Метод определения стрелы провеса провода по периоду его собственных колебаний и усовершенствованная система автоматизированного мониторинга состояния ВЛЭП тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Нгуен Ван Ву

• Нгуен Ван Ву
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ван Ву

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРЕЛЫ ПРОВЕСА ПРОВОДА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

1.1. Измерение стрелы провеса с помощью стандартных механических

средств измерения

1.2. Измерение стрелы провеса с использованием угломерных приборов

1.3. Фотограмметрия

1.4. Лазерное сканирование

1.5. Оптический метод измерения

1.6. Инклинометрический метод измерения

ВЫВОДЫ ПО 1 ГЛАВЕ

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРЕЛЫ ПРОВЕСА ПРОВОДА ВЛ ПО ПЕРИОДУ ЕГО СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ С УЧЕТОМ РАЗНИЦЫ ВЫСОТ ТОЧЕК ПОДВЕСА

2.1. Модель математического маятника

2.2. Модель физического маятника

2.3. Динамика вращательного движения: момент силы и момент инерции

2.4. Вычисление моментов инерции

2.5. Определение центра тяжести тела

2.6. Разработка численной модели стрелы провеса провода ВЛ

2.7. Равновесие тяжелых нитей с малой стрелой провеса. Уравнение равновесия

2.8. Модель собственных гармонических колебаний провода в пролете (без учета различной высоты у точек подвеса провода)

2.9. Модель собственных гармонических колебаний провода в пролете, учитывающая разность высот

2.10. Анализ методической погрешности при пренебрежении разницей высот точек подвеса

2.11. Цепная линия

2.12. Определение центра колебания через уравнения гиперболического

провеса и сравнение с ранее выведенным результатом

2.13. Лабораторный эксперимент с целью подтверждения разработанной

модели посредством применения прямого метода измерений

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

3 НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРЕЛЫ ПРОВЕСА ПРОВОДА ДВУМЯ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ - МЕТОДОМ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРОВОДА И МЕТОДОМ ФОТОГРАММЕТРИИ

3.1. Определение стрелы провеса провода, используя данные о его частоте собственных колебаний, полученных из видеозаписей провода

3.2. Определение стрелы провеса посредством метода фотограмметрии

3.3. Сравнение результатов двух методов

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

4 РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ВЛ И ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

4.1. Описание имеющейся системы мониторинга состояния ВЛ СМГ-16

4.2. Усовершенствование системы мониторинга ВЛ

4.3. Проведение натурных испытаний усовершенствованной системы мониторинга ВЛ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

РАБОТЫ АВТОРА, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

К современным системам передачи электроэнергии предъявляются повышенные требования по надежности и бесперебойности работы. Обрывы, аварии на воздушных линиях электропередачи (ВЛЭП) влекут за собой экономический ущерб и недоотпуск электроэнергии. Одной из главных причин аварий является недопустимые габариты проводов воздушной линии (ВЛ) по сравнению с их проектными нормативными значениями. Поэтому получение точных и объективных данных о пространственном положении проводов в сложных условиях измерений является актуальной задачей.

При обследовании линий электропередачи возникает необходимость в определении такого параметра ВЛ, как стрела провеса [1-5]. Стрела провеса провода f - это вертикальное расстояние от самой нижней точки провода в пролете до прямой, соединяющей точки крепления провода на опорах. Традиционно стрелы провеса каждого линейного провода оценивают на стадии строительства и технического обслуживания в соответствии с правилами устройства электроустановок (ПУЭ) [2]. Там же указано, что по стреле провеса определяются следующие параметры: «Расстояния между проводами, а также между проводами и тросами, при этом стрела провеса троса должна быть не более стрелы провеса провода», «Расстояния от проводов ВЛ до поверхности земли в ненаселенной и труднодоступной местностях в нормальном режиме ВЛ, где наименьшие расстояния определяются при наибольшей стреле провеса провода без учета его нагрева электрическим током», «Наименьшие расстояния от проводов ВЛ до различных частей мостов, при этом определение наибольшей стрелы провеса проводов производится путем сопоставления стрел провеса при высшей температуре воздуха и при гололеде» и другие параметры. По стреле провеса определяются механические нагрузки, такие как: гололедно-изморозевые отложения, налипание мокрого снега, перетягивание проводов, разрегулировка и др. Выдерживание габарита провода гарантирует надежность и безопасность

работы ВЛ и зависит от стрелы провеса. Поэтому стрелу провеса считают самым важным параметром.

Необходимо учитывать вариации длины провода от изменений температуры провода, чтобы во время минимально возможной температуре провода в данной местности не происходило разрыва проводов, а во время максимально возможной - не нарушался габарит провода из-за чрезмерного провисания.

Стрела провеса проводов ВЛ и грозозащитных тросов в процессе эксплуатации изменяется вследствие различных технических работ: при замене опор, проводов, высоковольтных изоляторов, арматуры, при наклоне опор или изменении их конструкций при ремонтно-восстановительных работах, при вытяжке проводов, при перекосе траверсы, при замене неисправных высоковольтных изоляторов и изменении длины гирлянд.

Измерения стрелы провеса эффективнее всего проводить без отключения линии. При измерении стрелы провеса дополнительно необходим контроль температуры для прогнозирования максимальной силы натяжения.

Поскольку строгой периодичности измерения размеров стрелы провеса нет, эти измерения проводятся по мере необходимости, определяемой по результатам периодических проверок. Редкий контроль стрелы провеса ВЛ может привести к аварийным ситуациям, так как она может быстро изменяться, особенно при очень низких температурах окружающей среды. В связи с этим возникает необходимость постоянного контроля этого параметра с целью заблаговременного обнаружения аварийных ситуаций и прогнозирования их возникновения.

Для измерения стрелы провеса провода ВЛЭП в настоящее время применяются такие методы как измерение вручную с помощью механических средств измерения (рулетки, изолирующих штанг и капронового или сухого хлопчатобумажного каната, визирующих реек); с использованием угломерных приборов (теодолитов, нивелиров, карманных высотометров); фотограмметрия; лазерное сканирование; оптический метод измерения; инклинометрический метод. Данным методам присущи различные недостатки и ограничения.

Так, при использовании механических средств измерения имеются ограничения, которые возникают при измерении опорных дальностей (например, при использовании высотомера необходимо наличие плоской подстилающей поверхности). Метод имеет высокую погрешность из-за человеческого фактора. Некоторые методы требуют отключения линии, а без отключения линии опасны, и их может проводить только специально обученный персонал. Измерения посредством угломерных приборов более точные, но также требуется специально обученный персонал и приходится измерять каждый пролет вручную. Также недостатками является высокая цена приборов, невозможность проводить измерения дистанционно.

Недостатками метода определения стрелы провеса путем обработки изображений ВЛЭП с цифровых камер являются зависимость от погодных условий, от уровня сигнала GPS, рельефа местности, малая длительность работы аккумуляторов в зимний период, необходимость получать на каждый полет разрешение на использование воздушного пространства у Зонального центра Единой системы организации воздушного страхования.

При использовании лазерного сканера необходимо воспользоваться большим количеством дополнительного оборудования, обширного программного обеспечения и большого количества специалистов, что делает процедуру дорогостоящей.

Инклинометрический метод достаточно прост в аппаратной реализации и имеет высокую надёжность работы устройств, но имеет высокую погрешность при определении стрелы провеса провода, связанную со сложной калибровкой, так как датчик устанавливается на разные виды проводов и в разные точки подвеса.

Таким образом, разработка альтернативного метода определения стрелы провеса провода, исключающего указанные недостатки и позволяющего реализовать постоянный контроль этого параметра, является актуальной задачей.

Методология и методы исследования

Объект исследования: ВЛ, находящаяся в реальных условиях эксплуатации.

Предмет исследования: Метод определения стрелы провеса провода ВЛ по периоду его собственных колебаний.

Цель диссертационной работы: создание и апробация метода определения стрелы провеса провода ВЛ по периоду его собственных колебаний и усовершенствование разработанной ранее системы мониторинга состояния ВЛ (СМГ-16) [6, 7].

Основные задачи диссертации:

1. На основе анализа существующих методов и устройств контроля провисания проводов разработать метод определения стрелы провеса проводов ВЛ по периоду его собственных колебаний с учетом разницы высот точек подвеса.

