基于点云数据的跳线风偏智能分析技术的应用

基于点云数据的跳线风偏智能分析技术的应用

黄旭勇1于辉1高振宇2

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院昆明650217；2.云南电网有限责任公司昆明650041）

ApplicationofJumperWindOffsetIntelligentAnalysisTechnologyBasedonLaserPointCloudData

HuangXuyong，YuHui，GaoZhenyu

（1.YunnanElectricPowerResearchInstitute，Kunming650217，China；2.YunnanpowergridCo.，Ltd.，Kunming650041，China）

ABSTRACT：ByanalyzingthecomplexconditionsoftransmissionlinesinhighaltitudeareasinsouthwestChina，thispapersummarizesthecausesofmainjumperwindagedeviationconditionsandthetrippingproblemscausedbythem.Usingfiniteelementmodel，thecalculationformulaparametersareobtainedthroughwindagedeviationanglecalculationformulaandlaserpointdataprocessingtosimulatewindagedeviationconditions，andthesimulationvaluesareobtained.Accordingtotheresults，combinedwiththereasonsofworkingconditions，scientificandeffectivesolutionsareputforwardtoreducethelossoflifeandpropertycausedbywindagedeviation.

KEYWORDS：transmissionline；jumperwire；wind-inducedswing；pointcloud

摘要：通过分析西南范围内处于高海拔地区的输电线路当前在线路运维上出现的复杂工况，总结了主要的跳线风偏工况发生的原因以及所导致的跳闸问题，利用有限元模型，通过风偏角计算公式，结合激光点数据处理得到计算公式参数，来模拟风偏工况，得出模拟数值，并根据结果，结合工况原因，提出科学有效的解决方式，减少因风偏工况导致的生命财产损失。

关键词：输电线路；跳线；风偏；点云

1引言

为保证输电通道平稳安全的运行，提高保障用户用电的水平，电力公司在输电线路上的设计上，输电设备的保护上，做了很多研究。而西南地区大多处于高海拔地区，输电线路所在的地理环境和气候环境十分复杂，工况分析的种类繁多，情况复杂这对于输电线路的运维产生了很大的阻力。加上西南地区风力大的环境气候，使得复杂工况分析中的风偏工况更为严重。

强风会使输电线路出现风偏跳闸的问题，这会导致整个输电线路的安全受到威胁，而且由于风偏工况导致跳闸，要以重合闸的方式恢复供电是很困难的，情况危急时会导致整条输电线路停止工作。风偏故障不能消除或发生相间短路时，会扩大事故范围。因此对于分析风偏工况事故的原因，保障输电线路平稳运行，预防风偏故障，减少风偏事故，提高事故处理效率，提出科学有效的解决方式，是当前电力公司急需解决的问题。

本文通过在点云数据处理得到的输电线路三维模型的基础上，计算出与跳线相关的档距参数，仅模拟不同风力的风因素来得出模拟的偏转角与位移距离，与设计规范中计算的数据相比较，分析当前线路的风偏工况，得到风偏工况分析报告，为输电线路的平稳安全送电提高保障。

2复杂工况下跳线风偏分析

风偏故障工况是输电线路在大风天气下导线与杆塔、拉线或其他相导线的空气间隙小于大气击穿电压而造成的跳闸故障。主要类型有直线杆塔绝缘子对塔身或拉线放电，耐张杆塔跳线引流对塔身放电，导线对通道两侧建筑物或边坡、树竹木等放电现象。本文所开展的内容主要是对于跳线风偏分析。

2.1跳线风偏因素

由于近年来大风天气持续增多、微气候气象条件的不断变化，输电线路风偏故障不断发生。国家电网地区的风偏故障主要出现在直线塔上，而南方电网地区因为风偏故障导致的跳闸事故主要集中在耐张塔跳线串上。

相跳线风偏裕度太小，是造成跳线风偏工况故障其中一个原因。跳线长度短，风偏裕度小，很容易受到阵风的影响，导致风偏跳闸。加之设计杆塔时如果没有将跳线和跳线串的风摆距离同时考虑进去，在大风环境下，风偏跳闸的概率更高。

另一个原因是进行杆塔规划和实施时，对跳线绝缘子串的安装配置不合理或者是对于小转角杆塔不安装绝缘子串，大风都会使跳线对杆塔放电。以及杆塔施工时对线路耐张跳线松弛度的把握不够，弧垂误差太大，导致安全距离不够，最终发生风偏跳闸事故。

