劉 洋，劉 樺，李志偉，封 云

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.北京市市政工程研究院，北京 100037）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷提高和環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，高壓輸電作為生命線工程在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活中發(fā)揮著舉足輕重的作用［1］。高壓輸電塔是高負(fù)荷電能輸送的載體，是生命線工程的重要組成。通常情況下，輸電塔具有塔體高和柔性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)，容易在臺(tái)風(fēng)等極端條件下發(fā)生倒塌性破壞［2］。

在我國(guó)電網(wǎng)輸電鐵塔的安全防護(hù)中，現(xiàn)在的技術(shù)手段主要依靠人工、直升機(jī)、無人機(jī)的巡檢，以及傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)裝置［3］。福建沿海地區(qū)山地起伏、交通復(fù)雜，巡檢人員的工作難度較大，無人機(jī)的監(jiān)測(cè)也很受制約。即使在其他地區(qū)，也存在由于巡檢人員承擔(dān)的線路較多，對(duì)某一基塔的巡檢周期較長(zhǎng)的問題。現(xiàn)有的鐵塔在線監(jiān)測(cè)方法，主要有基于傾角傳感器的鐵塔傾斜監(jiān)測(cè)和基于衛(wèi)星技術(shù)的鐵塔形變監(jiān)測(cè)等，它們能夠很好地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢、機(jī)器人巡線，但是其只能間接反映鐵塔的受力情況，而無法直接獲取鐵塔的受力狀態(tài)。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，使得人類社會(huì)進(jìn)入新的互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，而輸電鐵塔力學(xué)性能監(jiān)測(cè)作為鐵塔傳統(tǒng)巡檢及監(jiān)測(cè)方式的重要補(bǔ)充，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的背景下應(yīng)運(yùn)而生［4］。利用先進(jìn)的制造業(yè)，可以使得傳感器精度更高、功耗更低、耐久性更長(zhǎng)；利用先進(jìn)的通訊技術(shù)，可以采用無線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺魏我慌_(tái)服務(wù)器；利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，可以將采集到的大量數(shù)據(jù)及各種數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)到云平臺(tái)；利用高性能的計(jì)算機(jī)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的實(shí)時(shí)處理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 輸電鐵塔概況

本次試驗(yàn)輸電鐵塔位于福建省 220 kV 某回線路，塔型為 ZM31-24 貓頭型直線塔，塔高 30 m，呼高位 24 m，結(jié)構(gòu)形式為格構(gòu)式鋼塔，各桿件之間采用螺栓連接。該塔建于 20 世紀(jì)末，鋼材規(guī)格為 16 Mn，主要受力構(gòu)件由角鋼組成［5］。所選試驗(yàn)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)立面圖及實(shí)景如圖 1 所示。

圖1 試驗(yàn)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)平面圖及實(shí)景

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

依據(jù)輸電鐵塔所處的地理環(huán)境、自身受力特點(diǎn)，建立長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的自動(dòng)化力學(xué)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見圖 2）［6-9］。該系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成。

1）傳感器子系統(tǒng)。由監(jiān)測(cè)鐵塔受力的應(yīng)變計(jì)和監(jiān)測(cè)鐵塔整體變形的傾角計(jì)組成。

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)。由數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置和相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)所組成，用于采集傳感器信號(hào)并傳輸給數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)。

3）數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)。由數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成，通過該系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)采集與傳輸進(jìn)行有效地控制。在此基礎(chǔ)上，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，分類存儲(chǔ)、備份并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖2 輸電鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器的選型

根據(jù)原理不同，常用的應(yīng)變計(jì)主要分為三類：電阻式、振弦式、光纖光柵式。電阻應(yīng)變計(jì)靈敏度高，采樣頻率高，但易受干擾，耐久性較差，不適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。振弦應(yīng)變計(jì)，壽命較長(zhǎng)，耐久性、穩(wěn)定性較好，但采樣頻率較低，是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最多的應(yīng)變傳感器。光纖光柵應(yīng)變計(jì)靈敏度高、采樣頻率高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，但安裝多為串聯(lián)，在復(fù)雜的環(huán)境中易受損且不易返修。綜合考慮選擇振弦式應(yīng)變計(jì)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，其主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。

表1 應(yīng)變計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)測(cè)量方法不同，傾角計(jì)主要分為單軸和雙軸。根據(jù)安裝方式不同，傾角計(jì)主要分為鉆孔安裝和獨(dú)立安裝兩類。綜合考慮試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇雙軸鉆孔安裝型傾角計(jì)，其主要技術(shù)參數(shù)如表 2 所示。

