基于激光测量在输电线路覆冰监测系统

1 王鑫 2 童文华

摘要：社会的进步发展使得能源的需求量与日俱增，人类逐渐向大电网新纪元迈进，能源需求量的与日俱增使得电网工程的成功运作面对着更多的挑战，最严峻的便是输电线路的导线覆冰问题。输电线路覆冰会造成线路机械和电气性能的严重损害，例如，大型事故中的线路跳闸、断线甚至倒塔等发生故障时，往往都是严重覆冰造成的。因此，如何有效规避输电线路的覆冰故障的风险，做到有备无患，就应该对线路的覆冰故障尤其是覆冰程度进行有效率的准确测量。

关键词：激光测量；输电线路；覆冰监测

引言：

当下存在的除冰、防止冻灾的方法虽然各式各样，但是广泛的问题便是耗能巨大且安全性没有全面保障，迄今为止，还是没有一个有效率且实惠的方式解决线路覆冰问题。除此之外，当输电线路出现覆冰故障时，如何迅速有效的进行除冰操作是一个十分棘手的问题。要有效率的将这个问题解决就需要电力人员的工作保证动态性、实时性和准确性，从而掌握输电线路的故障问题。以往的解决这些问题的方式是在线路覆冰重灾区设置观测站点或者设置更发达的覆冰气象观测站，通过这些站台的观测数据实时监测线路覆冰程度，或是在站内模拟导线的覆冰程度来防患于未然，从而为电力部门的决策提供有效数据。但是这些方法有着高危性和成本极大的弊端。同时，输电线路的覆冰程度直接测量是极有难度的，而且检测的数据也并不具有十分准确性；而通过监测数据所得的信息有限。因此，对于输电线路的覆冰实时监测就变得十分关键。一方面，输电线路的覆冰情况实时监测能够为电力部门的决策给予有效帮助；另一方面，输电线路的覆冰情况实时监测数据能够为电力部门研究人员的重要学习资料。

1输电线路覆冰分类

结冰是一种广泛分布的自然现象，在冷却水撞击低温物体并被捕获后被冻结。由于传输线导线和导线结构复杂，并且受微气象、微地形和温度、湿度、风速等因素的影响，实际输电线路中导线和绝缘子的结冰状态复杂多样，一般为以下几种类型：

1.1按冰的表现特性

（1）雨淞是一种透明、光滑、透明的冰层，是由大气中的过冷水滴在导体的迎风表面形成的。其密度大于0.8g/cm³，坚硬，粘附力很强。雨淞导致结冰迅速增加，由于其密度高，机械负荷也将是最大的。（2）混合淞是由导体逆风表面的过冷水滴形成的，它与混浊或半透明的冰混合在一起，密度为0.6-0.87g/cm³，坚硬，粘附力强。雾淞是在过饱和时，大气中的水分会附着或升华凝结，形成径向结晶，密度小于0.6g/cm³，粘附力很弱。（3）积雪是由天然雪与导体粘合而成，可分为干雪密度和湿雪密度。干雪密度≤0.1 g/cm³，粘附力很弱；湿雪密度0.10-0.15g/cm³，粘附力较弱。（4）白霜是当空气中的水分与低于摄氏零度的冷物接触时，水份就会凝结在冷物的表面，会增加输电线路的电晕损失。

1.2按冰的形成机理

（1）降水覆冰是空气中的冻雨(过冷水滴)滴到导体和绝缘体表面，接近摄氏零度或零下几度而形成覆冰。（2）云中覆冰是过冷的云或空气中的雾在与电线和绝缘体的表面接触时被冻结。（3）凝华覆冰是是一种由在导体和绝缘体表面上的大气中直接冷冻蒸汽产生的霜，也称为晶体雾。（4）晶状雾淞发展空间小，其附着力也较小。风吹后一般会刮掉，输电线路就不会受到很大的负载影响。因此，在研究输电线路结冰，几乎所有的研究都集中在第一类结冰和第二类结冰问题上。

1.3按冰在导线和绝缘子表面的增长过程

（1）干增长是水滴的冻结时间小于两个连续液滴与同一微区发生碰撞的时间，则这种结冰过程称为干生长过程（2）湿增长是水滴的冻结时间长于连续两个水滴碰撞同一微区的时间，这种冰盖称为湿生长过程。

2覆冰监测系统设计

周围环境的干扰可能导致无法准确的提取输电线的轮廓，因此通过图像方法监测输电线覆冰状况的关键在于能否准确有效地提取图像中输电线的轮廓。与此同时，加入线激光对输电线进行照射，然后用图像采集装置近距离拍摄被线激光照射的输电线，将输电线轮廓的提取转化为对激光照亮区域的轮廓的提取。该系统采用摄像机和线激光装置对高压输电线路上的冰层进行监测，然后测量值通过无线通信模块将结果发送到监控中心。

3图像采集设计

在图像处理中，采用小波多尺度边缘检测方法求出线激光辐照区域的轮廓，然后利用该轮廓计算出其外矩形，并在此基础上进行了图像处理。减去在结冰前后计算的外部矩形的像素宽度值，以获得像素差。像素差除以覆冰前矩形的像素宽度，乘以传输线的实际半径，最后确定输电线路的结冰厚度。

4输电线覆冰监测设计

实验室测试中使用的线路激光功率较小，摄像机与传输线之间的距离为25厘米，摄像机和线路激光装置被调整，使得传输线位于图像的水平方向，线激光器位于传输线的垂直方向。为了在实验室进行结冰监测试验，测量输电线路不同结冰程度与激光照射范围的关系，进行了模拟试验。将模拟导体置于冷柜中，置于支架上，喷头用于在模拟喷头上喷水，导体每隔一段时间形成自然结冰效应的模拟导体。通过改变模拟导线覆冰厚度和模拟导线直径，并与实测结果进行了比较。通过实际结冰情况验证了该方法的科学性。

结束语：

总而言之，本研究可应用于恶劣天气，基于激光测距的长距离高精度输电线路结冰厚度检测装置具有较高的工程应用价值，同时也对结冰安全状况的评价和结冰灾害的预警具有重要的现实意义。

参考文献：

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