石青松

（三峽大學，湖北宜昌 443000）

引言

輸電鐵塔是電力輸送系統(tǒng)的關鍵設備，承擔著輸電線路的安全與可靠運行的責任。在我國特高壓輸電線路工程建設中，輸電鐵塔不可避免地經(jīng)過高海拔或環(huán)境惡劣地區(qū)，在極端天氣（例如大風、導線覆冰等）條件下，可能會導致輸電鐵塔發(fā)生受力傾斜、變形、甚至倒塔事故，引起電力長時間中斷，造成大量經(jīng)濟損失。為確保輸電鐵塔的正常穩(wěn)定運行，現(xiàn)今，我國最常用的巡檢方式包括人工檢、視頻監(jiān)控技術、超聲波回聲測距等方式[1]，但這些方式存在一定的局限性，例如：人工巡檢方式所獲得的信息有限，不足以精確定位和排除故障；視頻監(jiān)控技術存在精確度問題；超聲波測距存在成本高、易受干擾等問題。因此，發(fā)展新的、高效的輸電鐵塔檢測技術非常有必要[2,3]。

伴隨著智能材料、信號處理以及通信技術的發(fā)展[4]，利用在線監(jiān)測技術對大型結構的運行穩(wěn)定性能進行實時監(jiān)測，并通過監(jiān)測所得數(shù)據(jù)進行評估，可實現(xiàn)實時反映結構安全狀態(tài)的目標。

通過研究在多種工況下輸電鐵塔穩(wěn)定性能，結合相關結構穩(wěn)定性判定依據(jù)，利用力學計算軟件，計算出輸電線路桿塔的薄弱桿件位置，并針對薄弱桿件設計相應的穩(wěn)定性監(jiān)測及預警方案，達到輸電鐵塔穩(wěn)定性實時監(jiān)測目的。

1 鐵塔薄弱桿件分析

1.1 有限元模型

以試驗場110 kV 1A3-DJ型鐵塔為分析對象，該塔總高13.8 m，跟開2.85 m，導線采用LGJ-300/40型，地線采用JLB20A-100型。桿塔主材采用Q345角鋼，其他采用Q235角鋼。在建立的有限元模型中，鐵塔主材、斜材及輔材均采用Beam188梁單元進行模擬，所建立的桿塔有限元模型如圖1所示。

圖1 110 kV1A3-DJ型桿塔對照圖

1.2 荷載計算及穩(wěn)定性分析

風、冰荷載是引起輸電線路及桿塔發(fā)生事故的主要誘因，尤其是在強風地帶、重冰區(qū)可能會引起導線（覆冰）舞動、導線覆冰過載，導致部分桿件或整體塔體結構發(fā)生嚴重變形甚至斷裂事故。通過模擬分析風、冰荷載下的鐵塔受力狀態(tài)是分析實際鐵塔穩(wěn)定性能的重要手段之一。參考DL/T 514—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》[5]，不同電壓等級線路基本風速和設計冰厚的重現(xiàn)期，330 kV及以下氣象重現(xiàn)期為30年。查閱當?shù)亟?0年氣象報告，選取30 m/s風速為當?shù)刈畲笤O計風速，風向角垂直線路運行方向為最不利風攻角（90°）；覆冰厚度15 mm為當?shù)刈畲笤O計覆冰厚度。

以AR法[6]模擬實際工況下動態(tài)風荷載的變化過程，圖2為時間在200 s以內(nèi)、風向角為90°、平均最大設計風速為30 m/s時的風荷載變化曲線。

圖2 風荷載變化曲線

將動態(tài)風荷載作用過程用ANSYS軟件進行瞬態(tài)受力分析模擬，最大應力桿件云圖及應力變化趨勢圖如圖3，4所示。

圖3 最大應力桿件云圖

圖4 應力變化趨勢

當無覆冰、平均最大風速為30 m/s時，在一定時間范圍內(nèi)，桿件軸向最大應力為84.1 MPa，受力桿件表現(xiàn)為軸向壓彎。

當線路最大覆冰15 mm、平均最大風速分別為10 m/s、20 m/s、30 m/s時，在一定時間范圍內(nèi)，各工況下桿塔最大軸向應力桿件如圖5所示。

圖5 應力變化趨勢

三種工況下，鐵塔桿件最大應力點仍位于背風側與塔腿相連的塔身第一層主材處，在平均風速為30 m/s、導線覆冰厚度為15 mm時，桿件最大應力的瞬時值可達248.6 MPa，遠大于僅有風荷載作用下桿件最大應力，即導線覆冰荷載與風荷載共同作用下的鐵塔危險性更高。

在外部荷載作用下輸電鐵塔結構發(fā)生整體性失穩(wěn)現(xiàn)象主要是從單根構件局部失穩(wěn)開始的。局部單根角鋼構件的失穩(wěn)現(xiàn)象將會引起整個結構的內(nèi)力重新分布，對維持鐵塔整體穩(wěn)定性貢獻減少，即系統(tǒng)整體穩(wěn)定性能減小。因此，獲取某一單根構件的穩(wěn)定性能，是反映輸電線路桿塔整體穩(wěn)定性能的重要手段。對于單根軸向受力壓彎或拉彎桿件存在著穩(wěn)定性判定公式：

