杜志葉， 趙鵬飛， 伍 川， 龍振華， 孟圣淳， 郝兆揚

(1.武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院 河南 鄭州 450015；3.蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

輸電線路桿塔作為電力系統(tǒng)中輸電環(huán)節(jié)的重要樞紐，是電力輸送網(wǎng)絡(luò)安全運行的重要保障。隨著中國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)，新型電力系統(tǒng)運行對電網(wǎng)智能化建設(shè)提出了更高的要求[1]。目前針對輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要還是依靠人工運維巡檢和無人機巡檢[2]，但是這些方式存在巡檢周期長和監(jiān)測遲滯性的問題，并不能實時掌握輸電桿塔結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。因此，如何對輸電線路桿塔健康狀態(tài)進(jìn)行實時精準(zhǔn)在線監(jiān)測一直都是電網(wǎng)運維檢修重點關(guān)注的問題之一。

隨著我國智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展[3]，國內(nèi)外專家學(xué)者對輸電桿塔的在線監(jiān)測展開研究，相關(guān)理論方法也取得了一定成果。高明等[4]基于傾角傳感器研究了對輸電桿塔傾斜角度監(jiān)測的方法；范貝貝[5]利用圖像處理的方式研究了基于智能視頻的輸電桿塔傾斜在線監(jiān)測方法；劉艷等[6]研究了基于衛(wèi)星技術(shù)的桿塔形變監(jiān)測方法。但是上述監(jiān)測方法只能間接監(jiān)測桿塔整體受力傾斜及形變的狀況，無法直接有效監(jiān)測到桿塔角鋼結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。近年來,新型傳感技術(shù)不斷向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展[7]，部分學(xué)者開始對桿塔角鋼應(yīng)變在線監(jiān)測進(jìn)行研究。劉福營[8]研究了基于電阻式應(yīng)變傳感器的桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測方法，但是電阻應(yīng)變計測量精度受自然環(huán)境影響很大，必須對應(yīng)變計進(jìn)行防水、防潮處理，采用的金屬基片容易疲勞導(dǎo)致靈敏度下降。黃新波等[9]采用一種粘貼光纖應(yīng)變片的方式對輸電桿塔角鋼應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，但應(yīng)變片的安裝方式對測量精度影響較大。初金良等[10]在輸電桿塔不同高度位置上焊接振弦應(yīng)變計獲取角鋼應(yīng)變數(shù)據(jù)，對輸電桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測及疲勞破壞分析，但是焊接式的振弦應(yīng)變計存在使用壽命短和測量誤差大的問題。

針對上述輸電桿塔結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線監(jiān)測方法存在的問題，本文基于光纖光柵傳感器提出了一種考慮傳感器安裝位置及方式的輸電桿塔角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)在線監(jiān)測方法，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了輸電桿塔角鋼應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)，對某220 kV輸電線路桿塔進(jìn)行了安裝測試運行，研究結(jié)果在實際工程應(yīng)用中具有較高的參考價值。

1 輸電桿塔角鋼表面應(yīng)變特性分析

1.1 角鋼表面應(yīng)變特性有限元模型

輸電線路中的角鋼鐵塔是一種空間超靜定結(jié)構(gòu)，工程上采用有限元分析理論對其進(jìn)行力學(xué)仿真計算[11]。在ANSYS軟件中多采用BEAM188單元來模擬桿塔角鋼，該單元基于Timoshenko梁理論，考慮了剪切變形效應(yīng)且變形后橫截面保持平面不發(fā)生扭曲，適用于對桿塔角鋼梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[12]。

輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測需要在角鋼桿件上安裝應(yīng)變傳感器，通過獲取測點位置的應(yīng)變值來判斷角鋼受力情況。然而對于傳感器在角鋼表面上的安裝位置，根據(jù)角鋼自身特點一共有4個面可以選擇，因此，為了提高角鋼應(yīng)變測量的準(zhǔn)確性，對角鋼表面的應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，以輸電桿塔上L65×5規(guī)格的角鋼為研究對象進(jìn)行有限元仿真計算來提取其表面不同測點的應(yīng)變值。

