[发明专利]输电线路导线分布式弧垂的监测装置及方法

权利要求书

1.一种利用输电线路导线分布式弧垂的监测装置进行输电线路导线分布式弧垂监测的方法，输电线路导线分布式弧垂的监测装置包括计算机及信息处理单元(3)、设置在输电线路(6)上的光纤复合架空地线(2)，光纤复合架空地线(2)中的一根传感光纤作为分布式光纤传感器，其特征在于：它还包括布里渊光时域反射仪(1)、设置在输电线路(6)导线上的点式温度传感器(4)，所述分布式光纤传感器连接布里渊光时域反射仪(1)的第一通信端，布里渊光时域反射仪(1)的第二通信端连接计算机及信息处理单元(3)的第一数据通信端，所述点式温度传感器(4)的信号输出端连接计算机及信息处理单元(3)的第二数据通信端；所述布里渊光时域反射仪(1)和计算机及信息处理单元(3)均位于高压输电线路输变电站(5)内；

利用输电线路导线分布式弧垂的监测装置进行输电线路导线分布式弧垂监测的方法包括如下步骤：

步骤1：利用点式温度传感器(4)和布里渊光时域反射仪(1)分别得到输电线路(6)上一点的温度值和光纤复合架空地线(2)的温度分布T_OPGW，并将温度值和温度分布T_OPGW传输给计算机及信息处理单元(3)；

步骤2：在计算机及信息处理单元(3)内建立输电线路(6)和光纤复合架空地线(2)的稳态热平衡关系，从而获得输电线路(6)导线温度、输电线路(6)导线载流量和温度分布T_OPGW之间的关系式，如公式(8)所示：

其中，I为输电线路(6)导线的载流量、R为输电线路(6)导线的单位长度电阻、π为圆周率、D_w为输电线路(6)导线直径，ε为光纤复合架空地线(2)的表面辐射系数、σ斯蒂芬-玻尔兹曼常数、T_w为输电线路(6)导线分布温度、T_OPGW为光纤复合架空地线(2)的温度分布、k为输电线路(6)导线与空气之间的对流传热系数，公式(8)中只有输电线路(6)导线的载流量I和输电线路(6)导线温度T_w为未知量；

步骤3：以上公式(8)中输电线路(6)导线的载流量I，在整条输电线路(6)上均一致，因此，将点式温度传感器(4)获取的输电线路(6)上一点的温度值，作为输电线路(6)导线分布温度T_w的某一个值，带入公式(8)计算得到输电线路(6)导线的载流量I，此时公式(8)中的输电线路(6)导线载流量I也成为已知量，此时，公式(8)中只存在一个未知变量输电线路(6)导线分布温度T_w；

将布里渊光时域反射仪(1)得到的光纤复合架空地线(2)的温度分布T_OPGW带入(8)式，便可计算获得输电线路(6)导线分布温度T_w；

步骤4：在输电线路(6)的每个耐张段区段内计算输电线路(6)导线的平均温度并采用架空线状态方程，如公式(9)所示，计算输电线路(6)导线的耐张段区段在温度变化后的水平应力值；

σ02-Eγ22lD2cos2βD24σ022=σ01-Eγ12lD2cos2βD24σ012-αEcosβD(T‾w-Tw0)---(9)]]>

式中σ₀₁、σ₀₂分别为温度变化前和变化后输电线路(6)导线水平应力值；

γ₁、γ₂分别为温度变化前和变化后输电线路(6)导线的比载；

T_w0、分别为温度变化前和变化后输电线路(6)导线在对应耐张段区段的平均温度；

l_D、β_D分别为对应耐张段区段的代表档距和代表高差角；

α、E分别为对应耐张段区段输电线路(6)导线的温度膨胀系数和弹性系数；

步骤5：根据公式(9)计算得到的输电线路(6)的耐张段区段在温度变化后输电线路(6)导线的水平应力值σ₀₂，通过以下公式(10)获得输电线路(6)导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂：

f=γ2lD28σ02cosβD---(10)]]>

其中，f为输电线路(6)导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂，γ₂为温度变化后输电线路(6)导线的比载，l_D为对应耐张段区段的代表档距，σ₀₂为温度变化后输电线路(6)导线的水平应力，β_D为对应耐张段区段的代表高差角；

步骤6：通过代表档距弧垂与耐张段区段内各档距弧垂的分配关系，即如下公式(11)，即可获得输电线路(6)各档距弧垂：

fi=(lilD)2fcosβD---(11)]]>

f_i为输电线路(6)各档距弧垂，L_i为对应耐张段区段的任意一个档距，f为输电线路(6)导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂，β_D为对应耐张段区段的代表高差角，l_D为对应耐张段区段的代表档距；

这样即可获得整条输电线路(6)的所有档距的弧垂值。

2.根据权利要求1所述的输电线路导线分布式弧垂监测方法，其特征在于：所述步骤2中在计算机及信息处理单元(3)内建立输电线路(6)和光纤复合架空地线(2)的稳态热平衡关系，从而获得输电线路(6)导线温度、输电线路(6)导线载流量和温度分布T_OPGW之间的关系式的具体方法为：

同一地点的输电线路(6)导线和光纤复合架空地线(2)有如下稳定热平衡关系：

光纤复合架空地线(2)的稳定热平衡关系为：Q_{sun_o}＝Q_{r_o}+Q_{c_o} (1)

输电线路(6)导线的稳定热平衡关系为：I²R+Q_{s_w}＝Q_{r_w}+Q_{c_w} (2)

公式(1)和(2)中Q_{sun_o}和Q_{s_w}分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线吸收的日照辐射功率，Q_{sun_o}和Q_{s_w}均是未知量，I为输电线路(6)导线的载流量，R为输电线路(6)导线的单位长度电阻，Q_{r_o}和Q_{r_w}分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的热辐射散热功率，Q_{c_o}和Q_{c_w}分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的对流散热功率，Q_{r_o}、Q_{r_w}、Q_{c_o}和Q_{c_w}的表达式如下：

Q_{c_o}＝kD_o(T_OPGW-T_ref)(5)

Q_{c_w}＝kD_w(T_w-T_ref)(6)

其中，T_OPGW为光纤复合架空地线(2)的温度分布，T_w为输电线路(6)导线分布温度，T_ref为环境温度，D_o和D_w分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的直径，ε为光纤复合架空地线(2)的表面辐射系数，σ斯蒂芬-玻尔兹曼常数，k为输电线路(6)导线与空气之间的对流传热系数，π为圆周率；

由于光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线所在空间位置相同，所以光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的自然环境也一致，光纤复合架空地线(2)表面和输电线路(6)导线表面受到的日照情况一致，所以光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的日照辐射功率有以下关系：

Qs_w=DwDoQsun_o---(7)]]>

Q_{sun_o}和Q_{s_w}分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线吸收的日照辐射功率，D_o和D_w分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的直径，将公式(7)代入公式(2)式中即可获得步骤2中的公式(8)。