式中：N為桿件截面軸力標準值，單位為N；φ為受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)；mN為受壓桿件的強度折減系數(shù)；A為桿件的毛截面面積，單位為mm2；M為截面彎矩，單位為N·mm；W為截面抵抗矩，單位為mm3；NEX為歐拉臨界值；σ為桿件應力實際值，f為桿件強度設計值，單位為MPa。當σ與f的比值越接近于1則認為桿件的穩(wěn)定性能越差，即為薄弱桿件，圖6為110 kV 1A3-DJ型鐵塔的各桿件編號，表1為分析工況在最大平均風速30 m/s、覆冰厚度15 mm時的各桿件的參數(shù)。

圖6 桿件編號圖

從表1可知，A1、A13號桿件所承受的軸向應力最大，表現(xiàn)為受力壓彎，在相同材料屬性的條件下，σ與f的比值比其他桿件的比值更接近于1，即A1、A13號桿件為薄弱桿件。

2 輸電鐵塔在線監(jiān)測系統(tǒng)

輸電鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件組成，能夠實現(xiàn)對鐵塔結構的穩(wěn)定性監(jiān)測，為桿塔日常維護和管理提供依據(jù)。鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸單元、監(jiān)測數(shù)據(jù)終端部分和電源供電單元，總體結構框圖如圖7所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

輸電鐵塔數(shù)據(jù)采集單元是整個實時監(jiān)測系統(tǒng)的重要部分，該單元由各種傳感器和采集設備組成，主要完成桿塔實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)需滿足：各類傳感器和采集設備應同步采集；各類傳感器和采集設備應長期穩(wěn)定運行并易于更換等。

用于監(jiān)測桿件應力的傳感器采用DH1205型表面式應變傳感器（電阻式）。該類傳感器為帶基座安裝，可重復安裝使用，靈敏度可達500 με/mV/V，量程達±3000 με，工作環(huán)境溫度-20℃～80℃，輸出為電壓信號。

風速風向傳感器采用SM5388M型風速風向一體式傳感器，風速量程范圍達30 m/s，風速分辨率可達0.1 m/s，風向范圍為0～360°，供電范圍為DC 6 V～24 V，工作環(huán)境溫度為-30℃～80℃。

溫度傳感器采用SM63型百葉箱式氣象站傳感器，測量溫度范圍為-40℃～85℃，測量精度達±0.5℃；測濕范圍為：0～100%RH，測量精度達±3%RH，供電單元范圍為DC 6 V～24 V，采用電流信號輸出形式，輸出范圍為4 mA～20 mA。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸單元

監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸單元包含數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信單元。數(shù)據(jù)處理單元主要負責接收各類傳感器的輸出信號，并傳輸至數(shù)據(jù)采集儀上，然后由數(shù)據(jù)采集儀將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)A/D轉換、數(shù)據(jù)匯總，最后經(jīng)由通信串口連接至數(shù)據(jù)通信單元上。

數(shù)據(jù)采集儀采用DH2002多功能實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)模擬信號調(diào)理、A/D信號轉換和遠程數(shù)據(jù)發(fā)送為一體的多通道采集-傳輸功能，并同步傳輸、不漏碼、不死機，能夠長時間數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)通信單元采用USR-G780型4G-DTU發(fā)射模塊。該模塊通過SIM卡登入移動運營商的4G網(wǎng)絡，初始化后獲得移動內(nèi)網(wǎng)的動態(tài)IP地址，然后將現(xiàn)場采集的信號通過DTU內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡協(xié)議封裝，最后通過4G網(wǎng)絡傳送至監(jiān)控中心。

2.3 供電單元

由于鐵塔所處的地理環(huán)境，遠距離對監(jiān)測系統(tǒng)單獨鋪設供電線路花費極大，考慮其適用性、經(jīng)濟性，采用太陽能電池板及鋰電池供電，單元設計框圖如圖8所示。

圖8 供電單元設計框圖

3 試驗及分析

利用ANSYS仿真軟件進行受力分析，最終得到110 kV 1A3-DJ型桿塔的薄弱點位置，為薄弱桿件位置選取提供依據(jù)。在實際試驗中，對試驗場110 kV 1A3-DJ型桿塔的薄弱點位置及其他部位安裝相應的傳感器。

在試驗過程中需排除環(huán)境溫度對應力監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。試驗方法選用與桿塔塔材相同的單根角鋼構件，放置于桿塔周圍，使單根角鋼與桿塔所處的環(huán)境相同。然后在該單根構件上安裝一個應變傳感器，用于測量實際溫度變化對應變傳感器的影響，實際桿件應力值為測量值減去溫漂效應所產(chǎn)生應力測量值。

圖9為試驗場110 kV 1A3-DJ型輸電鐵塔在一定時間范圍內(nèi)，桿件的應力監(jiān)測數(shù)據(jù)效果圖。圖9中為4個傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中2號傳感器為圖6中A1桿件（薄弱桿件）應力監(jiān)測數(shù)據(jù)，1、3、4號傳感器為對照組試驗，分別位于D1、A2、B1處。實測最大應力桿件位置與利用ANSYS分析得到的最大應力桿件位置相同，因此，可通過監(jiān)測其位置處應力變化來反映鐵塔的穩(wěn)定性能。

4 結論

本文以110 kV型鐵塔為例，計算分析了各工況下的鐵塔的受力狀態(tài)，結合結構穩(wěn)定理論，得到了鐵塔的受力薄弱位置。然后針對受力薄弱位置設計了穩(wěn)定性在線監(jiān)測系統(tǒng)方案，并通過戶外試驗場進行相關試驗，試驗效果較好，可為輸電鐵塔的日常維護與檢修提供有效手段。