BEAM188單元截面中的每個柵格內(nèi)含4個積分點，在材料本構(gòu)關(guān)系的計算中，角鋼單元的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果先在截面的積分點處計算，然后再外推至截面的角節(jié)點處，在ANSYS軟件中通過定義單元表可以提取不同位置處的單元截面中的角節(jié)點計算結(jié)果。單元截面柵格的劃分情況如圖1所示，其中的數(shù)字表示角節(jié)點編號，A面和D面中的單元截面角節(jié)點(5、7、9、11、13和16、23、26、29、32)屬于角鋼外表面節(jié)點，B面和C面中的單元截面角節(jié)點(17、18、19、20、21和17、24、27、30、33)屬于角鋼內(nèi)表面節(jié)點。

圖1 角鋼單元截面的角節(jié)點分布Figure 1 Nodes distribution of angle steel element section

1.2 角鋼表面應(yīng)變響應(yīng)仿真分析

對上述角鋼進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變仿真時，通過約束角鋼一端的全部自由度，對另一端模型分別施加z方向的軸向力和x、y方向的非軸向力，大小分別為200、400、600、800 N，，共模擬組合形成12種不同的外力荷載工況進(jìn)行仿真計算。結(jié)果表明：當(dāng)角鋼受軸向荷載時，四個面的角節(jié)點軸向應(yīng)變都一樣，并且外力荷載越大，節(jié)點的軸向應(yīng)變越大；當(dāng)角鋼受非軸向荷載時，四個面的截面角節(jié)點軸向應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果不同，對比分析不同表面的截面節(jié)點軸向應(yīng)變結(jié)果可知，相同工況下角鋼外表面的A面和D面比內(nèi)表面的B面和C面應(yīng)變響應(yīng)值大。當(dāng)外力為x方向的400 N非軸向荷載時，每個面上不同單元截面節(jié)點的軸向應(yīng)變隨角鋼長度變化的分布關(guān)系如圖2所示。

圖2 角鋼不同表面節(jié)點應(yīng)變結(jié)果Figure 2 Results of section nodes strain on angle steel

由圖2可以看出，當(dāng)角鋼受到非軸向荷載時，相同工況下角鋼外表面比內(nèi)表面的曲線斜率大，即角鋼外表面比內(nèi)表面的應(yīng)變響應(yīng)靈敏度高，因此在對桿塔角鋼進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測時要使所測角鋼應(yīng)變誤差相對較小，應(yīng)該考慮將傳感器安裝在應(yīng)變響應(yīng)靈敏度較大的角鋼外表面位置。

2 傳感器安裝方式對應(yīng)變測量結(jié)果的影響

2.1 光纖光柵傳感器的工作原理

光纖布拉格光柵(fiber bragg grating，F(xiàn)BG)傳感器相比于傳統(tǒng)的傳感器具有靈敏度高、使用壽命長、抗電磁干擾等優(yōu)點[13-14]。目前相關(guān)光纖傳感技術(shù)已比較成熟，將其用于測量輸電桿塔角鋼應(yīng)變可以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的監(jiān)測。其工作原理如圖3所示，寬譜光源發(fā)出的光進(jìn)入光柵，纖芯內(nèi)的光柵將滿足布拉格條件特定波長的光反射回來，根據(jù)光纖光柵模式耦合理論可知反射光的中心波長為

圖3 光纖光柵傳感器的工作原理Figure 3 Schematic diagram of FBG strain sensor

λB=2neffΛ。

(1)

式中：λB為反射光的中心波長；neff為纖芯有效折射率；Λ為光纖光柵周期。

當(dāng)光纖光柵受到所處環(huán)境中應(yīng)變或溫度等物理量的影響時，neff和Λ將會發(fā)生變化，從而引起λB發(fā)生偏移，因此可以通過檢測λB的偏移量來監(jiān)測所處環(huán)境中應(yīng)變或溫度的變化。

反射光中心波長λB的總偏移量與應(yīng)變和溫度的變化關(guān)系表達(dá)式如下：

(2)

式中：Pe為光纖有效彈光系數(shù)；Δε為應(yīng)變變化；α和β為光纖的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化。

