一种输电线路导地线涡振监测装置及方法与流程

1.本发明涉及架空输电线路涡激振动监测与防治技术领域，具体涉及一种输电线路导地线涡振监测装置及方法。


背景技术：

2.输电线路导地线涡激振动（以下简称涡振）是导地线在低风速下出现的一种高频微幅的流固耦合风振现象。由于导地线表面呈平面对称结构，在一定的风速条件下，在导地线两侧交替地产生脱离结构表面的旋涡，由此引发结构物承受风速方向和垂直于风速方向的横向力，引发导地线振动，反过来又改变尾涡形式，形成流固耦合的导地线振动。尽管导地线涡振引起的振幅较小，但实际上它是引起导地线高应变高应力点（如悬挂点、金具夹头、间隔棒握爪）疲劳破坏的重要原因。由于疲劳破坏是长时间累积的结果，破坏具有一定的隐蔽性、不确定性，很难在日常线路运维时被及时发现，通常是出现了线路磨损、金具变形或脱落等显著破坏后才被发现，此时已给线路安全运行带来严重危害。导地线涡振是电网安全稳定运行的长期隐患。
3.导地线风载荷参数、振动频率及幅值度是输电线路导地线涡振状态评价、风险评估的主要参量。为了获取导地线涡振情况，目前主要通过测量振动幅值和频率来评估振动水平。现有的涡振感知装置对于短期状态评估起到了有效的支撑作用。但因缺少气动载荷及其他振动响应量的同步测量能力，无法满足输电线路涡振灾害预警、风险评估与寿命预测要求。
4.现有的监测装置存在以下局限性：1）监测变量以加速度、位移等为主，缺乏导线风载荷监测手段；2）导地线涡振的连续监测时长，受制于系统功耗及线路取能手段，以短期监测为主；3）缺少导线风载荷与振动响应同步监测装置，建立疲劳寿命评估模型缺少基础数据。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术无法满足输电线路涡振灾害预警、风险评估与寿命预测要求的问题，本发明提出了一种输电线路导地线涡振监测装置，包括：通过线缆连接的相对固定端和活动端；所述活动端套接在所述导地线外侧，用于基于所述相对固定端发出的启动信号监测所述导地线的振动信息，并将监测的振动信息发送至所述相对固定端；所述相对固定端卡接在所述导地线上，用于监测固定端位置处的振动信息，并当所述固定端位置处的振动信息达到设定阈值时，向所述活动端发送启动信号，并基于所述活动端发送的所述振动信息和所述固定端位置处的振动信息计算涡振参量。
6.优选的，所述相对固定端包括：储能装置、外壳，以及位于所述外壳内的第一振动
传感器和集成电路板；所述外壳上设置有圆柱型槽；所述导地线穿设于所述圆柱型槽内；所述振动传感器靠近所述导地线布置；所述集成电路板与所述第一振动传感器通信连接。
7.优选的，所述集成电路板包括：边缘分析芯片、通讯模块和数据存储模块；所述边缘分析芯片通过所述通讯模块与远端进行通讯传输，用于基于所述活动端监测的振动信息和所述第一振动传感器监测的固定端位置处的振动信息，采用加速度积分位移算法计算两点振幅及振动频率，并结合动弯应变计算式和升力计算公式分别计算得到动弯应变和升力；所述数据存储模块，用于存储所述第一振动传感器监测的固定端位置处的振动信息、所述活动端监测的振动信息，以及所述边缘分析芯片计算的涡振参量。
8.优选的，所述集成电路板还包括浪涌保护器；所述浪涌保护器靠近所述导地线布置，用于在产生尖峰电流或者电压时，导通分流。
9.优选的，所述动弯应变计算式如下式所示：式中，ε为悬垂线夹、防振锤线夹处导线的动弯应变；h为导线运行张力；ei
min
为导线最小弯曲刚度；a表示振动传感器距离线夹出口的距离；d为导线最外层股径；a为仪器测取得相对振幅值；p为导线运行张力与导线最小弯曲刚度比值的开方。
10.所述升力计算公式如下式所示：式中，f
f 为导线轴向单位长度平均升力，pi(t) 为测点i 处的测点压力时程，n为展向测点总数，t为采样总时长，n 为测点i 与测点i-1 的中线和测点i 与测点i 1 的中线夹角，r 为导线外接圆半径，θ为测点i 的角度，t为采用时刻。
