點的導線覆冰觀測試驗均持續(xù)自動開展。而導線風載荷觀測試驗為驗證性試驗，試驗目的為評估三維測力天平野外試驗方法的可行性，試驗時間僅為2018年6—9月，未開展持續(xù)觀測。

表2 導線覆冰觀測試驗站概況Table 2 Survey of conductor icing observation and test station

在電網(wǎng)建設和運維中，將不同密度、不同形狀的覆冰厚度統(tǒng)一換算為密度0.9 g/cm的均勻裹覆在導線周圍的覆冰厚度，此覆冰厚度定義為標準冰厚。標準冰厚是電力氣象領域重要的觀測要素，用于冰區(qū)分布和冰區(qū)分級，可通過覆冰冰重、直徑、長短徑等不同方法進行換算。本試驗根據(jù)《冰區(qū)分級標準和冰區(qū)分布圖繪制規(guī)則》的要求，利用標準冰厚轉換公式將觀測獲取的覆冰重量數(shù)據(jù)轉換為特定電纜導線直徑上的標準冰厚數(shù)據(jù)。

式中：

b

是標準冰厚（單位：mm）；

r

為導線半徑（單位：mm）；

L

為覆冰體長度（單位：m）；

G

為冰重（單位：g）。本試驗通過分析冰重與氣象要素的關系，可進一步推知工程實踐中常用的標準冰厚受氣象要素的影響。

3 試驗結果

3.1 基于拉力傳感器的導線覆冰重量觀測試驗

以西昌大菁梁子桿塔站2019—2020年冬季觀測試驗為例，本文討論覆冰與氣象要素的相關關系。該站地處陰冷潮濕的山區(qū)，冬季相對濕度維持在80%以上，導線覆冰期間相對濕度無顯著變化特征，覆冰重量與相對濕度的相關性不顯著。計算結果顯示，整個觀測試驗時段內(nèi)，導線載荷與氣溫無顯著相關性。與吳息等的研究結果相似，本試驗研究結果也認為：覆冰發(fā)生和增長與單一氣象要素之間的相關性并不顯著，單一氣象要素不足以預報覆冰發(fā)生。

圖5 四川西昌大菁梁子桿塔試驗觀測結果（a）氣溫；（b）南北向導線載荷；（c）東西向導線載荷（b和c中虛線為導線載荷的覆冰重量識別閾值）Fig.5 According to the test results of Dajingliangzi tower in Xichang,Sichuan Province(a) air temperature,(b) North-South guide line load,(c)East-West guide line load(the dotted line in b and c is the ice weight identification threshold of conductor load)

覆冰時段內(nèi)導線載荷與氣溫的關系呈指數(shù)相關，并通過顯著性水平

α

=0.01的顯著性檢驗，表明0 ℃以下環(huán)境中覆冰隨氣溫降低而迅速增長（圖6a）。覆冰事件也表現(xiàn)出與前期積溫的相關性，經(jīng)顯著性檢驗的指數(shù)模型擬合結果顯示，離覆冰發(fā)生時間越近則溫度影響約顯著，前4 h積溫可能導致覆冰事件發(fā)生，而5 h前氣溫對覆冰發(fā)生無顯著影響（圖6b）。因此，在排除無覆冰發(fā)生的低溫過程的前提下，氣溫是覆冰增長的重要參數(shù)，在輸電線路設計冰厚的計算模型中具有工程實用性。

圖6 覆冰時段內(nèi)導線載荷與氣溫的關系（a）導線載荷與氣溫的指數(shù)擬合模型；（b）導線載荷與積溫的指數(shù)擬合模型的置信水平（橫坐標為積溫時間，即覆冰發(fā)生時間前的小時數(shù)）Fig.6 The relationship between conductor loading and air temperature during icing period(a) exponential fitting model of conductor load and air temperature,(b) confidence level of exponential fitting model of conductor loading and accumulated temperature,abscissa is accumulated temperature time (hours before icing)