2.2 光纖光柵傳感器的標(biāo)定

在利用光纖光柵傳感器測量角鋼應(yīng)變的實驗之前，需要對應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定。在實驗室中將長度為800 mm的Q235角鋼置于拉伸試驗機上，將其一端固定，另一端施加軸向拉伸和壓縮載荷使其產(chǎn)生應(yīng)變，測量記錄角鋼的實際應(yīng)變值ε(正方向表示拉伸，負(fù)方向表示壓縮)，即角鋼變化量ΔL與原長度L的比值。通過光纖光柵解調(diào)儀實時記錄反射光的中心波長值，將記錄的實驗結(jié)果散點圖利用MATLAB曲線擬合得到光纖光柵應(yīng)變傳感器的靈敏度標(biāo)定曲線，如圖4所示。

圖4 傳感器的靈敏度標(biāo)定曲線Figure 4 Sensitivity calibration curve of strain sensor

反射光波長和角鋼應(yīng)變的表達(dá)關(guān)系式為

λB=0.742 4×10-6ε+1.545×106。

(3)

從圖4中可以看出，反射光中心波長和角鋼應(yīng)變呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，兩者的相關(guān)系數(shù)為99.98%，因此可以將光纖光柵應(yīng)變傳感器用于準(zhǔn)確測量角鋼的應(yīng)變，其測量精度滿足實際應(yīng)用要求。

2.3 傳感器安裝方式對角鋼應(yīng)變測量的影響

目前在FBG封裝方式上較多采用不會改變光纖光柵應(yīng)變傳感特性的毛細(xì)鋼管光纖光柵封裝工藝，并且經(jīng)研究表明在此封裝工藝基礎(chǔ)上采用兩端設(shè)置夾持構(gòu)件的傳感器應(yīng)變傳遞率最高[15]，因此本文選擇采用毛細(xì)鋼管封裝工藝的夾持式傳感器對桿塔角鋼應(yīng)變進(jìn)行測量。對于野外輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測，選擇合適的光纖光柵傳感器安裝方式，使角鋼應(yīng)變可以精準(zhǔn)有效地傳遞到光纖光柵傳感器中，也是實現(xiàn)角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)監(jiān)測的關(guān)鍵。

為了使光纖光柵傳感器與被測角鋼結(jié)構(gòu)緊密貼合，目前常見的安裝方式主要有膠粘劑粘貼和焊接兩種方式[16]。采用焊接方式會改變或損壞角鋼原有的結(jié)構(gòu)性能，使實際測量產(chǎn)生較大誤差。因此本文根據(jù)輸電桿塔結(jié)構(gòu)中L角鋼的形狀特點，設(shè)計了一種可拆卸手環(huán)式的L型專用夾具，如圖5所示，上下兩片L夾具可以將傳感器和角鋼緊密貼合產(chǎn)生協(xié)同形變。

圖5 傳感器夾具設(shè)計圖Figure 5 Schematic diagram of fixture design for sensor

在實驗室中搭建測試平臺，采用本文設(shè)計的傳感器夾具和不同膠粘劑材料[16]將傳感器固定在角鋼外表面同一位置開展角鋼應(yīng)變實驗測量，如圖6所示。通過在其端部施加大小不同的荷載對角鋼應(yīng)變進(jìn)行多次測量并記錄，保持傳感器的安裝位置等其他因素不變，對比分析傳感器不同安裝方式對角鋼應(yīng)變測量的影響。為了避免偶然誤差，同一荷載作用下進(jìn)行3次重復(fù)測量取均值作為測量結(jié)果。

圖6 光纖光柵傳感器安裝方式Figure 6 The installation method of FBG sensor

實驗測量結(jié)果和仿真計算結(jié)果的散點圖擬合曲線對比如圖7所示。將實測擬合方程中的一次項系數(shù)與仿真擬合方程的一次項系數(shù)之比定義為應(yīng)變傳遞系數(shù)，則302AB膠的應(yīng)變傳遞系數(shù)為57.88%；502膠的應(yīng)變傳遞系數(shù)為40.21%；704硅橡膠的應(yīng)變傳遞系數(shù)為35.60%；夾具安裝方式的應(yīng)變傳遞系數(shù)為94.34%。通過對比可以看出，采用夾具安裝方式下的角鋼應(yīng)變測量結(jié)果的應(yīng)變傳遞系數(shù)和測量精度相對最高，因此使用本文設(shè)計的夾具方式固定傳感器對角鋼應(yīng)變進(jìn)行測量能保證角鋼應(yīng)變可以有效傳遞給光纖光柵傳感器。