3. Провести лабораторные испытания разработанного метода определения стрелы провеса проводов ВЛ по периоду его собственных колебаний с использованием прямого метода измерения.

4. Провести на реальной ВЛ натурные испытания определения стрелы провеса провода двумя различными методами - по периоду собственных колебаний провода и методом фотограмметрии.

5. Усовершенствовать систему автоматизированного мониторинга состояния ВЛ посредством внедрения нового метода определения стрелы провеса провода ВЛ по периоду собственных колебаний провода.

6. Осуществить внедрение системы автоматизированного мониторинга состояния ВЛ и провести испытания на реальной ВЛ.

Методы исследования

При разработке математической модели определения стрелы провеса провода ВЛ по периоду его колебаний использовались модели физического маятника и гибкой нити с применением средств математической обработки информации в программной среде МАТЬАВ

Для проведения экспериментальных и натурных испытаний разработанного метода визуализация и интерпретация результатов испытаний проводились в программной среде LabView 14. Анализ статистических данных проводился с использованием программного обеспечения OriginPro. Моделирование принципиальных схем проводилось в программах Altium Designer 16 и MultiSim

Для верификации разработанного метода определения стрелы провеса провода по периоду его собственных колебаний использовались прямое измерение и метод фотограмметрии.

На защиту выносятся

1. Метод определения стрелы провеса провода ВЛ на основе измерения периода его собственных колебаний с учетом разницы высот точек подвеса.

2. Модернизированная система автоматизированного мониторинга состояния ВЛ, включающая реализацию нового метода определения стрелы провеса провода.

3. Алгоритмы и программы, обеспечивающие обработку информации для системы автоматизированного мониторинга состояния ВЛ.

Теоретическая значимость заключается в том, что проведенная работа по определению стрелы провеса по измерению периода собственных колебаний провода способствует развитию комплексного подхода к задаче.

Практическая значимость заключается в том, что внедрение метода определения стрелы провеса провода по периоду собственных колебаний в систему мониторинга ВЛЭП позволит определять стрелу провеса провода без дополнительной информации по длине пролета и типу провода. Это упрощает и ускоряет развертывание системы мониторинга.

Усовершенствованная система автоматизированного мониторинга состояния ВЛ позволит:

- определять стрелу провеса провода;

- количественно определять механические нагрузки на проводах ВЛ (в т.ч. нагрузки от гололедно-изморозевых отложений);

- осуществлять мониторинг состояния ВЛ, сбор и обработку данных измерений;

- сигнализировать о необходимости принятия мер для снижения текущих механических нагрузок на провода ВЛ.

В процессе исследования были разработаны алгоритмы обработки данных колебаний провода с целью восстановления геометрии провода в пролете на основе информации, получаемой от беспроводных устройств контроля в составе усовершенствованной системы автоматизированного мониторинга ВЛ.

Одним из основных преимуществ усовершенствованной системы является возможность определения стрелы провеса провода без дополнительной информации по длине пролета и типу провода. Это упрощает и ускоряет развертывание системы мониторинга.

Система позволит повысить эффективность работы энергосистемы благодаря сокращению времени локализации пролетов ВЛ с геометрией, отклоняющейся от нормы. Это позволит уменьшить издержки на восстановление линии и повысить бесперебойность подачи электроэнергии потребителям.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках госзадания на выполнение НИР по теме «Распределенные автоматизированные системы мониторинга и диагностики технического состояния воздушных линий электропередачи и подстанций на основе технологии широкополосной передачи данных через линии электропередач и промышленного интернета вещей» (номер темы 075-00063-20-02).

Достоверность полученных результатов подтверждена необходимым объемом экспериментальных исследований; сходимостью результатов предложенного метода определения стрелы провеса с показаниями, полученными экспериментально с помощью прямого измерения, а также с результатами фотограмметрии; применением математического анализа при обработке полученных результатов с использованием современных средств вычислительной техники; непротиворечивостью экспериментальных результатов, выводов и

моделей известным теоретическим положениям и данным работ других исследователей в этой области.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработан метод определения стрелы провеса провода ВЛ на основе измерения периода его собственных колебаний, учитывающий разницу высот точек подвеса.

2. Проведена модернизация существующей системы мониторинга ВЛ СМГ-16 посредством реализации нового метода определения стрелы провеса провода по периоду его собственных колебаний.

3. Разработано программное обеспечение (ПО) обработки видеозаписей провода ВЛ для определения периода его собственных колебаний с целью дальнейшего расчета стрелы провеса.

4. Разработано ПО для определения периода собственных колебаний провода ВЛ для усовершенствованной автоматизированной системы мониторинга с целью расчета стрелы провеса.

Соответствие паспорту научной специальности

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 05.11.13 -«Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (по новой номенклатуре научных специальностей 2.2.8 «Методы и приборы контроля и диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды») и отвечает следующим пунктам паспорта специальности (05.11.13).

1. Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

3. Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами.

6. Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод определения стрелы провеса провода по периоду его собственных колебаний и усовершенствованная система автоматизированного мониторинга состояния ВЛЭП»

Апробация работы

Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения-2020 «Энергетика и цифровая трансформация», Казань, КГЭУ, 28-29 апреля 2020 г.

- XXIX Международная научно-практическая конференция 2020 «Российская наука в современном мире», Москва, 15 апреля 2020 г.

- XXIV Всероссийский аспирантско-магистерский научный семинар, посвященный дню энергетика, Казань, КГЭУ, 8-9 декабря 2020 г.

- VI Национальная научно-практическая конференция «Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве», Казань, КГЭУ, 10-11 декабря 2020 г.

- XV Всероссийская открытая молодежная научно-практическая конференция «Диспетчеризация и управление в электроэнергетике», Казань, КГЭУ, 21-22 октября 2020 г.

- Международный симпозиум «Устойчивая энергетика и энергомашиностроение: SUSE-2021» Казань, КГЭУ, 18-20 февраля 2021 г.

- Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения - 2021 «Энергетика и цифровая трансформация» Казань, КГЭУ, 28-30 апреля 2021 г.

Публикация результатов исследования

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, включая 3 статьи в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в международной базе данных SCOPUS, 1 статью в журнале, входящем в перечень ВАК, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, 8 публикаций в материалах докладов всероссийских и международных научных конференций.

Реализация результатов работы

Усовершенствованная система автоматизированного мониторинга разработана по договору НИОКР «Разработка и внедрение приборов и методики

по слежению за техническим состоянием оборудования подстанций 110/35/6 кВ», договор №0002/52/63 06.04.2020 г. с ПАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина, 20202021 гг. и внедрена в опытную эксплуатацию ПАО «Татнефть».

Личный вклад автора

Результаты, представленные в диссертации и отраженные в публикациях, получены при непосредственном участии соискателя. Автор участвовал в лабораторных и натурных испытаниях, им проведены исследования зависимости стрелы провеса провода от периода собственных колебаний, выполнены обработка и интерпретация экспериментальных данных. Автор предложил концепцию прототипа устройства контроля, измеряющего стрелу провеса провода по периоду колебаний, и лично разрабатывал ключевые элементы экспериментальных стендов. Автор производил технические расчеты, лабораторные и полевые измерения, участвовал в обсуждении и подготовке основных публикаций по выполненной работе. Автор разработал алгоритм обработки данных в программах для ЭВМ «Программа обработки видеозаписей провода ЛЭП с целью определения его частоты собственных колебаний», «Программа анализа данных для определения частоты и амплитуды собственных гармонических колебаний провода ВЛ», «Программа управления экспериментальным комплексом измерения зависимости частоты колебаний проводов ЛЭП от стрелы их провеса».

В работе используются полученные автором результаты анализа и интерпретации экспериментальных данных за период опытной эксплуатации усовершенствованной системы автоматизированного мониторинга состояния ВЛ с использованием метода определения стрелы провеса провода ВЛ по периоду его собственных колебаний.

Структура и объем диссертации. В соответствии с целью и задачами была определена следующая структура работы. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, основные выводы, заключение, список авторских публикаций, включающий 15 работ, список литературы из 71 наименования и приложения. Общий объем работы - 133 страницы, в том числе 59 рисунков и 6 таблиц. Работа

выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Казанский государственный энергетический университет».

Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю, доценту кафедры ТОЭ кандидату технических наук Ярославскому Данилу Александровичу и заведующему кафедрой ТОЭ доктору технических наук, доценту Садыкову Марату Фердинантовичу за ценные советы и наставления, за поддержку в ходе выполнения научно-исследовательских работ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРЕЛЫ ПРОВЕСА ПРОВОДА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Все элементы воздушных линий электропередачи испытывают механические нагрузки и могут быть повреждены при превышении предела их механической прочности. Конструктивные элементы воздушных линий электропередачи испытывают как горизонтальные, так и вертикальные нагрузки. К горизонтальным нагрузкам относятся механические напряжения в растянутой проволоке и/или кабеле, а к вертикальным - нагрузки от собственного веса или веса провода/кабеля. Провода и кабели являются элементами воздушной линии, на которой изменения механических нагрузок наблюдаются в большей степени из-за изменений натяжения провода/кабеля в зависимости от температуры и образования на нем отложений ледяного покрова, а также колебания от порывов ветра [8-16].

Основные механические напряжения в проводе/кабеле воздушной линии связаны с ее удлинением. С увеличением предела прочности проволоки или стержней (сердечников), из которых она изготовлена, ее натяжение также увеличивается. Превышение предела прочности элемента воздушной линии электропередачи может привести к его повреждению: обрыву провода/ кабеля, выходу из строя или обрыву изолятора, межфазному короткому замыканию из-за «дребезга» провода и другим [17-22]. Механическая перегрузка элемента конструкции линии электропередачи может возникать из-за появления отложений обледенения, развития усталости элемента конструкции линии электропередачи, ошибок при строительстве линии, а также ремонтно-реставрационные работы. Среди перечисленных причин появление ледяных отложений сопровождается наиболее серьезными последствиями. Поэтому, в будущем эта проблема будет привлекать особое внимание. Потребность в полноценном обследовании для предотвращения чрезвычайных ситуаций возрастает.

Одним из важных параметров при мониторинге ВЛ является стрела провеса [2, 19, 23-26]. Ее называют важнейшим параметром воздушных линий

электропередач, так как от него зависит выдерживание габарита провода, который гарантирует надежность и безопасность работы ЛЭП [19, 27-31].

Во время измерений стрелы провеса необходимо фиксировать температуру воздуха. Фактические значения, полученные в процессе измерений, рассчитываются или с помощью специальных таблиц приводятся до температуры, при которой получаются наибольшие стрелы провеса. Полученные данные сравниваются с проектными значениями и допусками, приведенными в нормативно - технической документации.

Отличие фактической стрелы провеса от расчетного не должно превышать 5%. Рассогласование проводов любой фазы по отношению к другой, а также рассогласование кабелей допускается не более чем на 10% от проектного значения. При этом необходимо соблюдать требуемое расстояние до земли и пересекаемых объектов. Расстояния от проводов ВЛ до земли и до различных пересекающихся объектов в местах схождения с ней должны быть не меньше определенных в стандартах размеров.

Проверка размеров при пересечении линии с другими сооружениями обязательна в случаях: реконструкции; ремонта линии с изменением или перестановкой опор; при замене проводов; подъеме любых конструкций под линию; а также во время других работ, вызванных изменением размеров.

Существует 6 основных групп методов измерения стрелы провеса [32, A1, А8-А10]:

1. Измерение человеком вручную с помощью механических средств измерения: рулетки, изолирующих штанг и капронового или сухого хлопчатобумажного каната [33-35];

2. С использованием угломерных приборов: теодолитов, нивелиров или более простых оптических приборов, карманных высотометров и т.п. [9, 36];

3. Фотограмметрия [37, 38];

4. Лазерное сканирование [39];

5. Оптический метод измерения [16];

6. Инклинометрический метод [40-43, A8, A9].

1.1. Измерение стрелы провеса с помощью стандартных механических

средств измерения

1.1.1. Применение веревки или рулетки

Измерение габарита на отключенной ВЛ проводят при помощи телескопической вышки или автогидроподъемника [32]. Весь процесс должен проводиться на отключенной линии. Электромонтер, находясь в корзине телевышки, прикладывает один конец веревки (рулетки) к проводу. В то же время другой конец веревки опускается на землю и на уровне земли на веревке делается отметка, затем измеряется длина веревки от верхнего конца до отметки.

1.1.2. Применение изолирующей штанги и капронового или сухого

хлопчатобумажного каната

Измерение габарита линии с помощью капронового каната проходит в следующей последовательности:

1) На опору, не доходя 2 м до уровня изолирующих подвесок, поднимается первый электромонтер и устанавливает блок бесконечного каната;

2) По этому канату он поднимает изолирующую штангу и ролик с измерительным капроновым канатом, который находится в специальном чехле. С помощью штанги ролик устанавливают на провод, а второй конец капронового каната держит второй электромонтер, который находится в это время внизу.

3) После установки ролик с помощью капронового каната вторым электромонтером передвигается до места измерения габарита.

4) По отметкам на канате определяется расстояние от ролика (проводов) до поверхности земли (рис 1.1).

5) После измерения ролик возвращается к опоре и снимается первым электромонтером с помощью изолирующей штанги.

Рисунок 1.1. Измерение габарита ВЛ с помощью капронового каната: 1 — ролик; 2 — отметки; 3 — капроновый канат

Работы выполняются под напряжением. Поэтому работники должны пройти специальное обучение. Также одним из обязательных условий является проведение работ не в сырую погоду.

Наиболее точным и простым способом измерения габарита считается непосредственное измерение под напряжением с помощью специальной, испытанной в соответствии с нормами изолирующей штанги [24, 34]. Один электромонтер в месте измерения одним концом штанги касается провода, другой электромонтер замеряет расстояние от нижнего конца штанги до поверхности земли (дороги, железнодорожного полотна и др.). Длина штанги и измеренное расстояние в сумме дают габарит. Габарит в месте пересечения двух линий определяется разностью габаритов каждой линии.

Для измерения стрелы провеса с помощью штанги определяют габарит линии и расстояние от места крепления провода к изолятору или гирлянд до поверхности земли. Разница между измеренными величинами равна значению стрелы провеса (при прохождении трассы по ровной местности).

Еще одним простым и удобным прибором для измерения стрелы провеса или габарита провода до земли (рис. 1.2) является приспособление для определения высоты элементов ПОВЭ (карманный высотомер) [44, 45].

в

Рисунок 1.2. Схема измерения высоты объекта с помощью ПОВЭ

Высотомер представляет собой конический пластмассовый раструб 1, по торцам которого вставлены визир 2 с двумя отверстиями 02 мм и органическое стекло 3 с двумя рисками по краям [32, 44] (рис. 1.3).

Вид 1 Вид 2

Рисунок 1.3. Карманный высотомер типа ВК-1 (ПОВЭ)

Для определения высоты измеряемого объекта (высоту дерева под проводами, высоту опоры (подвеса) провода на опоре), держа прибор на уровне глаз, наблюдатель отходит от него на такое расстояние, чтобы риски на стекле совпадали: верхний - с вершиной объекта, а нижний - с его основанием. После

этого, расстояние от объекта до наблюдателя измеряют рулеткой, полученное значение, деленное на два и даст искомую высоту.

Для определения высоты провода над землей под проводом в месте измерения забивается кол. Затем наблюдатель удаляется от линии в направлении, перпендикулярном к ней, держа прибор на уровне у глаз, на расстояние, при котором риски совпадают, верхняя - с проводом, нижняя - с основанием забитого кола. Половина измеренного расстояния от наблюдателя до кола, равна габариту провода в месте измерения.

Чтобы определить стрелу провеса провода, сначала измеряют высоту подвеса провода на опоре, как указано выше, а затем наименьшие расстояние от земли до провода и находят их разницу.

Погрешность измерений ПОВЭ, не превышающая 4%, является допустимой при высоте объектов или габаритов до 50 м.

Измерение стрелы провеса проводов (тросов) может быть выполнено путем глазомерного визирования (с помощью двух визирующих реек) (рис. 1.4 и 1.5).