3.2 基于三維測力天平的導線風載荷觀測試驗

從受測導線在風場中水平受力的時間序列圖（圖7a）可以看出，小于儀器精度0.1 N的水平拉力觀測值意味著低風速，表明在靜風和微風環(huán)境下，儀器受噪聲干擾明顯。在試驗時段內(nèi)，天氣較晴朗平靜，噪聲比例為23.2%。在觀測試驗中，水平拉力表現(xiàn)出較大的動態(tài)范圍，南北向、東西向水平拉力分量的最大值可達7.1 N、7.6 N，對應瞬時風速12.6 m/s、13.1 m/s，由二維分量做矢量合成得到的水平拉力最大值為6.4 N。

在觀測時段內(nèi)，從受測導線的風場水平受力各小時平均值（圖7b）來看，夜間水平拉力變小，在09時左右達到一天之中的最小值0.3 N，白天水平拉力變大，在20時達到最大值1.6 N。水平拉力的日變化呈單峰單谷變化特征，與風速日變化表現(xiàn)出良好的相關性。

圖7 受測導線在風場中的水平受力（a）逐時觀測值；（b）各小時平均值Fig.7 The horizontal force of the measured conductor in the wind field(a) hourly observation value,(b) hourly average value

為簡化計算，空氣密度

ρ

取為1.29 kg/m，未做溫度、濕度、氣壓和水汽訂正。風阻系數(shù)的大小取決于障礙物的外形。風阻系數(shù)愈大，則風場中導線所受拉力愈大。通常，風阻系數(shù)通過風洞實驗確定。在本試驗中，利用野外環(huán)境下實測的導線拉力和氣象要素計算風阻系數(shù)，更能反映架空輸電線路真實運行情況。計算結果顯示，置信水平99.7%條件下，計算得到的風阻系數(shù)

C

=1.152±0.046，即其置信區(qū)間為1.106～1.198，與其典型值相當。

受測導線風阻系數(shù)的逐時觀測值時間變化曲線（圖8a）顯示，風阻系數(shù)時間序列表現(xiàn)出隨機波動特征，其日平均值、最大值、最小值的時間序列均表現(xiàn)出無明顯規(guī)律的波動特征，也沒有明顯的變化趨勢，本試驗認為波動主要由隨機噪聲引起。從風阻系數(shù)的日變化（圖8b）來看，試驗觀測時段內(nèi)得到的日變化在1.154～1.148間波動，波動幅度較小。全天的波動包含22—05時、05—11時、11—15時、15—22時四個周期，可近似看作周期為6 h的波動，其產(chǎn)生原因有待進一步分析。

圖8 受測導線的風阻系數(shù)（a）黑色為逐時觀測值。紅色、橙色、藍色為逐日平均值、最大值、最小值；（b）各小時平均值Fig.8 The wind resistance coefficient of the measured conductor(a) black is the hourly observation value.red,orange and blue are the daily average,maximum and minimum value,(b) the hourly average value

4 結論

通過對基于拉力傳感器的導線覆冰重量觀測試驗和基于三維測力天平的導線風載荷觀測試驗數(shù)據(jù)的分析，可以得出以下初步結論：

1）覆冰發(fā)生和增長與單一氣象要素之間的相關性并不顯著，單一氣象要素不足以預報覆冰發(fā)生。3σ方法能有效地篩選覆冰事件，全天候監(jiān)測覆冰的發(fā)生—增長—消融過程。

2）在置信水平99.7%條件下，導線風載荷觀測試驗計算得到的風阻系數(shù)

C

=1.152±0.046，即其置信區(qū)間為1.106～1.198，與典型值相當。

3）本試驗的觀測數(shù)據(jù)有效驗證了觀測裝置和試驗方案的可行性，實現(xiàn)了無人值守條件下電網(wǎng)覆冰和強風事件的監(jiān)測，能夠為進一步評估和建立覆冰增長模型和導線力學模型積累觀測資料；野外風阻系數(shù)驗證了架空導線在真實風場中的風振響應特性；氣溫對覆冰增長的顯著影響表明其在4 h內(nèi)預警中具有工程應用潛力。