圖7 實驗測量結(jié)果擬合曲線Figure 7 Curves of experimental measurement results

3 算例分析

3.1 輸電塔線體系有限元模型

在對輸電桿塔角鋼應(yīng)變在線監(jiān)測時，選擇合適的安裝位置作為監(jiān)測點，這些監(jiān)測點既要能充分反映輸電桿塔結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性的信息，也要考慮傳感器安裝數(shù)量和成本問題。以河南省境內(nèi)容易受大風(fēng)災(zāi)害影響的某220 kV輸電線路桿塔為研究對象，根據(jù)實際線路圖在ANSYS軟件里面建立1∶1三維精細(xì)化輸電塔線體系有限元模型，如圖8所示。

圖8 輸電塔線體系局部模型Figure 8 Model of transmission tower line system

3.2 傳感器監(jiān)測點安裝位置分析

考慮鐵塔角鋼桿件的結(jié)構(gòu)和幾何非線性，在ANSYS有限元軟件中對模型循環(huán)施加風(fēng)荷載，風(fēng)速為5～30 m/s，風(fēng)向角為30°、60°、90°，共組合成18種不同的風(fēng)荷載工況。當(dāng)風(fēng)荷載的風(fēng)速為30 m/s，風(fēng)向角為90°時，輸電桿塔模型的軸向應(yīng)力及位移分布云圖如圖9所示?？梢钥闯?，單元應(yīng)力集中分布在桿塔主材上，最大拉應(yīng)力為315 MPa，最大壓應(yīng)力為338 MPa。

圖9 輸電桿塔有限元仿真結(jié)果Figure 9 Finite element simulation results of tower

對于角鋼桿件，一般以屈服強度作為判斷其失效的依據(jù)，即當(dāng)其所受應(yīng)力超過屈服強度時，角鋼失效變形導(dǎo)致承載力迅速下降。因此，基于上述有限元仿真，計算出桿件軸向應(yīng)力和自身屈服強度的比值絕對值，整理導(dǎo)出桿塔各角鋼單元應(yīng)力比值較大的單元并排序，將不同工況下出現(xiàn)角鋼薄弱點次數(shù)最多的角鋼單元進(jìn)行統(tǒng)計，輸電桿塔角鋼薄弱單元的位置分布如圖10所示。

圖10 角鋼薄弱單元分布Figure 10 Distribution of weak elements in angle steel

由圖10可以看出，此輸電桿塔角鋼桿件最易出現(xiàn)薄弱點的位置是塔腿和塔身的部分角鋼，尤其是鐵塔塔身中間主材部位出現(xiàn)了多處薄弱角鋼的集中分布，這說明此輸電線路鐵塔在大風(fēng)作用下塔身中部會發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形或承載失效，甚至發(fā)生倒塔事故。因此,結(jié)合上述仿真計算結(jié)果，選取這些角鋼薄弱點作為光纖光柵傳感器的安裝位置，可以最直接有效地監(jiān)測輸電桿塔結(jié)構(gòu)薄弱角鋼的狀態(tài)。

4 實測驗證

4.1 輸電桿塔角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)在線監(jiān)測系統(tǒng)