11.优选的，所述储能装置包括：电池和太阳能板；所述电池位于所述外壳内，所述太阳能板安装于所述外壳外表面。
12.优选的，还包括，在所述集成电路板和所述电池外部包裹电磁屏蔽壳。
13.优选的，所述电磁屏蔽壳采用电磁屏蔽材料制成。
14.优选的，所述外壳采用阳极氧化铝或不锈钢材料制成。
15.优选的，所述活动端包括传感器和具有通孔的盖状结构；所述通孔的中轴线与所述盖状结构的中轴线共线；所述通孔的直径大于所述导地线的外径；所述传感器设置于所述盖状结构上。
16.优选的，所述盖状结构包括固定连接的一个环形侧壁和圆环底壁；所述传感器设置于所述环形侧壁上；
所述通孔设置于所述圆环底壁的中心位置。
17.优选的，所述传感器包括第二振动传感器和多个压力传感器；所述第二振动传感器设置于所述环形侧壁的内环内侧；所述环形侧壁的外环上沿所述中轴线等角度分布有测压孔；所述多个压力传感器设置于所述环形侧壁内的外环内侧，与所述测压孔相对应。
18.基于同一发明构思本发明提供了一种输电线路导地线涡振监测方法，包括：由卡接在导地线上的相对固定端监测固定端位置处的振动信息，并在所述固定端位置处的振动信息达到设定阈值时，向套接在所述导地线外侧的活动端发送启动信号，同时基于所述固定端位置处的振动信息与所述活动端反馈的振动信息计算涡振参量；所述活动端基于所述相对固定端发出的启动信号监测所述导地线的振动信息，并将监测的振动信息反馈至所述相对固定端。
19.优选的，所述由卡接在所述导地线上的所述相对固定端监测固定端位置处的振动信息，并将所述固定端位置处的振动信息达到设定阈值时，向所述活动端发送启动信号，同时基于所述固定端位置处的振动信息与所述活动端反馈的振动信息计算涡振参量，包括：所述相对固定端中的第一振动传感器监测固定端位置处的振动信息，并将所述固定端位置处的振动信息传输至所述相对固定端中的集成电路板；由所述集成电路板判断所述固定端位置处的振动信息是否达到设定阈值，当达到设定阈值时，向所述活动端发送启动信号，并基于固定端位置处的振动信息与所述活动端反馈的振动信息计算涡振参量。
20.优选的，所述套接在所述导地线外侧的活动端基于所述相对固定端发出的启动信号监测所述导地线的振动信息，并将监测的振动信息发送至所述相对固定端，包括：所述活动端中的传感器基于所述启动信号监测所述导地线的振动信息，并将监测的振动信息通过线缆传输至所述相对固定端中的集成电路板。
21.优选的，所述由所述集成电路板判断所述固定端位置处的振动信息是否达到设定阈值，当达到设定阈值时，向所述活动端发送启动信号，并基于所述固定端位置处的振动信息与所述活动端反馈的振动信息计算涡振参量，包括：所述相对固定端中的第一振动传感器监测固定端位置处的振动信息，并将所述振动信息传输至所述集成电路板的边缘分析芯片中；所述边缘分析芯片基于所述活动端监测的振动信息和所述固定端位置处的振动信息，采用加速度积分位移算法计算两点振幅及振动频率，并结合动弯应变计算式和升力计算公式分别计算得到动弯应变和升力。
22.优选的，所述动弯应变计算式如下式所示：式中，ε为悬垂线夹、防振锤线夹处导线的动弯应变；h为导线运行张力；ei
min
为导线最小弯曲刚度；a表示振动传感器距离线夹出口的距离；d为导线最外层股径；a为仪器测取得相对振幅值；p为导线运行张力与导线最小弯曲刚度比值的开方 。
23.优选的，所述升力计算公式如下式所示：
式中，f