1.1.3. Визирующие рейки

—

Т+Т+ Г* Г? 7> ГШ ТА Га Г+ ^ ТА Г> Г

Рисунок 1.4. Схема измерения стрелы провеса визированием

Рисунок 1.5. Устройства для визирования стрел провеса проводов на: а - ВЛ со штыревыми изоляторами, б - ВЛ с подвесными изоляторами, в -ровном профиле земли, г - наклонном пролете, где 1 - стойка металлической опоры; 2 - окуляр; 3 - рейка с уровнем.

4 - струбцина для крепления; 5 - стрела провеса

На стояках двух смежных опор закрепляют по одной рейке на расстоянии по вертикали от точки крепления провода, равном расчетному значению стрелы провеса провода (определяемому по монтажным таблицам) в проверяемом пролете при данной температуре. Если самая низкая точка провисания провода находится выше или ниже прямой линии, соединяющей две визирные рейки, то провод монтируется с отклонением от заданного натяжения (соответственно с перетяжкой или недотяжкой). Чтобы определить фактическую стрелу провеса, обе планки перемещаются вверх или вниз в положение, где самая низкая точка провода совпадает с прямой линией, соединяющей обе планки. Величина провеса стрелы определяется как среднее арифметическое вертикальное расстояние от точек подвеса проволоки до каждого рельса, путем сравнения полученных данных

со значением провеса стрелы по монтажным кривым или таблицам определяется отклонение от требуемого значения.

Если самая низкая точка провисания провода находится выше или ниже прямой линии, соединяющей две визирные рейки, то провод монтируется с отклонением от заданного. Чтобы определить фактическую стрелу провеса, обе планки перемещаются вверх или вниз в положение, где самая нижняя точка провода совпадает с прямой линией, соединяющей обе планки. Величина стрелы провеса определяется как среднее арифметическое вертикальное расстояние от точек подвеса провода до каждой рейки. Сравнивая полученные данные со значением стрелы прогиба, определяют отклонение от требуемого значения по монтажным кривым или таблицам.

Все описанные методы имеют высокую погрешность, влияет человеческий фактор. Некоторые методы требуют отключения линии, а методы измерения стрелы провеса без отключения линии опасны и их может проводить только специально обученный персонал. Кроме того, персоналу приходится измерять каждый пролет, что весьма трудозатратно.

1.2. Измерение стрелы провеса с использованием угломерных приборов

Одним из основных методов измерения стрелы провеса является метод измерения при помощи угломерных приборов.

В открытой, ненаселенной местности стрелу провеса и габариты провода определяют методом тригонометрического нивелирования оптическими теодолитами или электронными тахеометрами с пунктов теодолитных ходов, прокладываемых вдоль трассы ЛЭП [36, 46]. Участки, над которыми проходит ЛЭП, очень быстро зарастают деревьями и кустами, вдобавок к этому, трассы ЛЭП могут проходить по заповедным местам, где вырубка деревьев строго запрещена, а также в труднопроходимой тайге применение традиционных методов [36] определения стрелы провеса невозможно.

Одним из основных условий проведения измерений является разрешенная скорость ветра, которая не должна превышать 10 м/с. Результаты измерений габаритов проводов необходимо заносить в специальную ведомость [9, 47].

1.2.1. Измерение стрелы провеса теодолитом

Измерения, проводимые с помощью теодолита, являются наиболее точными. Но данный метод используется только при наличии специально обученного персонала.

Для измерения размеров теодолит устанавливают на расстоянии 50^60 м от линии, так чтобы расстояния от прибора до вертикальных проекций нижней точки провода и точки подвеса проволоки на опоре и Я2) были примерно одинаковыми (рис. 1.6). Эти расстояния тщательно измеряются рулеткой или теодолитом и рельсом.

Рисунок 1.6. Измерение стрел провеса с помощью теодолита: А - точка подвеса на опоре; А1 - проекция точки А на землю; В - низшая точка провода в пролете; В1 - проекция точки В на землю; Т - точка установки теодолита; R1 и R2 -расстояния от теодолита до точек А и В соответственно; ^ - высота подвеса

провода на опоре; ^ - высота точки В

Рисунок 1.7. Оси теодолита

Вертикальная визирующая ось теодолита направляется на точку подвеса провода на опоре, и отслеживается превышение точки горизонтальную ось прибора (угол в). Аналогично происходит измерение превышения и низшей точки провода (угол а). По полученным данным рассчитывается стрела провеса провода как разность полученных значений.

\ = Я&Р; к2 = / = И1 - к2. (1.1)

1.2.2. Нивелир

Схожий с теодолитом прибор для измерения стрелы - это нивелир (рис. 1.8). Даже если они похожи внешне, но это совершенно разные инструменты. Основное различие между этими инструментами заключается в их назначении. Геодезические нивелиры предназначены определять величины вертикальных превышений геометрическим способом, а геодезические теодолиты - для измерения углов. Также эти устройства имеют разный функционал, устройства и принцип работы.

И теодолит, и нивелир, имеют зрительную систему с сеткой нитей, благодаря которому можно навести прибор на нужную точку. В теодолите зрительная труба имеет две степени свободы, и, поэтому трубка может вращаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Рисунок 1.8. Прибор для измерения стрелы провеса - нивелир

А у нивелира есть линия визирования, которая вращается только горизонтально, и она не меняет высотного положения.

Еще одно важное отличие теодолита - это принцип измерения. Теодолит -это угломер, а уровень - геодезический высотомер, который используется для определения превышения между точками по горизонтали. Теодолиты оснащены электронной или оптической системой считывания, а также счетными кругами, а нивелиры не имеют встроенной шкалы, и из-за этого могут измерять только превышение по шкале нивелирной рейки, установленной на измеряемых точках.

Данные методы измерений более точные, по сравнению с методами, описанными в п. 1.1, но и для них требуется специально обученный персонал, и приходится измерять каждый пролет вручную. Также недостатками является высокая цена приборов, невозможность дистанционных измерений.

1.3. Фотограмметрия

Метод фотограмметрии основан на использовании данных о форме провода, содержащейся в изображениях ВЛЭП, получаемых с помощью современных цифровых фотоаппаратов [48]. Данный метод называется фотограмметрией (photos - свет, gramma - запись, metreo - измеряю), что в переводе означает

измерение изображений объектов, записанных с помощью света. Когда при измерении используется объёмное изображение объекта, то на основе греческого слова stereo (пространственный) такие измерения называют стереоскопическими или стереофотограмметрическими. Фотограмметрия позволяет определять по изображениям форму исследуемого объекта, его размеры и пространственное положение в заданной системе координат. Кроме этого, также можно узнать площадь, объем, различные сечения в момент съемки и изменения их значений через заданный промежуток времени. Фотограмметрическая обработка изображений имеет следующие преимущества: 1) из изображений объекта можно получить численную информацию о нем такой густоты, которой практически невозможно добиться при прямых измерениях; 2) числовая и графическая информация об объекте может быть получена без соприкосновения с ним, когда объект недоступен человеку или находится в среде, опасной для его жизни; 3) оператор фотограмметрии находится в благоприятной для человека служебной обстановке [49].

В зависимости от того, в какой среде производится съёмка, различают аэро-, наземную, космическую и подводную съемки. Для мониторинга ЛЭП применимы аэро- и наземные съемки. Наземная фотосъемка не имеет перспектив, так как очень много времени уйдет на обход всей линии. Наиболее подходящим и актуальным вариантом является аэрофотосъемка.

Аэрофотосъёмка - это современный аэрофотосъемочный комплекс, который позволяет получать снимки местности с летательных аппаратов (самолета, вертолета, квадрокоптера и других) при помощи специального фотоаппарата (рис. 1.9). Полученные изображения обрабатываются с помощью специальных компьютерных комплексов, когда выполняются корректировка перспективы, дисторсии, цветокоррекции снимков, сшивка «ортофотомозаики» в единое изображение, что позволяет определить геометрические свойства объектов на поверхности земли в охранной зоне ВЛ.

Рисунок 1.9. Результаты обследования того же участка ВЛ технологией

аэрофотосъемки [49]

В последнее десятилетие наиболее актуальным и перспективным стало направление фотограмметрии с помощью беспилотных летательных аппаратов [50, 51], которая активно применяется и за рубежом, и в нашей стране [37, 51] (рис. 1.10).