表2 傾角計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取輸電鐵塔受力較大的構(gòu)件作為應(yīng)變監(jiān)測(cè)對(duì)象。由于鐵塔自身的對(duì)稱性，在測(cè)點(diǎn)設(shè)置時(shí)受力水平程度相似的位置均布置測(cè)點(diǎn)，以供數(shù)據(jù)相互對(duì)比和校核。此外，由于測(cè)點(diǎn)布置需要登高作業(yè)，難度較大，為便于設(shè)備調(diào)試和安裝施工，在測(cè)點(diǎn)布置時(shí)隨著高度的升高，測(cè)點(diǎn)數(shù)量適當(dāng)減少，線路設(shè)計(jì)盡量短。綜合考慮后，共布置 36 個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖 3 所示；1 個(gè)傾角計(jì)，布置于輸電鐵塔塔頂。

圖3 振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：mm）

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)塔輸電鐵塔前后對(duì)稱，左右對(duì)稱（一般約定，順著導(dǎo)線方向?yàn)榍昂螅怪睂?dǎo)線方向?yàn)樽笥遥?。由于角鋼有兩肢（每肢分為?nèi)側(cè)和外側(cè)），有兩端，在安裝應(yīng)變計(jì)的時(shí)候，遵循以下的原則。

1）所有桿件類型為主材的，應(yīng)該將應(yīng)變計(jì)安置在角鋼靠下的位置，如圖 4（a）中 AB 桿所示，所有桿件類型為斜材的，應(yīng)該將應(yīng)變計(jì)安裝在中間位置，如圖 4（a）中 AC 桿所示，AC 桿在正中間有輔助材。

2）斜材角鋼一般只有一肢通過螺栓和主材相連，另一肢為自由肢，應(yīng)變計(jì)安裝于連接肢。而主材往往兩肢均為連接肢。對(duì)于塔身上的主材，應(yīng)變計(jì)安裝于在平行線路方向的外側(cè)（以塔中心為內(nèi)，距離塔中心遠(yuǎn)的為外側(cè)）。對(duì)于塔頭上的主材，從俯視角度看，也盡量安裝于肢的外側(cè)［見圖 4（b）、（c）］。

3）應(yīng)變計(jì)應(yīng)沿著角鋼肢的方向進(jìn)行布置，且應(yīng)布置在角鋼肢的準(zhǔn)線上，一般螺栓均位于肢的準(zhǔn)線上。

圖4 應(yīng)變計(jì)主材/斜材安裝圖

由于試驗(yàn)塔上不可以焊接和打孔，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，為傾角計(jì)、采集設(shè)備設(shè)計(jì)了專用連接組件，以保證傾角計(jì)安裝牢固且垂直，確保采集設(shè)備安裝穩(wěn)固。傾角計(jì)和采集設(shè)備安裝實(shí)景如圖 5 所示。

圖5 傾角計(jì)和采集設(shè)備安裝實(shí)景

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)塔位于偏遠(yuǎn)無人地區(qū)，沒有條件就近取電供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行使用，因此選用太陽(yáng)能獨(dú)立供電系統(tǒng)。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)是一套通過非常嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的獨(dú)立系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三部分：太陽(yáng)能電池子陣、蓄電池組和控制器，其均采用模塊化設(shè)計(jì)，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)日照充足時(shí)，由太陽(yáng)能系統(tǒng)為負(fù)載供電、為蓄電池充電；在日落后或陰雨天，則由蓄電池向負(fù)載放電［10］。系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)框圖如圖 6 所示，每套系統(tǒng)包括太陽(yáng)能板及其支架、太陽(yáng)能控制器、蓄電池、機(jī)箱（電池采用單獨(dú)機(jī)箱）、連接線纜等。太陽(yáng)能供電子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景如圖 7 所示。

圖6 太陽(yáng)能供電子系統(tǒng)示意圖

圖7 太陽(yáng)能供電子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

野外太陽(yáng)能電源系統(tǒng)應(yīng)具備寬動(dòng)態(tài)、高效率的供電特性。在低負(fù)載的環(huán)境下能夠高效率供電，在通信設(shè)備收發(fā)信息時(shí)能夠短時(shí)大電流供電；儲(chǔ)能蓄電池應(yīng)選擇環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)的電池。應(yīng)充分考慮電池容量，以及受高低溫對(duì)其的影響；應(yīng)控制系統(tǒng)整體功耗，盡可能地在滿足系統(tǒng)供電要求情況下，減少電源系統(tǒng)的重量和體積；在設(shè)備正常工作模式下，要求蓄電池容量按無光照情況下，可以維持 30 天供電；考慮到電池容量受溫度和使用時(shí)間的影響，應(yīng)預(yù)留一定的余量；為了降低供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，塔上設(shè)備電壓等級(jí)全部統(tǒng)一為 12 VDC。

綜上考慮，根據(jù)計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，40 通道滿通道采集及采樣頻率為 6 min/次的情況下，供電系統(tǒng)太陽(yáng)能光伏板選擇 100 W，儲(chǔ)能蓄電池選擇 100 Ah 進(jìn)行配備。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行常見問題分析