f 为导线轴向单位长度平均升力，pi(t) 为测点i 处的测点压力时程，n为展向测点总数，t为采样总时长，n 为测点i 与测点i-1 的中线和测点i 与测点i 1 的中线夹角，r 为导线外接圆半径，θ为测点i 的角度，t为采用时刻。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供了一种输电线路导地线涡振监测装置，包括：通过线缆连接的相对固定端和活动端；所述活动端套接在所述导地线外侧，用于基于所述相对固定端发出的启动信号监测所述导地线的振动信息，并将监测的振动信息发送至所述相对固定端；所述相对固定端卡接在所述导地线上，用于监测固定端位置处的振动信息，并当所述固定端位置处的振动信息达到设定阈值时，向所述活动端发送启动信号，并基于所述活动端发送的所述振动信息和所述固定端位置处的振动信息计算涡振参量。本发明采用相对固定端和活动端测量导地线相对振幅，并在固定端位置处的振动信息达到设定阈值时，向所述活动端发送启动信号，避免了长期监测，减少了系统功耗，可满足长期连续测量的需要。
附图说明
25.图1为本发明的一种输电线路导地线涡振监测装置结构图；图2为本发明的活动端中传感器位置示意图；图3为本发明的一种输电线路导地线涡振监测装置安装位置示意图。
26.其中，1、相对固定端；2、活动端；2.1、压力传感器；2.2、第二振动传感器；3、线缆；4、储能装置；5、第一振动传感器；6、集成电路板；6.1、边缘分析芯片；6.2、通信模块；6.3、数据存储模块；6.4、浪涌保护器。
具体实施方式
27.本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出利用压力传感器及振动传感器的导地线风载荷、振动响应同步测量方案及方法，集约化电路设计并在微处理器中嵌入边缘算法，发明一种低功耗、小型化、高集成度的输电线路导地线涡振监测装置及方法，实现输电线路导地线涡振从风载荷参数到响应量的同步测量与计算，为线路涡振灾害预警、状态评价、导地线疲劳寿命评估提供基础数据支撑。
28.实施例1：一种输电线路导地线涡振监测装置，如图1所示，包括：通过线缆3连接的相对固定端1和活动端2；所述活动端2套接在所述导地线外侧，用于基于所述相对固定端1发出的启动信号监测所述导地线的振动信息，并将监测的振动信息发送至所述相对固定端1；所述相对固定端1卡接在所述导地线上，用于监测固定端位置处的振动信息，并当所述固定端位置处的振动信息达到设定阈值时，向所述活动端2发送启动信号，并基于所述活动端2发送的所述振动信息和所述固定端位置处的振动信息计算涡振参量。
29.下面对本部分做详细介绍：
本发明提供了一种输电线路导地线涡振监测装置由安装于导地线的相对固定端1和活动端2两部分组成，两者通过数据线缆3连接。
30.本实施例中数据线缆3长度选定为10cm。
31.所述相对固定端1包括储能装置4、外壳，以及位于所述外壳内的第一振动传感器5和集成电路板6；外壳上设置有圆柱型槽，导地线穿设于所述圆柱型槽内；所述振动传感器靠近导线侧布置，用于测量固定端位置处导地线振动频率和幅值。
32.所述振动传感器，在本实施例中优选3轴陀螺仪复合的6轴mems加速度传感器。
33.储能装置4包括电池和太阳能板；太阳能板安装于相对固定端1的顶部，用于监测装置的供能；所述电池用于监测装置总体的供电，位于相对固定端1的下部。
34.所述集成电路板6包括边缘分析芯片6.1、通讯模块和数据存储模块6.3。
35.所述通讯模块，用于装置与远端的通讯传输。所述数据存储模块6.3连接相对固定端1和活动端2的传感器，用于监测数据的存储。
36.边缘分析芯片6.1，用于振动传感器的启动、采集控制，内置根据加速度数据积分得到导线振幅并计算动弯应变、基于表面压力计算气动力及振动频率的算法。
37.动弯应变计算式如下式所示：式中，ε为悬垂线夹、防振锤线夹处导线的动弯应变；h为导线运行张力；ei
min
为导线最小弯曲刚度；a表示振动传感器距离线夹出口的距离；d为导线最外层股径；a为仪器测取得相对振幅值；p为导线运行张力与导线最小弯曲刚度比值的开方。
