超高壓輸電線路關(guān)鍵構(gòu)件多通道疲勞裂紋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

高汝武

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 366000)

超高壓架空輸電線路在長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于受各種氣象條件的影響，關(guān)鍵構(gòu)件容易出現(xiàn)疲勞損壞，引發(fā)事故。如在覆冰或冰雪混合物及風(fēng)的作用下，導(dǎo)線會(huì)發(fā)生不同形式的振蕩，這些振蕩都可能導(dǎo)致導(dǎo)線、金具、絕緣子和鐵塔構(gòu)件的疲勞。疲勞的形成是一個(gè)漸變的過(guò)程。在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，產(chǎn)生疲勞損傷在構(gòu)件的裂紋敏感部位會(huì)形成疲勞裂紋，疲勞裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展就會(huì)形成宏觀裂紋并最終導(dǎo)致構(gòu)件的失效，引起導(dǎo)線斷股、絕緣子串掉串、線路倒塔等惡性事故［1－2］。

構(gòu)件由于疲勞形成的失效是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，因此根據(jù)損傷容限分析原理可知，只要裂紋擴(kuò)展速度較慢，在構(gòu)件使用期間允許存在初始缺陷或出現(xiàn)一定程度的疲勞裂紋［3－5］。但為了保證構(gòu)件的絕對(duì)安全，有必要在構(gòu)件工作時(shí)對(duì)裂紋敏感部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其是針對(duì)某些惡劣工作環(huán)境下的裂紋敏感部位進(jìn)行監(jiān)控。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

1.1 仿真設(shè)計(jì)思想

在疲勞裂紋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中有兩方面問(wèn)題必須進(jìn)行分析。

一是關(guān)于監(jiān)測(cè)的物理量參數(shù)對(duì)象。根據(jù)信號(hào)傳感原理，若在被測(cè)單元片(模擬構(gòu)件的裂紋敏感部位)兩端加直流恒壓源，一旦在被測(cè)單元片上有裂紋出現(xiàn)，其兩端的輸出電壓就會(huì)因裂紋電阻的變化而發(fā)生改變。這種改變是非常微小的，但是通過(guò)信號(hào)放大單元可以將這種電壓的微弱變化放大到采集單元的采集范圍內(nèi)，經(jīng)輸送之后由電腦終端采集并按照要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與診斷。本文通過(guò)基于Simulink仿真設(shè)計(jì)的程序?qū)⒉杉降碾妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度值，并將該值與預(yù)置的裂紋長(zhǎng)度預(yù)警值進(jìn)行比較。如果采集值大于預(yù)警值，程序報(bào)警;否則屬于安全范圍。與此同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以文本格式將監(jiān)測(cè)時(shí)間和對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)裂紋長(zhǎng)度值記錄下來(lái)，以備后用。

二是關(guān)于疲勞裂紋長(zhǎng)度的診斷原理。本文分析了兩種不同的仿真思想:第1種仿真思想需要首先建立裂紋長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)電壓關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)裂紋產(chǎn)生過(guò)程的特點(diǎn)可知，隨著裂紋的擴(kuò)展，單元片上的電阻絲柵逐個(gè)斷裂，其電阻也逐漸增加，單元片兩端的電壓也隨之增大。在不受外力的情況下，在理論上單元片兩端的電壓與單元片電阻絲柵的個(gè)數(shù)是一一對(duì)應(yīng)的，通過(guò)電壓即可判斷單元片上電阻絲柵的個(gè)數(shù)，即裂紋通過(guò)單元片的長(zhǎng)度，從而測(cè)算裂紋長(zhǎng)度。但是這需要對(duì)電阻絲柵斷裂時(shí)的電壓進(jìn)行標(biāo)定，并建立起相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，最終獲得具有不同斷裂電阻絲柵單元片兩端電壓的適用范圍。比如實(shí)測(cè)某型絕緣子，當(dāng)單元片沒(méi)有裂紋時(shí)其兩端電壓一般在0.4 mV左右，斷裂一根電阻絲柵時(shí)，電壓為0.62 mV，兩者電壓相差較大，即可分別給其標(biāo)定各自范圍，在0～0.5 mV范圍內(nèi)可認(rèn)為電阻絲柵斷裂個(gè)數(shù)為0，在0.51～0.7 mV范圍內(nèi)可判斷斷裂電阻絲柵個(gè)數(shù)為1，以此類推。這種仿真思想僅適用于被測(cè)單元片不受外力或所受外力較小，輸出電阻變化較小的情況，而且標(biāo)定范圍的確定需要大量數(shù)據(jù)支撐，需要耗費(fèi)大量各類構(gòu)件的裂紋單元片樣本，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