2.2分析模型

跳线和跳线串的风偏分析最重要的是计算风偏角。通过《电力工程高压送电线路设计手册》中的风偏角计算方法，建立风偏模型，采用有限元模拟风偏过程进行风偏工况分析。

跳线风偏角近似计算方法如下：

（1）

式中：γ1为导线自重比载；γ4为导线风荷载比载。本式不考虑跳线的刚性影响。

导线自重比：

（2）

式中：W0为导线自重；G为重力加速度；S为电线截面。

导线风比载：

（3）

式中：k为电线体型系数；V为风速；D为导线外径。

将（2）式（3）式代入（1）式中可求得跳线风偏角。

跳线绝缘子串风偏角计算方法如下：

（4）

（5）

（6）

式中：lH为跳线作用于悬垂串上的受风水平档距，m；lV为跳线作用于悬垂串上的垂直档距，m；；ω为跳线档距l与横担中线间的水平夹角，°；h为悬挂点间高差，m；β为悬挂点间高差角，°；g1、g4、g6为跳线的单位长度自重力、风重力、综合荷载，N/m；Gv、GH为悬垂绝缘子串的垂直荷载、水平风荷载，N；L0为跳线线长，m；l、l1、l2为跳线档距，m。

上述公式中的受风水平档距、跳线垂直档距、悬挂点高差、跳线线长、跳线档距，可以根据激光点云数据进行杆塔线路的分组拟合，跳线的分组与拟合得到的输电通道三维模型，计算出各个档距，简化模型计算中的数据测量，提高风偏模拟的准确性。

3复杂工况下跳线风偏模拟

3.1风偏模拟

本文采用有限元建模的方法，构建有限元杆塔和等效跳线模型，输电塔采用梁单元模拟，绝缘子采用杆单元模拟，输电线采用索单元模拟。模拟结果如图1和图2。

图1跳线有限元模型

图2杆塔有限元模型

通过数值模拟稳定风、阵风、动力风（脉动风）对跳线和跳线串的风偏模拟，根据风偏角计算公式，以及从点云数据中计算出的档距参数，计算出在不同风力大小下的跳线偏转角和位移距离。

3.2风偏模拟结果

在风偏模拟试验之后得到的数据表明，稳定风所模拟出的跳线偏转角和偏移距离与设计规程中计算得到的结果接近，而阵风模拟出的结果与设计规程中的最大垂直位移和最大水平位移偏差都在在1m以上，而动力风的偏差值更大，跳线和跳线串的摇摆在实际环境中，会非常剧烈，从而导致与杆塔或横担发生风偏放电，进而发生一连串电力事故。这项实验结果仅是在考虑了风速大小的情况下得出的，如果在考虑到地形变化和跳线方向与风向的关系，跳线风偏角度和水平、垂直偏移距离会进一步增大。

4技术应用

由有限元模型计算出风偏工况分析结果，可以作为生成风偏工况报告的依据，利用风偏计算公式，在点云数据分组计算出的各个档间距离的基础上，生成风偏工况报告，可以为输电线路维护人员极大地减少维护成本和工作量，同时提升了输电线路的维护效率和线路运行质量。另一方面，根据风偏模拟结果，结合输电线路所处的环境气候和点云数据处理结果，可以开发一套对于新建的输电线路自动规划设计跳线长度、跳线档距等规则的软件；科学建设新建杆塔；同时可对存在风偏安全隐患的旧输电线路提供整改建议，用来提高输电线路恶劣天气抵御能力，加大线路发生事故的预防力度。

结束语

由于近年来大风天气持续增多、微气候气象条件的不断变化，输电线路风偏故障不断发生，对电网的安全运行也带来了严峻考验，因此对输电线路风偏故障的防治必须引起高度重视。综合模拟计算结果和实际的风偏故障情况，发生的风偏跳闸主要有两个原因，一是自然气候，主要是风力导致，二是输电线路自身的防御能力。自然气候改变不了，只能通过建输电线路，提升防风偏能力。本文根据风偏模拟分析，提出了一种基于点云数据建设自动规划设计新建杆塔的应用方法，来确保输电线路的稳定、安全运行。

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