38.升力计算公式如下式所示：式中，f
f 为导线轴向单位长度平均升力，pi(t) 为测点i 处的测点压力时程，n为展向测点总数，t为采样总时长，n 为测点i 与测点i-1 的中线和测点i 与测点i 1 的中线夹角，r 为导线外接圆半径，θ为测点i 的角度，t为采用时刻，p为导线运行张力与导线最小弯曲刚度比值的开方。
39.其中，导线运行张力与导线最小弯曲刚度比值的开方p按下式计算：。
40.所述集成电路板6、电池外部包裹有电磁屏蔽材料制成的电磁屏蔽壳。
41.集成电路板6还包括浪涌保护器6.4；所述浪涌保护器6.4，用于因外界干扰突然产生尖峰电流或者电压时，导通分流，从而避免浪涌对回路中其他电子元器件的损害。
42.外壳材料优选阳极氧化铝或不锈钢材料。
43.所述活动端2由沿周向均匀布置的测压孔及压力传感器2.1，以及靠近导线侧布置的振动传感器组成。
44.所述压力传感器2.1用于活动端2周向表面压力测量。
45.活动端2包括传感器和具有通孔的盖状结构；通孔的中轴线与所述盖状结构的中轴线共线；所述通孔的直径大于所述导地线的外径；所述传感器设置于所述盖状结构上。
46.盖状结构包括固定连接的一个环形侧壁和圆环底壁；所述传感器设置于所述环形侧壁上；所述通孔设置于所述圆环底壁的中心位置。
47.活动端2的传感器包括第二振动传感器2.2和至少一个压力传感器2.1；所述第二振动传感器2.2设置于所述环形侧壁的内侧；所述环形侧壁的外环上设置有测压孔；所述活动端2的第二振动传感器2.2用于活动端2位置导地线振动频率及振动速度的测量。
48.所述活动端2的传感器，通过相对固定端1与活动端2之间的线缆3进行供电。
49.所述活动端2沿导线方向长度、厚度不超过3cm、3cm。
50.所述至少一个压力传感器2.1设置于所述环形侧壁内的外环内侧，与所述测压孔相对应。本实施例中压力传感器2.1采用8个，如图2所示。
51.本发明提供了一种输电线路导地线涡振监测装置，提出了基于相对固定端1和活动端2测量导地线相对振幅测量的测量方案，以及通过导线表面压力测量获取导线风载荷计算方法，提出了导地线风载荷、振动响应同步测量方案及方法，弥补了目前少有在导线上同时测量导线风载荷及振动装置的现状，与传统的监测装置相比，更加智能化、低功耗，可满足长期连续测量的需要，可同时实现导线风载荷参数、振动响应的同步测量。
52.实施例2：基于同一发明构思本发明还提供了一种输电线路导地线涡振监测方法，包括：由卡接在导地线上的相对固定端1监测固定端位置处的振动信息，并将所述固定端位置处的振动信息达到设定阈值时，向套接在所述导地线外侧的活动端2发送启动信号，同时基于所述固定端位置处的振动信息与所述活动端2发送的振动信息计算涡振参量；活动端2基于相对固定端1发出的启动信号监测导地线的振动信息，并将监测的振动信息反馈至相对固定端1。
53.由卡接在导地线上的相对固定端1监测固定端位置处的振动信息，并将所述固定端位置处的振动信息达到设定阈值时，向套接在所述导地线外侧的活动端2发送启动信号，同时基于固定端位置处的振动信息与活动端2反馈的振动信息计算涡振参量，包括：相对固定端1中的第一振动传感器5监测固定端位置处的振动信息；由所述相对固定端1中的集成电路板6判断所述固定端位置处的振动信息是否达到设定阈值，当达到设定阈值时，向所述活动端2发送启动信号，并基于固定端位置处的振动信息与所述活动端2反馈的振动信息计算涡振参量。
54.所述活动端2基于所述相对固定端1发出的启动信号监测所述导地线的振动信息，
并将监测的振动信息反馈至所述相对固定端1，包括：所述活动端2中的传感器基于所述启动信号监测所述导地线的振动信息，并将监测的振动信息通过线缆3传输至所述相对固定端1中的集成电路板6。