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，在惡劣環(huán)境下，往往系統(tǒng)出現(xiàn)問題最多的是供電系統(tǒng)部件。常見的幾種現(xiàn)象列舉如下。

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線纜較多、連接點(diǎn)較多，很容易因?yàn)榫€纜連接不慎導(dǎo)致的設(shè)備供電問題，尤其是線纜連接處可能因?yàn)轱L(fēng)吹日曬容易出現(xiàn)不易發(fā)現(xiàn)的斷連現(xiàn)象，即設(shè)備布置初期運(yùn)轉(zhuǎn)良好，運(yùn)行一段時(shí)間后突然斷電，現(xiàn)場(chǎng)檢查卻未發(fā)現(xiàn)異常，此時(shí)很有可能是某處線纜接頭在電工膠內(nèi)部已經(jīng)斷開外部卻不易察覺。為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，在線纜連接時(shí)就應(yīng)邊連接邊檢查，尤其在接頭處應(yīng)格外注意，除連接加固外，應(yīng)盡量將其兩端固定避免因連接處受力而斷連。

太陽(yáng)能控制器故障也是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電問題的易發(fā)情況。由于太陽(yáng)能控制器不防水且易損壞，故應(yīng)將其應(yīng)盡量布置在防水防潮的密閉空間內(nèi)，避免其因接觸水或潮氣引起損壞導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)斷電。

溫度變化及雨水對(duì)儲(chǔ)能蓄電池會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害，因此，根據(jù)所處地區(qū)環(huán)境的不同，應(yīng)對(duì)蓄電池采取相應(yīng)的溫度控制和防水防潮措施，避免蓄電池過早老化損壞，并且應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)周期考慮儲(chǔ)能蓄電池的老化等問題給予監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適當(dāng)?shù)母挥嗯鋫洹?/p>

雨雪陰天等會(huì)影響太陽(yáng)能供電效率等，也應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)太陽(yáng)能電池子陣富余配備。

除供電問題外，常見的故障還有通訊故障、數(shù)據(jù)包丟失或出現(xiàn)數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)故障等。

通訊故障一般是由于 DTU 損壞或是 SIM 卡通訊問題，除維護(hù) DTU 及 SIM 正常通訊外，應(yīng)配備大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，在數(shù)據(jù)無法向外傳輸?shù)那闆r下，保證有足夠的空間存儲(chǔ)未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)包丟失或出現(xiàn)數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)故障往往是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分不穩(wěn)定導(dǎo)致的，除進(jìn)行軟件維護(hù)和升級(jí)外，適當(dāng)降低采集頻率，提高軟硬件匹配度，一定程度上可避免上述現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

輸電鐵塔力學(xué)性能監(jiān)測(cè)是對(duì)目前輸電鐵塔安全防護(hù)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的重要補(bǔ)充。本文以福建地區(qū) ZM31-24 貓頭型直線塔為背景，對(duì)輸電塔力學(xué)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中常見問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，具體結(jié)論如下。

1）輸電鐵塔應(yīng)變監(jiān)測(cè)可采用振弦式應(yīng)變計(jì)，其特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，耐久性、穩(wěn)定性、可靠性好，受外界干擾小，適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。傾斜監(jiān)測(cè)可采用雙向傾角計(jì)，以便于同時(shí)獲取兩個(gè)方向的傾斜數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)布置不僅要選取受力大的位置，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，以及便于設(shè)備安裝調(diào)試，隨著高度的增加測(cè)點(diǎn)適當(dāng)減少，線路盡量短。

2）應(yīng)變計(jì)主材應(yīng)安裝在角鋼靠下的位置，其中塔身主材應(yīng)安裝于在平行線路方向的外側(cè)，塔頭主材從俯視角度看也盡量安裝于肢的外側(cè)；應(yīng)變計(jì)斜材應(yīng)安裝在中間位置，且為與主材相連的連接肢。此外，應(yīng)變計(jì)應(yīng)沿著鋼肢的方向布置在準(zhǔn)線上。

3）在無人區(qū)，可采用太陽(yáng)能供電，充分考慮太陽(yáng)能供電效率和電池容量，根據(jù)計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，40 通道滿通道采集及采樣頻率為 6 min/次的情況下，供電系統(tǒng)太陽(yáng)能光伏板可選擇 100 W，儲(chǔ)能蓄電池可選擇 100 Ah。

4）可采用加固連接點(diǎn)、減少線纜連接點(diǎn)受力等措施減少線纜原因?qū)е碌墓╇姽收希辉鰪?qiáng)對(duì)太陽(yáng)能控制器及電池的保護(hù)從而減少其導(dǎo)致的供電故障。

5）維護(hù) DTU 及 SIM 正常通訊，并配備大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，預(yù)防通訊故障及由于通訊故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。適當(dāng)降低采集頻率，提高軟硬件匹配度，一定程度上可避免數(shù)據(jù)包丟失或出現(xiàn)數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)故障。