Достоинством метода фотограмметрии с беспилотными летательными аппаратами является возможность дистанционного сканирования всей линии, быстрое получение результатов. Недостатки - зависимость от погодных условий, от уровня сигнала ГЛОНАСС-GPS, рельефа местности, малая длительность работы аккумуляторов в зимний период, необходимость получать на каждый полет разрешение на использование воздушного пространства у Зонального центра Единой системы организации воздушного страхования.

Рисунок 1.10. Блок-схема устройства беспилотного летательного аппарата для диагностики протяжённых объектов энергетики [51]

1.4. Лазерное сканирование

Лазерное аэросканирование - способ получения объемной информации о координатах объектов с помощью лазерных сканеров. Первичным результатом

является совокупность лазерных точек ("облако точек"), которые имеют определенные значения атрибутов (координаты X, Y, 7, время отклика, интенсивность). Также этот способ позволяет получать данные о форме и местонахождении объектов, расположенных в обзорном коридоре. Обработка данных осуществляется при помощи специализированного программного комплекса, в результате этого определяются геометрические параметры технического состояния ВЛ, а также строится электронная модель ВЛ. По электронной модели ВЛ можно определять стрелу ее провеса. Наиболее достоверную информацию о геометрических параметрах технического состояния надземной части ЛЭП можно получить с помощью лазерной технологии воздушного сканирования, так как точность измерения при данной диагностике составляет примерно 15 см. Кроме того, точность обеспечивается с помощью технологии съемки с применением соответствующего навигационного оборудования, которое устанавливается на борту. Одновременно с лазерной сканирующей системой на борту установлена цифровая камера, обеспечивающая высокодетализированное изображение коридора воздушной линии [52].

Описанная выше технология позволяет создать электронные 3D модели ВЛ, деревьев, земли и объектов, расположенных в охранной зоне ВЛ и вне этой зоны. Электронная модель ЛЭП позволяет достоверно отображать актуальное состояние ВЛ, визуализировать ее состояние, моделировать различные режимы работы и прогнозировать состояние ВЛ при нормируемых режимах работы. Данная модель может осуществлять контроль соответствия проектным решениям вводимых в эксплуатацию новых объектов, а для линий электропередачи, эксплуатируемых в течение длительного времени - обновлять или восстанавливать исполнительную документацию. Полученные данные способствуют планированию работ по очистке и расширению просеки, выявлению потенциально опасных деревьев, растущих за пределами охранной зоны. Во время использования данной модели можно создавать и рассчитывать варианты переустройства ВЛ и замены опор, строить планы и профили трассы, рассчитать длину провода/троса для замены на поврежденном участке. Кроме выше изложенного, модель успешно применяется

для проектирования сложных участков: таких как заходы на подстанции, участки параллельного следования ВЛ и т.д. Также модель позволяет определять места аварии и даже потенциальные места аварии при токовых нагрузках, близких к максимальным.

По результатам анализа электронной модели ВЛ можно получить информацию о стреле провеса, о расстоянии между проводом и землей, между проводами, от проводов ВЛ до пересекаемых их объектов и пр. А также узнать информацию об отклонениях опор от вертикальной оси вдоль и поперек ВЛ, траверс опор относительно стоек опор, отклонениях опор поперек оси ВЛ (выход из створа), отклонениях поддерживающих гирлянд изоляторов относительно вертикальной оси, о наличии потенциально опасных деревьев за пределами охранной зоны ВЛ и др.

Рисунок 1.11. Результаты обследования ВЛ с помощью лазерного

аэросканирования [16] На рис. 1.11 слева показаны классифицированные облака точек от опор, проводов и тросов ВЛ 220 кВ, от растительности, пересекаемой ВЛ 10 кВ и параллельной ВЛ 110 кВ. Также из рисунка видна модель земли и показаны результаты моделирования обследованной ВЛ на максимальную температуру

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ван Ву, 2021 год

/ = / -

• 100%

/ 8а 2/2

(2.117)

/

При Н = и а = 51 ев= 100%. Это происходит в случае, когда самая нижняя

точка кривой совпадает с нижней точкой подвеса. Этот случай является допустимым при эксплуатации ЛЭП.

2

Геометрический смысл параметра = у

длина вертикального отрезка,

V 2 У

проведенного из середины пролета и соединяющего кривую и ось качения.

2.11. Цепная линия

При лучшем приближении относительно ранее описанной линии с малой стрелой провеса из дифференциальных уравнений равновесия элемента нити можно получить цепную линию. Цепная линия - это линия равновесия абсолютно гибкой и нерастяжимой однородной нити, которая находится в поле силы тяжести или, в более широком смысле - это линия равновесия тяжелой неоднородной и растяжимой нити. Выведем ее уравнения.

Рисунок 2.14. Цепная линия

Из-за того, что силы тяжести, действующие на каждый элемент нити, направлены вертикально вниз, они параллельны между собой. Следовательно, цепная линия является плоской кривой. Для получения уравнения цепной линии, воспользуемся рисунком 2.14. Здесь начало координат находится в точке О, ось у

направлена вертикально вверх, а ось х - горизонтально так, чтобы координатная плоскость ху являлась плоскостью нити.

Модуль силы Р для однородной тяжелой нити равен весу единицы длины нити q, при этом q=const. При выборе координатных осей будем иметь:

р = 0, Ру =-д.

4 = H

ds

= q ,

ds ds

(2.118)

(2.119)

где Н = const - проекция натяжения нити на горизонтальную ось х. Из уравнения (2.118) выразим Т:

т=н*,

а.

и подставим его в уравнения (2), учитывая:

^ = ^ 1+у'2 а.

После разделения переменных уравнение примет вид:

йу'

41+у

'2

dx а

Где

a = ■

H

Интегрируя уравнение (2.121), получим:

Arsh(y') =

х-Су

(2.120)

(2.121)

(2.122)

(2.123)

(2.124)

Здесь С1 - постоянная интегрирования. Из последнего равенства получим следующее уравнение:

y = sh^

a

Интегрируя еще раз, получим уравнение цепной линии:

, х-Су п

у = a sh--+ Сл

у а 1

(2.125)

(2.126)

где С2 - постоянная интегрирования.

q

а

Так как при выбранной системе координат ось у проходит через вершину цепной линии, касательная к которой параллельна ось х (рис 2.14), то у' = 0 при х = 0 . Подставив эти значения в равенство (2.125), получим С1=0. Поэтому уравнение (2.126) привет вид:

у = а ^ + С2. (2.127)

Необходимо учесть, что цепная линия проходит через начало координат х = 0 и у = 0 . Следовательно, С2=-а, и уравнение (10) примет каноническую форму:

у = а

^ скх -1) (2.128)

V а )

Это уравнение практически одновременно получили Лейбниц, Гюйгенс и Бернулли.

Рисунок 2.15. Взаимное расположение точек закрепления А и В (пролет I и

превышение И)

В технических приложениях обычно задается взаимное расположение точек закрепления А и В (пролет I и превышение И - рис.2.15), а также длина Ь цепной линии (или другой какой-нибудь ее элемент). При этих условиях, кроме

определения параметра а, входящего в уравнение (2.128), приходится определять также и положение начала координат относительно точек закрепления (начало координат может и не принадлежать цепной линии - рис. 2.15б).

Обозначим расстояние по горизонтали и вертикали от вершины О до верхней точки закрепления А через 3 иf соответственно, т.е. примем хА = 8,у = / (при к = 0 величина f называется стрелой провеса; для краткости, этот термин будем употреблять и в общем случае при к ф 0). Тогда координаты точки В будут: хв = -(/ -8), ув= / - к. Подставим координаты точки А в уравнение (2.128):

/ = а {ск8-1) . (2.129)

V а )

Координаты точки В подставим в уравнение (2.128) и при этом используем уравнение (2.129). После преобразований получим:

к = а

ск8-ск—) . (2.130)

а а )

Вычислим дифференциал дуги цепной линии, для этого подставим в уравнение (2.121) значение у' из уравнения (2.125):

ds = . 1 + sк2 (2.131)

\ а

На основании формулы для гиперболических функций:

cк2z - 5к2 = 1 (2.132)

получим:

х

ds = cк—dx (2.133) а

Интегрируя это равенство от хВ =-(/-8) до хА =8 , найдем длину цепной линии:

Ь = а

эк8 + 8к1-8\ (2.134)

Пользуясь равенствами (2.120), (2.123) и (2.133), найдем натяжение:

Т = ад Бк- (2.135)

а

или, учитывая, (2.128)

Т = д( а + у)

Продифференцировав (2.128) по х , получим

у' = Бк-.

