基于微地形微气象区域覆冰规律的模拟导线覆冰在线监测装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于微地形微气象区域覆冰规律的模拟导线覆冰在线监测装置，主要包括模拟导线、步进电机、电机固定套管、滚动带轴轴承、密封盒I、密封盒II、三维力传感器I、三维力传感器II、步进电机驱动器、支架和微控制器I。本发明专利技术可以监测在同一气象环境下，输电线路的覆冰厚度，并且装置体积较小，功率较低，可以较为便捷的安装于杆塔之上。

【技术实现步骤摘要】
基于微地形微气象区域覆冰规律的模拟导线覆冰在线监测装置
本专利技术涉及输电线路覆冰在线监测，具体是基于微地形微气象区域覆冰规律的模拟导线覆冰在线监测装置。
技术介绍
输电线路是电网中电能传输的主要部件，线路的正常运行，是电网安全的重要保障，而线路覆冰事故一直是电网安全运行中所面临的一个重大难题，是电力系统中严重的自然灾害。因此，对线路覆冰厚度的监测就成为了解决线路覆冰问题的关键，监测内容越全面，监测的时效性越强，就可以更好的指导有关部门有针对性的提前采取防冰除冰措施，避免线路覆冰事故的发生。目前对于线路覆冰监测的手段主要有：基于倾角和应力的线路覆冰在线监测法、基于应力和导线弧垂的覆冰监测法、图像法和气象参数预测法，前两种通过安装在线路上的传感器来获得相关数据，进而计算得到线路覆冰厚度，但由于传感器直接安装在线路上，在高电压等级下，传感器会受到电磁干扰的影响，导致误差较大，同时在冬季，传感器受低温影响，会使其温漂过大，甚至超出工作温度范围，或是结冰，无法使用，加之监测需采用多传感器测量数据转换计算而来，会将传感器本身存在的误差进一步放大，因此该类监测手段在实际应用中均无法达到预期效果，使用价值较低；对于图像法和预测法，前者通过图像处理的方式对线路覆冰前后的图形进行对比分析，得到覆冰厚度的数据，但由于图像处理技术手段还不成熟，实际图像的获取也存在问题，因此未得到应用，而预测法只是在历史覆冰数据的基础上，构建出覆冰气象参数预测模型，其本身属于一种间接得到线路覆冰厚度的方法，误差较其他方法更为明显，因此在实际中只用于参考，并不能作为一种监测手段。综上所述，现有的电网线路覆冰在线监测手段均存在着一定问题，无法满足实际运行中，对于线路覆冰监测的需要，因此，有必要提出一种新的覆冰在线监测手段。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，基于微地形微气象区域覆冰规律的模拟导线覆冰在线监测装置，主要包括模拟导线、步进电机、电机固定套管、滚动带轴轴承、密封盒I、密封盒II、三维力传感器I、三维力传感器II、支架、电源、微控制器I、微控制器II、温度传感器I、温度传感器II、加热模块I、步进电机驱动器和加热模块II。所述模拟导线的一端连接步进电机的传动轴I，另一端连接滚动带轴轴承的首端。所述模拟导线为钢芯铝绞线。α为钢芯铝绞线的拧绕系数。G1、G2为钢芯和铝绞线的扭转弹性模量。J1、J2为钢芯和铝绞线的扭转极惯距。进一步，所述模拟导线与监测的输电线路平行。所述模拟导线与输电导线型号、材质相同。所述步进电机传动轴II的末端套有电机固定套管。所述电机固定套管外罩设有密封盒I。所述密封盒I内封装有三维力传感器I、步进电机驱动器和微控制器I。所述滚动带轴轴承的末端罩设有密封盒II。所述密封盒II内封装有三维力传感器II。所述支架分别与密封盒I、密封盒II固定连接。所述支架固定在用于固定输电线路的线路杆塔上。所述三维力传感器I贴置在步进电机的传动轴II上，监测步进电机传动轴II的拉力。所述三维力传感器I将传动轴II的拉力转换为电压信号I，并通过无线方式发送至微控制器I的A/D转换接口。所述三维力传感器II贴置在滚动带轴轴承的末端，监测滚动带轴轴承末端的拉力。所述三维力传感器II将带轴轴承末端的拉力转换为电压信号II，并通过无线方式发送至微控制器I。进一步，三维力传感器I和三维力传感器II监测周期为T。所述微控制器I的I/O接口引脚与步进电机驱动器信号线连接。所述微控制器I接收电压信号I和电压信号II后，处理得到模拟导线的覆冰厚度d，即：d＝(4M/πρl)0.5(1)式中，M为覆冰质量。ρ为标准雨凇覆冰密度。l为模拟导线长度。覆冰质量M如下所示：式中，为三维力传感器电压与受力的转换系数。V1、V2为三维力传感器I、三维力传感器II输出电压经AD转换后得到的数字量。