学术报告

本研究由 Qinghao Chen、Tianyu Liu 和 Zhangqi Wang（均为 North China Electric Power University (Baoding) 的机械工程系）以及 Rui Miao（上海交通大学的海洋与土木工程学院）联合完成，发表于期刊 *Electric Power Systems Research*，第236卷，编号110918，在线出版日期为2024年7月31日。

学术背景

本研究涉及电力工程领域，聚焦于冰雪灾害对输电线路的影响，尤其是低温冻雨环境导致的线路覆冰状态监测问题。冻雨是一种常见的极端天气现象，往往发生在冬季和春季早期，会对电网的安全与稳定运行造成严重影响。在中国南方等高山与湖泊地区，该问题尤为显著，且随着全球气候变化的加剧，此类极端气候事件的频率和强度有增加的趋势。因此，为保证输电线路的安全运行，亟须寻求新的监测技术以便实时、准确地跟踪输电线路覆冰状态。

目前，已有多种覆盖输电线路分析和状态监测的新技术，包括使用有限元模型(Finite Element Model, FEM)进行机械特性分析。然而现有的有限元模型主要依赖商业化软件，在处理实时模拟分析时存在速度和精度上的限制，难以满足实际工程需求。针对这一缺陷，本研究提出了一种基于导线端部位移监测输电线路覆冰状态的新方法，旨在通过建立等高双节点抛物线模型有效捕获覆冰区域输电线的受力特性，提供更高效、经济的解决方案。

研究工作流程

本研究的整体工作分为以下几个部分：

1. 涉及输电线覆冰的机制与机械特性分析：
该部分深入研究了输电线路覆冰的形成原因及其对机械特性的影响。覆冰过程会导致线路张力增加、弧垂变化，进而影响线路的整体平衡状态。研究指出，覆冰以“软雪、雾凇、冻雪和混合凇”四类型为主，其中雾凇对输电线路而言危害最大。这种硬冰层通常在温度范围为-1到5摄氏度时伴随着降水产生，其密度在0.5到0.9克每立方厘米之间，难以脱落，对电网形成严重安全威胁。

2. 等高双节点抛物线模型的建立：
研究团队首次提出一种基于等高双节点悬挂点导线模型来描述覆冰输电线路的受力特性。模型假设输电线路在垂直方向的高差较小（高差与跨距之比≤0.1），塔高可视作相对水平且可通过调整桩基础实现。覆冰后，导线张力的变化值远小于张力本身，因此假定在覆冰过程中导线每段长度始终保持不变，以荷载和水平位移描述导线张力和弧垂的变化。

抛物线模型通过水平位移公式和节点力矩方程推导了导线的最大弧垂和静态平衡方程。同时利用不同厚度和位置的覆冰数据对输电线路各段张力和弧垂进行了数值求解。研究的创新在于以节点水平位移作为计算基础，不依赖繁琐的形状寻优过程，显著提高了计算效率。

3. 连续跨越导体整体刚度矩阵的构造：
将多跨连续输电线的整体结构离散为有限抛物单元，各单元通过节点之间的作用产生互动。研究通过对悬挂点的受力平衡分析，推导出连续跨越导体的整体静态平衡方程。通过该方法，仅需监测输电线上关键节点的水平位移，即可获得任意一段导线上最大弧垂和张力等指标。

4. 覆冰输电线状态监测方案设计与模拟测试：
研究模拟了两种常见冻雨灾害场景下不同输电线路的覆冰状态：
- 第一种为局部覆冰场景，其中某一级的导线受冰灾影响；
- 第二种为整个连续输电线路的某一段均被冰覆盖的场景。

研究团队依托四塔三线真实输电线路实验，采用无线角度传感器（如BWT901）测量悬挂绝缘子串的偏移角度，设计传感器安装及数据监测方案。使用传感器实时监测倾角，结合数学模型迭代计算，进行冰厚与线路受力状态的评估。

主要结果

1. 抛物线模型的效率与准确性验证：
通过与标准链形模型（Catenary Model）以及商用有限元方法（小弹性模量法、直接迭代法）的对比，研究验证了本模型在不同跨距和覆冰厚度条件下的性能：
- 本文提出的两节点抛物线模型计算时间几乎为0.1秒，无明显延迟，比传统模型快90%以上。
- 在精度方面，无论跨距范围（100米至700米）还是冰厚变化（0毫米至20毫米），相较标准模型误差均稳定在约2%。这表明，本模型对导线的弧垂和张力监测有较高的准确性，适用于实时监测需求。

2. 导线受冰厚度与位置变化的影响：
研究结果表明：
- 覆冰导线段： 冰厚增加引起该段弧垂和张力同步升高；
- 非覆冰导线段： 冰厚增加时，距离覆冰段越近的导线张力升高越明显，而弧垂则呈现轻微下降趋势；
- 整体趋势： 张力变化对覆冰区位置更为敏感，冰层分布的均匀性直接决定导线受力分布。

3. 经济性分析：
相比现有监测方案（如光纤传感技术、图像处理系统等），本文提出的角度传感器方案表现出显著的高性价比：
- 单传感器成本仅约50人民币；
- 每级冰灾监测仅需安装2个传感器即可实现4塔3线的整体监测，约为现有方案成本的1%。

研究结论与意义

本研究开发了一种适用于冻雨环境的高效输电线监测模型，展现出如下优势：
- 实现传统有限元技术实时性和适用性上的突破，通过简化的数学表达和高效算法，克服了传统模型耗时长、操作复杂的问题；
- 在精度稳定性的前提下，提出创新性的基于节点位移的张力与弧垂分析方法；
- 提供了一种经济性优异、适用范围广的新型输电线路监测方案，对提升电网极端条件下的抗风险能力具有重要意义。

研究亮点

1. 提出了一种基于节点位移的两节点抛物线模型，首次应用于覆冰输电线的实时状态监测；
   
2. 模型在精度和实时性问题上同时表现出色，误差稳定，运算时间快；
   
3. 利用真实输电线路实验验证了理论模型的可靠性和实际应用潜力；
   
4. 大幅降低输电线监测成本，为冻雨地区的电网维护提供了一种低成本、高效的解决方案。
   

其他相关内容

文中还参考了国内外多个相关研究成果，涵盖有限元技术、覆冰机理、传感器技术应用等文献，体系紧密完整，为后续深入研究提供了充实的理论与应用基础。