Применительно к точке А последнее уравнение будет иметь вид

£

а

(2.136)

(2.137)

(2.138)

Ьаа = Бк- .

а

К сожалению, совместное решение уравнений (2.130) и (2.138) при неизвестных а и 8 приводит к неустойчивому итерационному приближению. Поэтому для их определения нужно знать угол наклона касательной еще в одной точке. Обозначим угол провеса в точке В как в из (2.137) получим

= (2.139)

Совместное решение (2.138) и (2.139) позволяет выразить параметр а

а =----(2.140)

агвН 1да+агБН Ьдр

После чего 8 можно найти из (2.138). А затем по формулам (2.129), (2.130) и (2.134) можно найти/, И и Ь, соответственно.

2.12. Определение центра колебания через уравнения гиперболического провеса и сравнение с ранее выведенным результатом

Сравним погрешность определения параметра f при провесе с малой стрелой провеса и большой стреле. Для малой стрелы провеса:

I 2

1 8а •

Для случая с большой стрелой провеса

1 = а(ск---Г)

2а

Примем, как и ранее, что I < А ^ а > 51

р 10 4

Оценим погрешность

£ =

р

I-Л

/

100% = 1,32%, при а = 51

4

(2.141)

(2.142)

Выведем выражения для расстояния от оси колебаний до центра в случае большой стрелы провеса. Особенности канонического уравнения провеса с малой стрелой заключается в том, что начало координат находится в нижней точке кривой

у( х) = а(ск--1)

а

В связи с этим расстояние до центра колебаний (при И = 0)

|(у(-)-у(х))2ск~^

■>.7 п

ц =

к - 1_ 2 /

|(у(_) - у(х))скх ^

■>7 п

В этом выражении интегрирование по йя заменено на

ds = 1(1 + зк2 —)dx = cк—dx .

(2.143)

(2.144)

(2.145)

После интегрирования и серии упрощений получим точное решение для точки центра колебания

Ц =

3/ / /

а2 (зк--+ 9зк —) - 6а/ск —

_2а_2а_2а_

3азк--3/

а

(2.146)

Сравним это выражение с аналогичным выражением и , полученным ранее для параболы с к = 0.

/ 2(/2 + 56а2)

и =

1 14а(/2 + 40а2)

(2.147)

При а = 5/ получим погрешность

4

=

4 - и

и

100% = 1,43%

Аналогично сравним Ц

10а

с Ц

Цк Ц0

и

•100% = 0,99%

а а

2

^0 =

Т.к. модель провеса с большой стрелой более точная, чем с малой стрелой,

то оказывается лучшим приближением, чем ь1

Вспомним выведенную ранее формулу для параболы для высоты подвеса на одном уровне

и подставим в нее f для гиперболы. Получим

^ = 4 а(аН±- - 1) . (2.148)

5 2а

5

Оценим погрешность при а = 5 /

4

4 4

4

•100% = 0,34%,

Таким образом, зная Ьк, можно с высокой точностью найти стрелу провеса для пролета с закреплением концов провода на одном уровне, по формуле у = 5 ,

точнее только итерационное приближение выражения (2.146).

Остается проверить данное предположение для пролетов с разницей высот точек подвеса. Уравнение провеса в декартовых координатах имеет вид

^ = а{сиХ -1) . (2.149)

^ =

Рисунок 2.16. Система координат при классическом гиперболическом

провесе

Найдем зависимость длины отрезка, соединяющего точки провода (цепную линию) и ось АВ от координаты х:

v(x) = у(8) - у(х) - (8- х) к (2.150)

Найдем экстремум этой функции

V = к - зк— = 0 ^ ^^^ = а • агсзкк . (2.151)

/а /

Очевидно, что, чем больше вертикаль, тем больше расстояние от оси до кривой.

Выведем уравнения для оси колебания

8

с х

I ((у (8) - у (х)) сов у - (8 - х) вт у)2 cк—dx

J п

ьк ----(2.152)

8-1

^к = 8

г х

сову I ((у(8)-у(х))сову-(8-х^ту)cк — dx

8-1 а

I ((у(8) - у(х))/ - (8- х)к)2 cк—dx

-2_а

8

I ((у (8) - у(х))/ - (8 - x)к)cк — dx

3 п

Ьк =88-— . (2.153)

8-1

После интегрирования и упрощений результат занимает целую страницу, поэтому мы его не приводим, но продолжим работать с выражением. Будем

сравнивать Ц с приближениями ц = 4 £ , где !э - стрела, эквивалентная стреле в

пролете без разницы высот. Она была равна вертикали V в середине пролета при провесе с малой стрелой. Самый простой способ задать кривую при большой стреле - это выразить из них И, задав параметры а и 8. Как и ранее, возьмем а =

4

Подберем 8 таким, чтобы значение И, вычисленное как к = а(ск8-ск1_8)

а а

примерно равнялось 1..

10

Таким 8 будет при 8 = —

24 .

Примем в качестве приближения

4 „ „ /

¿2 = 4 48-/), (2.154)

^ 5 ^ 2

8

где - —) - вертикаль в середине пролета.

2

Тогда

Ьк Ь2

и

•100% = 0,33%

Примем в качестве приближения

4 к

Ьз = — аг8к—)

(2.155)

тогда

Ьк Ьз

Ь

•100% = 0,34%

Удивительно, но погрешность £3 немного больше £2.

Преобразуем вертикали в расстояния до оси и снова оценим погрешность

Ьк - Ь2СО§Г

и

•100% = 0,193%

Ьк - Ь3СО$у

и

•100% = 0,189%

Получается, что в случае цепной линии величина уэ очень близка к

максимальному расстоянию от кривой до оси колебания.

Вспомнив выражение, полученное для центра колебания при параболическом провесе при к = 0

4 / (7—2 + 8/2)

Ь = ■

7(5—2 + 8 /2)

(2.156)

Приняв / = у(а.агсЯкк) , получим

Ьк - Ь4

и

•100% = 0,13% .

Максимальное отклонение точек тах и середины пролета

(2.157)

х., = 5--

составляет

х - х

V тах ц

100% = 2,6%

(2.158)

^2 =

^3 =

^4 =

2

=

х

2.13. Лабораторный эксперимент с целью подтверждения разработанной модели посредством применения прямого метода измерений

Для верификации разработанного метода определения стрелы провеса провода по периоду его собственных колебаний были проведены лабораторные испытания с использованием прямого метода измерения [А3, А12, А13]. Для проверки полученных аналитических выражений был создан лабораторный стенд (рис. 2.17).

Рисунок 2.17. Схема лабораторного стенда для определения периода собственных гармонических колебаний провода в пролёте (5,368 м) с учетом разности высот

Стенд включает в себя:

- пролет - провод длиной 5,368 метров;

- лазерный нивелир BOSCH PLL 360 на штативе (погрешность ±0,4 мм/м);

- линейку для измерения разности высот точек подвеса провода и стрелы провеса;

- специализированное разработанное программное обеспечение [A5-A6].

В качестве опор стенда выступают две противоположные стены, в которых закреплены анкерные дюбеля. На одной стене есть возможность изменять высоту подвеса сменой анкерного дюбеля. В качестве провода в эксперименте используется гибкий медный 7-и жильный кабель, сечением 1,5 мм2, длина провода - 3,368 м. Провод натягивается между опорами с разными стрелами провеса и высотами подвеса.

Провод фиксировался в точках подвеса и проводились измерения. Период определяется следующим образом:

1) Стрела провеса измерялась зафиксированной на стене линейкой при помощи проецирования на нее луча лазерного нивелира;

2) провод равномерно отклонялся от плоскости провеса и резко отпускался без сообщения импульса силы;

3) замерялись колебания провода с помощью акслерометра и специально разработанной программой (рис. 2.18);

3) период определяется как среднее арифметическое значение Tav.

Далее по известной формуле (2.86) рассчитывается стрела провеса провода и сравнивается со значением, полученным прямым методом измерения. Для каждой фиксированной длины эксперимент повторялся десять раз.