為了驗證本文方法的有效性，設(shè)計了一種基于光纖光柵傳感器的輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，如圖11所示，該系統(tǒng)主要包含：太陽能供電系統(tǒng)模塊、光纖光柵傳感器應(yīng)變測量與采集模塊、數(shù)據(jù)信號傳輸及遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊等。在輸電桿塔角鋼薄弱點位置依次安裝光纖光柵傳感器，由于光纖光柵傳感器同時對應(yīng)變和溫度敏感，因此在實際的角鋼應(yīng)變測量中還需要考慮溫度交叉敏感帶來光纖波長變化的問題。本文在設(shè)計方案中采用溫度補償?shù)姆绞絹硐郎囟绕茙淼挠绊懀丛诿總€應(yīng)變通道中串聯(lián)一個溫度傳感器作為溫度補償，當(dāng)桿塔角鋼受到外部荷載，應(yīng)力發(fā)生變化時，光纖光柵解調(diào)儀可以實時解調(diào)傳感器反射光的中心波長，從而同步監(jiān)測各測點角鋼應(yīng)變值的大小，然后數(shù)據(jù)傳輸終端通過5G-LTE公網(wǎng)將監(jiān)測的角鋼應(yīng)變數(shù)據(jù)上傳至實驗室服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，遠(yuǎn)程監(jiān)測中心即可實現(xiàn)對角鋼測點應(yīng)變值的實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析。

圖11 輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計示意圖Figure 11 Design drawing of transmission pole tower angle steel monitoring system

將搭建好的輸電桿塔角鋼應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝在上述某220 kV實際線路中的輸電桿塔上進(jìn)行現(xiàn)場實測，為掌握輸電桿塔所處環(huán)境的實時風(fēng)速，同時安裝了風(fēng)速測量儀實時采集現(xiàn)場的風(fēng)速及風(fēng)向情況，監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，經(jīng)現(xiàn)場測試，設(shè)備運行狀態(tài)一切正常，光纖光柵傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場安裝實況圖如圖12所示。

圖12 在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝實況圖Figure 12 Construction drawing for monitoring system installation

4.2 實測與仿真數(shù)據(jù)分析

此在線監(jiān)測系統(tǒng)自安裝后所有設(shè)備一直在持續(xù)穩(wěn)定地運行，整理統(tǒng)計2021年12月7日至13日期間光纖光柵傳感器的在線監(jiān)測運行數(shù)據(jù)，其部分監(jiān)測點的測量數(shù)據(jù)結(jié)果如圖13所示，選取現(xiàn)場實測風(fēng)速中14個不同時間點下對應(yīng)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元仿真驗證，不同提取點的具體風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)如表1所示。

圖13 應(yīng)變測量結(jié)果變化曲線Figure 13 Curve of strain measurement results

表1 風(fēng)速提取點數(shù)據(jù)Table 1 Extraction results of wind speed data points

將上述實測情況下不同時刻的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)導(dǎo)入輸電塔線體系有限元仿真模型中進(jìn)行計算，對不同情況下各測點的有限元仿真計算結(jié)果整理統(tǒng)計分析，其中部分測點的有限元仿真計算結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比情況如圖14所示。

圖14 測點仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比Figure 14 Comparison of simulation and measurement

由圖14可知，采用本文方法設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)實測的應(yīng)變數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確度，實測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)整體變化趨勢滿足一致性，兩者數(shù)據(jù)點的結(jié)果吻合度較高，實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的應(yīng)變測量誤差小于1.5×10-5，最大相對誤差小于6.28%，有效驗證了本文方法的準(zhǔn)確性，同時設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)也滿足實際測量需求，具有廣泛的工程應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

針對目前輸電桿塔角鋼應(yīng)變監(jiān)測方法及測量精度存在的不足，本文基于光纖光柵傳感器提出了一種考慮傳感器安裝位置及方式的輸電桿塔角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)在線監(jiān)測方法，研究結(jié)論如下。

(1) 角鋼不同表面的應(yīng)變響應(yīng)靈敏度存在一定差異，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)將傳感器安裝在角鋼外表面的位置可以獲得較小的測量誤差。

(2) 實驗證明采用本文設(shè)計的L型夾具安裝方式對角鋼應(yīng)變進(jìn)行測量可以保證應(yīng)變結(jié)果有效傳遞給光纖光柵傳感器，且其測量精度也相對最高。

(3) 利用本文方法設(shè)計搭建的輸電桿塔角鋼應(yīng)變精準(zhǔn)在線監(jiān)測系統(tǒng)通過實測驗證具有較高的測量精度，實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的應(yīng)變測量誤差小于1.5×10-5，最大相對誤差小于6.28%，滿足實際工程測量需求，研究結(jié)果為輸電桿塔的精準(zhǔn)運維提供了一定的參考。