第2種仿真思想的診斷原理流程如圖1所示。單元片貼于被測(cè)關(guān)鍵構(gòu)件表面后，如果給構(gòu)件加載，構(gòu)件受力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，單元片也會(huì)有相應(yīng)的變形。這種變形會(huì)使得單元片的電阻絲柵發(fā)生變形而引起電阻變化，因此這種情況下單元片兩端的電壓與在不受力情況下標(biāo)定的單元片電壓不符，所測(cè)電壓會(huì)超出標(biāo)定電壓范圍。如果仍舊使用查表法查找此時(shí)對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度就會(huì)與實(shí)際裂紋長(zhǎng)度有所偏差，引起誤判。針對(duì)這種情況本文制定了第2種仿真思想。單元片在受應(yīng)力變形的時(shí)候其兩端的電壓變化是非常緩慢的，可以看做是一種連續(xù)變化，而單元片的電阻絲斷裂時(shí)其電壓變化是較大的，可以稱之為發(fā)生了電壓跳變。跳變發(fā)生時(shí)，斷裂前的電壓和斷裂發(fā)生后的電壓差至少在0.15 mV以上，而由于應(yīng)力發(fā)生的電壓變化一般為0.01 mV以下，因此可通過(guò)判斷電壓是否發(fā)生跳變來(lái)決定是否有電阻絲柵斷裂。發(fā)生一次跳變裂紋就會(huì)增加一個(gè)單位長(zhǎng)度。這種仿真思想無(wú)需建立龐大的“電壓－裂紋長(zhǎng)度”數(shù)據(jù)庫(kù)，也就省去了對(duì)單元片電壓的標(biāo)定過(guò)程，節(jié)省了大量人力物力。同時(shí)單元片即使在粘貼在工件表面也可精確測(cè)試裂紋長(zhǎng)度，因此更適合實(shí)際測(cè)試環(huán)境的需要。

圖1 診斷原理流程

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交界面板

Simulink平臺(tái)為程序設(shè)計(jì)者提供了非常便于操作的人機(jī)交互界面，其前面板的設(shè)計(jì)給了設(shè)計(jì)人員很多的控件選擇，可以設(shè)計(jì)出更美觀、更實(shí)用的控制面板供客戶使用。

圖2為基于第2種仿真思想設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面。由于該種仿真思想無(wú)需通過(guò)“電壓－裂紋長(zhǎng)度”數(shù)據(jù)庫(kù)查找對(duì)應(yīng)裂紋長(zhǎng)度，因此省去了單元片型號(hào)的選擇。改變單元片型號(hào)時(shí)只需輸入單元片型號(hào)對(duì)應(yīng)的電阻絲間距即可。考慮到測(cè)試初期已經(jīng)有初始裂紋，本研究添加了初始裂紋長(zhǎng)度的輸入，監(jiān)控設(shè)備開(kāi)啟后即可在此初始裂紋長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上輸出新的裂紋長(zhǎng)度。同時(shí)在軟件中添加了數(shù)值輸入控件，在該輸入控件中輸入監(jiān)測(cè)裂紋的預(yù)警值。當(dāng)系統(tǒng)采集信號(hào)轉(zhuǎn)換的裂紋長(zhǎng)度值超過(guò)了預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置的蜂鳴器就會(huì)報(bào)警，同時(shí)報(bào)警通道也會(huì)亮起紅色報(bào)警燈。系統(tǒng)中添加的布爾型開(kāi)關(guān)按鈕控件可以控制數(shù)據(jù)的記錄，記錄的數(shù)據(jù)保存為TXT文本，文件路徑則通過(guò)系統(tǒng)中的文件路徑輸入控件進(jìn)行輸入。圖形顯示控件可以根據(jù)需要選擇16路通道中的實(shí)時(shí)裂紋擴(kuò)展情況。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面

1.3 程序框圖設(shè)計(jì)

軟件部分以Simulink作為Matlab環(huán)境下的可視化仿真組件，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。

Simulink程序框圖的作用是運(yùn)用圖形化語(yǔ)言的形式實(shí)現(xiàn)仿真思想。程序框中包含了數(shù)據(jù)流和命令流的流動(dòng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備相應(yīng)的功能，且都有輸入或輸出端口。