Для протоколирования эксперимента и записи сигнала с акселерометра была написана программа на LabVIEW (рис. 2.19). Для обработки сигналов с акселерометра было написано ПО на языке MATLAB [Приложение А] [63-65].

На погрешность определения стрелы провеса разработанным методом оказывает влияние только период дискретизации акселлерометра, который составлял 0,001 секунд. В соответствии с (2.86) относительная погрешность косвенного измерения стрелы провеса будет находитсся по следующей формуле

Gf=^ = °°l (2.159)

где Лт - период дискретизации акселлерометра, Т - период колебаний провода. Эта погрешность не вкючает погрешность модели.

Рисунок 2.18. Лицевая панель и блок диаграмма программы протоколирования эксперимента. Блок-диаграмма представлена в Приложении Б

На погрешность определения стрелы провеса при помощи линейки и нивелира оказывают влияние оба прибора. Абсолютная погрешность линейки 0,5 мм, а нивелира 4 мм на 10 м [66], который распологался на расстоянии 1 м от линейки, следовательно, его абсолютная погрешность составила 0,4. Суммарная абсолютная погрешность метода составила 0,9 мм. Относительную погрешность можно найти по формуле

аГ=Г=~Г~ (2.16°)

Таблица 2.1. Предельные погрешности за время эксперимента, расчитанные по выше приведенным формулам

Погрешность Прямой метод Метод определения стрелы провеса по периоду собственных колебаний

минимальная 0,13% 0,13%

максимальная 0,9% 0,33%

Напомним, что погрешности разработанного метода, приведенные ранее, не включают погрешность модели, поэтому правомерно оценить относительную погрешность, приняв за истинное значение результат измерения прямым методом. Применение формулы (2.86) при проведении лабораторных испытаний разработанного метода при соотношении ¡/И = 5 дало погрешность не более 2,67%. Применение данной формулы значительно упрощает расчеты стрелы провеса.

Зависимости периода собственных гармонических колебаний провода от стрелы его провеса при разности высот между точками подвеса И = 0.25 м и И = 0.503 м приводятся на рис. 2.19. По оси абсцисс откладываются экспериментальные значения стрелы провеса провода /р, м), по оси ординат -значения периодов собственных гармонических колебаний провода (Тса1с -периоды, рассчитываемые по формуле (2.86) для значений /ехр', То.25ехр - периоды, измеряемые экспериментально, при И = 0.25 м; Т0.503ехр - периоды, измеренные экспериментально при И = 0.503 м).

Рис. 2.19. Зависимости периода собственных гармонических колебаний провода Т от стрелы его провеса /ехр при И = 0,25 м и И = 0,503 м

Погрешность расчета стрелы провеса провода при различных стрелах его провеса определяется по следующей формуле:

= [(Гехр - Гсо1с)]/ГеХр] 100% (2.161)

где /ехр - стрела провеса провода, измеренная линейкой; /са[с - стрела провеса провода, рассчитанная из периода колебаний.

Стрела провеса провода при И = 0.25 м изменяется от 0.1 м до 0.553 м. Период собственных гармонических колебаний провода при этом изменяется от 0.578 сек до 1.331 сек. Погрешность расчета периода собственных гармонических колебаний провода при различных стрелах его провеса при И = 0.25 м рассчитывается по формуле (2.159) и составляет от 0.01 % до 1.34 %. При И = 0.503 м стрела провеса провода изменяется от 0.106 м до 0.667 м. Период собственных гармонических колебаний провода при этом изменяется от 0.592 сек до 1.456 сек. Погрешность расчета периода собственных гармонических колебаний провода при различных стрелах его провеса в этом случае составляет от 0.17 % до 1.26 %.

Зависимости периода собственных гармонических колебаний провода от стрелы его провеса при разности высот между точками подвеса И = 0,753 м и И = 1,003 м приводятся на рис. 2.20. Аналогично, по оси абсцисс откладываются экспериментальные значения стрелы провеса провода (/ехр, м), по оси ординат значения периодов собственных гармонических колебаний провода (Тса1с -периоды, рассчитываемые по формуле (2.86) для значений /ехр, То.753ехр - периоды, получаемые экспериментально, при И = 0,753 м; Т].00зехр - значения периода, получаемые экспериментально, при И = 1,003 м).

Стрела провеса провода при И = 0,753 м при проведении эксперимента изменяется от 0,102 м до 0,757 м. Период собственных гармонических колебаний провода при этом изменяется от 0,579 сек до 1,546 сек. Погрешность расчета периода собственных гармонических колебаний провода при различных стрелах его провеса при И = 0,753 м рассчитывается по формуле (2.159) и составляет от 0.04 % до 1.16 %. При И = 1,003 м стрела провеса провода при проведении эксперимента изменяется от 0,080 м до 0,705 м. Период собственных

гармонических колебаний провода при этом изменяется от 0,495 сек до 1,503 сек. Погрешность расчета периода собственных гармонических колебаний провода

при различных стрелах его провеса при И = 1,003 м составляет от 0,06 % до 2,67 %.

Рисунок 2.20. Зависимости периода собственных гармонических колебаний провода Т от стрелы его провеса /ехр при И = 0,753 м и И = 1,003 м

Таким образом, результаты теоретических расчетов и результаты экспериментальных измерений совпадают с погрешностью не более 2,67%. Это подтверждает достоверность предложенного в диссертации метода определения стрелы провеса провода по периоду его собственных колебаний.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2

В главе разработан метод определения стрелы провеса провода ВЛ по периоду его собственных колебаний. На основе физического маятника разработана модель собственных колебаний провода в пролете с точками подвеса

на одной высоте и на разных высотах, которые позволяют определять стрелу провеса провода, исходя из данных по периоду колебаний провода.

Для проверки разработанных метода и модели был проведен лабораторный эксперимент с применением прямого метода измерения стрелы провеса провода и ее расчета посредством предложенного метода. Результаты теоретических расчетов и результаты экспериментальных измерений отличаются не более чем на 2,67%. Это подтверждает достоверность предложенного в диссертации метода определения стрелы провеса провода по периоду его собственных колебаний. Имея устройство контроля, которое может определять период колебаний и угол наклона провода в точке подвеса, можно найти параметр f двумя различными методами (по углу провеса и по периоду его колебаний). Оба метода могут верифицировать друг друга. Переход к определению стрелы провеса провода f исключительно по углу провеса может использоваться при очень слабом ветре.

3 НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРЕЛЫ ПРОВЕСА

ПРОВОДА ДВУМЯ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ - МЕТОДОМ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРОВОДА И МЕТОДОМ

ФОТОГРАММЕТРИИ

Как было доказано во главе 2, стрелу провеса провода ВЛ можно вычислить с помощью частоты ее собственных гармонических колебаний. Для экспериментального подтверждения работы модели, описанной в главе 2 был проведен натурный эксперимент. В эксперименте исследовались 6 фазных проводов в одном пролете. Задача эксперимента заключалась в определении стрелы провеса провода ВЛ двумя различными методами:

1. Используя данные о периоде собственных колебаний, полученные из видеозаписей провода;

2. Методом фотограмметрии, на основе фотографий с реперными изображениями.

Съемка проводилась в один момент времени с двух ракурсов: на видеокамеру в непосредственной близости и на фотокамеру с дальнего расстояния таким образом, чтобы весь пролет попадал в кадр. Снимали по 3 провода одновременно в разные дни. Далее полученные данные с видеокамеры и фотокамеры обрабатывались в специализированных программах с целью вычисления стрелы провеса провода. Все данные сведены в таблицу и построены графики.

Эксперимент проводился на ЛЭП «Магистральная» (подстанция «Киндери» 500/220/110 - подстанция «Магистральная»). Исследуемый пролет указан на рис. 3.1. Длина исследуемого пролета составляет 378,52 м, фазный провод АС-240/56, разница высот точек подвеса провода по сравнению с длиной пролета не существенна.