当覆冰厚度d＞预设的旋转厚度h时，所述微控制器对模拟导线覆冰厚度d进行处理，计算得到模拟导线中点最大扭转角度θ，即：式中，θx为以线路杆塔为零点，据零点距离x处模拟导线的扭转角度。M’为模拟导线均匀覆冰下单位长度模拟导线所受到的冰层力矩。k为模拟导线刚度。x为模拟导线和零点的距离。导线均匀覆冰下单位长度导线所受到的冰层力矩M’如下所示：式中，ρ为标准雨凇覆冰密度。D为模拟导线外径。b为覆冰厚度。g为重力加速度。r为偏心覆冰的半径。k＝α(G1J1+G2J2)(5)式中，α为模拟导线的拧绕系数。G1、G2为模拟导线内芯和外绞线的扭转弹性模量。J1、J2为模拟导线内芯和外绞线的扭转极惯距。进一步，当覆冰厚度d＞最大安全厚度dmax时，所述微控制器I通过无线方式向远端监控系统发送报警信息。所述微控制器将模拟导线中点最大扭转角度θ转化为N个脉冲，并发送至步进电机驱动器，通过步进电机驱动器驱动步进电机旋转，以带动模拟导线旋转θ°。所述电源为微控制器、三维力传感器I和三维力传感器II供电。进一步，所述电源为太阳能电池板。进一步，所述支架包括连接杆和与连接杆垂直连接的两根平行设置的支撑杆，所述连接杆与用于固定输电线路的杆塔连接，所述两根支撑杆分别与密封盒I和密封盒II连接。所述温度传感器I和加热模块I封装在密封盒I内。所述温度传感器I监测密封盒I的温度t1，并发送至微控制器I的A/D转换接口。所述加热模块I与微控制器I的I/O接口信号线连接。当微控制器I接收到的温度t1＜Tmin时，微控制器I和加热模块I连通，为加热模块I提供脉冲信号，控制加热模块I加热。当微控制器I接收到的温度t1＞Tmax时，微控制器I和加热模块I断开。Tmin为预设的加热模块工作温度，Tmax为预设的加热模块休眠温度。所述微控制器II、温度传感器II和加热模块II封装在密封盒II内。所述温度传感器II监测密封盒II的温度t2，并发送至微控制器II。所述加热模块II与微控制器II的I/O接口信号线连接。进一步，所述加热模块I和加热模块II均为电阻丝。当微控制器II接收到的温度t2＜Tmin时，微控制器II和加热模块II连通，为加热模块II提供脉冲信号，控制加热模块II加热。当微控制器II接收到的温度t2＞Tmax时，微控制器II和加热模块II断开。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的。本专利技术以模拟导线监测为基础，考虑到实际输电线路覆冰中所面临的种种环境和问题，使其可以监测在同一气象环境下，输电线路的覆冰厚度，并且装置体积较小，功率较低，可以较为便捷的安装于杆塔之上。同时装置采取了相应的防冰除冰措施，极大的增强了其实际应用能力。三维力传感器的应用可以直接测量导线覆冰重量变化，避免了传感器数据转换而导致的误差放大。对于数据的实时采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于微地形微气象区域覆冰规律的模拟导线覆冰在线监测装置，其特征在于，主要包括所述模拟导线(1)、步进电机(2)、电机固定套管(3)、滚动带轴轴承(4)、密封盒I、密封盒II、三维力传感器I(51)、三维力传感器II(52)、支架、步进电机驱动器和微控制器I。/n所述模拟导线(1)的一端连接步进电机(2)的传动轴I，另一端连接滚动带轴轴承(4)的首端；/n所述步进电机(2)传动轴II的末端套有电机固定套管(3)；/n所述电机固定套管(3)外罩设有密封盒I；/n所述密封盒I内封装有三维力传感器I(51)、步进电机驱动器和微控制器I；/n所述滚动带轴轴承(4)的末端罩设有密封盒II；/n所述密封盒II内封装有三维力传感器II(52)；/n所述支架分别与密封盒I、密封盒II固定连接；/n所述支架固定在用于固定输电线路的线路杆塔上；/n所述三维力传感器I(51)贴置在步进电机(2)的传动轴II上，监测步进电机(2)传动轴II的拉力；所述三维力传感器I(51)将传动轴II的拉力转换为电压信号I，并通过无线方式发送至微控制器I；/n所述三维力传感器II(52)贴置在滚动带轴轴承(4)的末端，监测滚动带轴轴承(4)末端的拉力；所述三维力传感器II(52)将带轴轴承(4)末端的拉力转换为电压信号II，并通过无线方式发送至微控制器I；/n所述微控制器I的I/O接口引脚与步进电机驱动器信号线连接；/n所述微控制器I接收电压信号I和电压信号II后，处理得到模拟导线(1)的覆冰厚度d，即：/nd＝(4M/πρl)...