55.由所述集成电路板6判断所述固定端位置处的振动信息是否达到设定阈值，当达到设定阈值时，向所述活动端2发送启动信号，并基于所述固定端位置处的振动信息与所述活动端2反馈的振动信息计算涡振参量，包括：相对固定端1中的第一振动传感器5监测固定端位置处的振动信息，并将所述振动信息传输至所述集成电路板6的边缘分析芯片6.1中；所述边缘分析芯片6.1基于所述活动端2监测的振动信息和所述固定端位置处的振动信息，采用加速度积分位移算法计算两点振幅及振动频率，并结合动弯应变计算式和升力计算公式分别计算得到动弯应变和升力。
56.动弯应变计算式如下式所示：式中，ε为悬垂线夹、防振锤线夹处导线的动弯应变；h为导线运行张力；ei
min
为导线最小弯曲刚度；a表示振动传感器距离线夹出口的距离；d为导线最外层股径；a为仪器测取得相对振幅值；p为导线运行张力与导线最小弯曲刚度比值的开方，p为导线运行张力与导线最小弯曲刚度比值的开方。
57.其中，导线运行张力与导线最小弯曲刚度比值的开方p按下式计算：。
58.升力计算公式如下式所示：式中，f
f 为导线轴向单位长度平均升力，pi(t) 为测点i 处的测点压力时程，n为展向测点总数，t为采样总时长，n 为测点i 与测点i-1 的中线和测点i 与测点i 1 的中线夹角，r 为导线外接圆半径，θ为测点i 的角度，t为采用时刻。
59.下面对本方案做详细介绍：本发明提供一种输电线路导地线涡振监测方法，包括：s1，在输电线路导地线上安装该装置，固定端靠近线夹、防振锤夹头等线夹出口处安装，活动端2靠近档中一侧；s2，采用本发明内置的振动传感器测量导地线两点的振动加速度，采用压力传感器2.1测量活动端2外侧周向压力分布；s3，相对固定端1振动传感器采集的振动信号直接存储于数据存储模块6.3，活动端2振动传感器、压力传感器2.1采集的信号通过线缆3传输到相对固定端1的数据存储模块6.3；s4，采用本发明装置内置加速度积分位移算法计算两点振幅及振动频率，相对振幅及微应变，导地线动弯应变计算公式如下：
式中，ε为悬垂线夹、防振锤线夹处导线的动弯应变；h为导线运行张力；eimin为导线最小弯曲刚度；a表示振动传感器距离线夹出口的距离；d为导线最外层股径；a为仪器测取得相对振幅值，p为导线运行张力与导线最小弯曲刚度比值的开方。其中，p按下式计算：。
60.s5，采用本发明装置内置升力计算公式计算活动端导线升力，计算公式如下：式中，ff 为导线轴向单位长度平均升力，pi(t) 为测点i 处的测点压力时程，n 为展向测点总数，t 为采样总时长，n 为测点i 与测点i-1 的中线和测点i 与测点i 1 的中线夹角，r 为导线外接圆半径（m），θ 为测点i 的角度，t为采用时刻。
61.s6，所有计算结果存储到所述数据存储模块内6.3；s7，采用本发明装置内置的通讯模块将原始测量数据及计算结果定期发送至后台服务器。
62.本发明提供一种输电线路导地线涡振监测方法，通过在导线上安装该装置，可实现智能化的导线涡振风载荷到振动响应的自动测量、采集、存储、计算及传输。
63.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
64.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
65.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
66.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
67.以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则
之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在发明待批的本发明的权利要求范围之内。