Опора №1

\

Исследуемый пролет

I

™

шч

Опора №2

Рисунок 3.1. Фотография со спутника исследуемого пролета ЛЭП

3.1. Определение стрелы провеса провода, используя данные о его частоте собственных колебаний, полученных из видеозаписей провода

Данный метод определения стрелы провеса провода состоит из следующих этапов:

- на видеокамеру записываются траектории колебаний фазных проводов в одном пролете,

- по видеозаписям определяется частота собственных колебаний провода с помощью разработанного программного обеспечения (ПО),

- по описанному во второй главе методу проводится расчет стрелы провеса провода по частоте колебаний провода.

В методе используется видеокамера Sony HDR-XR520, штатив, ПК и специальное разработанное ПО. Схема установки представлена на рис. 3.2.

Видеокамера устанавливается неподвижно на штатив в непосредственной близости от ВЛ и направляется на исследуемые фазные провода (рис.3.2). Видеокамера записывает по 3 фазных провода ВЛ в высоком разрешении - Full HD с частотой кадров 50 кадр/сек.

Видеокамера

Рисунок 3.2. Измерительная установка. Цифрами 1-6 указаны номера исследуемых фазных проводов

Видеокамера фиксирует изменение отклонения провода в самой нижней точке стрелы провеса в течение 1 часа. Далее, видеозаписи вводятся в ПК для обработки в специализированном разработанном ПО «Программа обработки видеозаписей провода ЛЭП с целью определения его частоты собственных колебаний» [A7]. Лицевая панель программы представлена на рис. 3.3. Программа написана на графическом языке программирования LabVIEW. Блок-диаграмма программы представлена в Приложении В.

ПО загружает видеозаписи провода ЛЭП, и определяет положение провода в пространстве. Окно на лицевой панели (Image Out) (рис. 3.3) показывает текущий кадр. В окне выставляются вручную области интересов - зеленые полоски перпендикулярно проводу ЛЭП. Можно выставлять любое количество,

количество указывается в ячейке «Size (s) 2». Во всех измерениях выставляли 16 областей. В каждой области определяются крайние положения провода и вычисляется среднее значение и записывается в файл. Программа считывает каждый кадр из видеозаписи и строит график «Waveform Graph» - это положение провода в пространстве на каждом кадре. На данном графике по вертикали откладываются пиксели, по горизонтали - номер кадра. Это текущая обработка данных, как только график будет полностью построен, т.е. обработаны все кадры из видеозаписи, программа определяет «некорректные точки» и строит улучшенный график «Waveform Graph 2». Далее этот график программа сохраняет в текстовом файле в виде двух колонок. Считывая данные из файла видеозаписи о частоте кадров в секунду (50 кадров/сек), программа восстанавливает сигнал положения провода от времени. Затем строит частотный спектр положения провода в пространстве «Waveform Graph 3» и выбирает основную гармонику, определяя тем самым частоту колебаний провода. Данные о положении провода в пространстве записываются в виде файла данных, в названии которого, кроме описания эксперимента, добавляется рассчитанная частота основной гармоники. Далее частота переводится в период колебаний. При необходимости эти файлы можно обработать в другой программе.

В программе имеется возможность начать обработку видеозаписи не с начала, а пропустить любое количество кадров - ячейки «начать с» и «закончить на». Это необходимо для устранения паразитных колебаний при включении камеры не дистанционным способом.

Ячейка «Size (s)» - количество крайних положений при определении местоположения провода в выделенной области интереса (должно быть всегда 2). При значениях, отличных от 2, результат считается недействительным и выходит информация об ошибке; «Frame Rate» - скорость обработки (кадров в секунду); «Image Number» - номер кадра; «Elements» - общее количество кадров.

Рисунок 3.3. Лицевая панель программы «Программа обработки видеозаписей провода ЛЭП с целью определения его

частоты собственных колебаний»

Зная период колебаний провода, полученный программой, по выведенной формуле (2.86) вычисляется стрела провеса провода:

/ = ^ *0,31г2, 16л2

Таким образом, результаты эксперимента, а, именно, рассчитанные значения стрелы провеса проводов, приведены в таблице 3.1. Данные по частоте собственных колебаний проводов представлены в Приложении Г.

Таблица 3.1. Стрелы провеса проводов, определенные с помощью собственных колебаний

Стрела провеса провода, м

Дата Провод №1 Провод№2 Провод№3 Провод№4 Провод№5 Провод№6

05.мар 9,483 9,635 9,423 9,857 10,224 11,411

06.мар 9,411 9,517 9,33 9,832 10,223 11,298

07.мар 9,292 9,471 9,23 9,737 10,137 11,243

09.мар 9,116 9,258 9,068 9,488 10,005 11,098

10.мар 8,853 9,006 8,833 9,244 9,722 10,891

17.мар 9,19 9,313 9,13 9,625 9,99 11,155

18.мар 9,43 9,52 9,346 9,795 10,167 11,372

05.апр 9,597 9,743 9,586 10,042 10,275 11,535

14.апр 10,385 10,517 10,351 10,844 11,085 11,916

График, построенный на основе таблицы 3.1, представлен в Приложении Г. Инструментальная погрешность метода определения стрелы провеса провода по периоду собственных колебаний, используя данные, полученные из видеозаписей провода, рассчитывается по формуле:

А/ = ^АТ (3.1)

где Т - период, АТ - период дискретизации камеры, равный 1/50 (камера снимает с частотой 50 кадров в сек.).

_ 0.04 ( .

/ т т (

Максимальная погрешность определения стрелы провеса равна 0,75%.

3.2. Определение стрелы провеса посредством метода фотограмметрии

С целью достоверности полученных данных первым способом проводилось измерение стрелы провеса с помощью метода фотограмметрии. Метод заключается в следующем: в один момент времени с записью видео делаются фотографии тех же шести проводов в пролете, что и снимает видеокамера, но с другого ракурса, с которого виден весь пролет с опорами (рис.3.4-3.5). В эксперименте использовалась фотокамера Sonya6000.

Рисунок 3.4. Фотография пролета с опорами, дата 05.03.2021 г.

Определение стрелы провеса по фотографии проводилось с помощью специализированного ПО «ImаgeJ». Приложение позволяет выполнять комплексный анализ изображений. С помощью этой программы расстояния из пикселей переводились в метры. Калибровка осуществлялась по заранее измеренному расстоянию между точками подвеса провода в пролете и известным габаритам опоры, что изображены на фотографии.

Рисунок 3.5. Фотография пролета с опорами, дата 14.04.2021 г.

Таблица 3.2. Стрелы провеса проводов, полученные методом фотограмметрии

Стрела провеса провода, м

Дата Провод №1 Провод№2 Провод№3 Провод№4 Провод№5 Провод№6

05.мар 9,478 9,633 9,432 9,896 10,217 11,408

06.мар 9,372 9,534 9,35 9,806 10,209 11,36

07.мар 9,287 9,448 9,254 9,722 10,129 11,243

09.мар 9,117 9,265 9,071 9,538 9,998 11,098

10.мар 8,868 9,028 8,83 9,293 9,766 10,862

17.мар 9,184 9,322 9,165 9,608 10,012 11,181

18.мар 9,418 9,563 9,371 9,835 10,178 11,367

05.апр 9,616 9,768 9,575 10,027 10,259 11,558

14.апр 10,35 10,51 10,394 10,844 11,087 11,908

Данные по стреле провеса провода ВЛ, полученные методом фотограмметрии, представлены в таблице 3.2. Построенный график на основе таблицы представлен в Приложении Г.

Абсолютная погрешность фотограмметрического метода составляет 1 пиксель изображения. Зная расстояние, соответствующее 1 пикселю, погрешность

для данного эксперимента составила 0,07 метра. Максимальная относительная погрешность метода фотограмметрии по формуле (2.160) равна 0,02%.

3.3. Сравнение результатов двух методов

Для сравнения двух описанных методов возьмем данные по стреле провеса из таблиц 3.1 и 3.2 и представим на графике (рис. 3.6).

(Фотограмметрия) (Видеообработка)

е.5 _I_,_I_,_I_,_I_,_I_,_I_,_I_,_I_,_I_,_I

5 марта 6 марта 7 марта 9 марта 10 марта 17 марта 18 марта 5 апреля 14 апреля

Дата измерения

Рисунок 3.6. Сравнение результатов вычисления стрелы провеса двумя разными способами. Цифрами 1-6 обозначены номера проводов.

Таблица 3.3. Температура окражающей среды в контрольных точках на графике