【技术特征摘要】
1.基于微地形微气象区域覆冰规律的模拟导线覆冰在线监测装置，其特征在于，主要包括所述模拟导线(1)、步进电机(2)、电机固定套管(3)、滚动带轴轴承(4)、密封盒I、密封盒II、三维力传感器I(51)、三维力传感器II(52)、支架、步进电机驱动器和微控制器I。
所述模拟导线(1)的一端连接步进电机(2)的传动轴I，另一端连接滚动带轴轴承(4)的首端；
所述步进电机(2)传动轴II的末端套有电机固定套管(3)；
所述电机固定套管(3)外罩设有密封盒I；
所述密封盒I内封装有三维力传感器I(51)、步进电机驱动器和微控制器I；
所述滚动带轴轴承(4)的末端罩设有密封盒II；
所述密封盒II内封装有三维力传感器II(52)；
所述支架分别与密封盒I、密封盒II固定连接；
所述支架固定在用于固定输电线路的线路杆塔上；
所述三维力传感器I(51)贴置在步进电机(2)的传动轴II上，监测步进电机(2)传动轴II的拉力；所述三维力传感器I(51)将传动轴II的拉力转换为电压信号I，并通过无线方式发送至微控制器I；
所述三维力传感器II(52)贴置在滚动带轴轴承(4)的末端，监测滚动带轴轴承(4)末端的拉力；所述三维力传感器II(52)将带轴轴承(4)末端的拉力转换为电压信号II，并通过无线方式发送至微控制器I；
所述微控制器I的I/O接口引脚与步进电机驱动器信号线连接；
所述微控制器I接收电压信号I和电压信号II后，处理得到模拟导线(1)的覆冰厚度d，即：
d＝(4M/πρl)0.5(1)
式中，M为覆冰质量；ρ为标准雨凇覆冰密度；l为模拟导线(1)长度；
覆冰质量M如下所示：



式中，为三维力传感器电压与受力的转换系数；V1、V2为三维力传感器I(51)、三维力传感器II(52)输出电压经AD转换后得到的数字量；
当覆冰厚度d＞预设的旋转厚度h时，所述微控制器对模拟导线覆冰厚度d进行处理，计算得到模拟导线中点最大扭转角度θ，即：



式中，θx为以线路杆塔为零点，据零点距离x处模拟导线(1)的扭转角度；M’为模拟导线(1)均匀覆冰下单位长度模拟导线(1)所受到的冰层力矩；k为模拟导线(1)刚度；x为模拟导线(1)和零点的距离；
导线均匀覆冰下单位长度导线所受到的冰层力矩M’如下所示：



式中，ρ为标准雨凇覆冰密度；D为模拟导线(1)外径；b为覆冰厚度；g为重力加速度；r为偏心覆冰的半径；
k＝α(G1J1+G2J2)(5)
式中，α为模拟导线(1)的拧绕系数；G1、G2为模拟导线(1)内芯和外绞线的扭转弹性模量；J1、J2为模拟导线(1)内芯和外绞线的扭转极惯距；
所述微控制器将模拟导线中点最大扭转角度θ转化为N个脉冲，并发送至步进电机驱动器，通过步进电机驱动器驱动步进电机(2)旋转，以带动模拟导线(1)旋转θ°。


2.根据权利要求1所述的基于微地形微...

【专利技术属性】
技术研发人员：李道武，李贤初，吴尧，胡建林，游亮，蒋兴良，曾林，刘杰，龚信举，于龙，陈启洪，陈泽帆，
申请(专利权)人：重庆市送变电工程有限公司，重庆大学，国家电网有限公司，国网重庆市电力公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50