電壓數(shù)據(jù)被分配到對(duì)應(yīng)的通道后，需要將其轉(zhuǎn)換成所需的裂紋長(zhǎng)度，這就需要建立電壓與裂紋長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而使用不同的單元片，其裂紋長(zhǎng)度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系是不同的，所以需要建立不同型號(hào)的單元片的裂紋長(zhǎng)度與電壓間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，本文對(duì)3種單元片逐個(gè)進(jìn)行標(biāo)定，即將單元片按要求安裝后，分別將單元片上的電阻絲一一切斷，從而得到不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值。實(shí)際采集時(shí)，通過(guò)得到的電壓值即可找出對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度值。在Simulink軟件中可以自制節(jié)點(diǎn)，使用本文自制的查找功能節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的電壓－裂紋長(zhǎng)度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系輸入節(jié)點(diǎn)內(nèi)，就獲得了具有通過(guò)電壓查找裂紋長(zhǎng)度的函數(shù)。

將采集電壓轉(zhuǎn)換為裂紋長(zhǎng)度后，通過(guò)數(shù)據(jù)輸出控件即可將監(jiān)測(cè)裂紋顯示在前面板上，同時(shí)可通過(guò)圖表顯示控件制成隨時(shí)間改變的裂紋長(zhǎng)度曲線。條件結(jié)構(gòu)框則根據(jù)前后2次電壓差ΔU的大小判斷是否發(fā)生電壓跳變而確定是否有新的電阻絲柵出現(xiàn)。使用條件結(jié)構(gòu)將裂紋長(zhǎng)度與預(yù)置的預(yù)警值進(jìn)行比較，如果超過(guò)預(yù)警值即判斷為真并報(bào)警。使用“打開(kāi)/創(chuàng)建/替換文件”函數(shù)建立 TXT文本文件，將文件名設(shè)為創(chuàng)建日期+通道號(hào)，從文件名即可判斷文件的記錄日期和對(duì)應(yīng)通道。將所測(cè)裂紋長(zhǎng)度及對(duì)應(yīng)時(shí)間寫(xiě)入該TXT文件。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，還可以間接得到裂紋擴(kuò)展速度等數(shù)據(jù)。

2 多通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件支撐

架空超高壓輸電線路關(guān)鍵構(gòu)件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括信號(hào)變送子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、處理和診斷子系統(tǒng)三大部分［6］。圖3為該多通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。

圖3 多通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)變送子系統(tǒng)

包括在電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的被監(jiān)測(cè)的構(gòu)件、適用單元片、直流電壓源、電壓傳感器等。

2.1.1 直流電壓源

本項(xiàng)目選用TPR-1510系列15V/10A直流穩(wěn)壓電源，該新產(chǎn)品適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科研、電子生產(chǎn)線的產(chǎn)品的測(cè)試，其輸入電壓AC為(220±10%)V、50 Hz，穩(wěn)壓狀態(tài):電壓穩(wěn)定度小于等于(0.05%+2)mV，負(fù)載穩(wěn)定度小于等于(0.5%+2)mV。

2.1.2 采樣單元片

本文所用單元片的型號(hào)有3種:TK-09-CPA01-005/DP、TK-09-CPA02-005/DP 和 TK-09-CPC03-003/DP。當(dāng)有裂紋穿過(guò)單元片時(shí)，單元片內(nèi)的平行電阻絲將隨著裂紋的擴(kuò)展逐個(gè)被切斷，使得單元片上的電阻絲斷路引起單元片的電阻發(fā)生變化，從而引起單元片兩端的電壓，即所采集到的電壓發(fā)生相應(yīng)變化。所以只要分析單元片電阻、裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和所測(cè)電壓之間的具體關(guān)系就可以制定相應(yīng)的仿真思想監(jiān)控裂紋變化情況。CPA01和CPA02兩種單元片的區(qū)別僅在于兩者電阻絲間距不同，CPA01的電阻絲間距僅為CPA02的一半，它們均有20根電阻絲，因此CPA01具有更高的精確性。CPC型單元片的電阻值增量與斷路電阻絲柵斷裂數(shù)裂紋擴(kuò)展方向電阻的數(shù)目有很好的線性關(guān)系，而且其測(cè)試長(zhǎng)度更長(zhǎng)，客戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的單元片型號(hào)。單元片CPA01、CPA02、CPC03電阻絲斷裂數(shù)與電阻間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 單元片CPA01、CPA02、CPC03電阻絲斷裂數(shù)與電阻間的關(guān)系

2.1.3 電壓傳感器

主要作用是檢測(cè)到疲勞裂紋導(dǎo)致的電壓變化信息，并能將該信息按一定規(guī)律變換成為符合一定標(biāo)準(zhǔn)需要的電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足下環(huán)節(jié)對(duì)該項(xiàng)信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。應(yīng)選用直流型電壓傳感器，采用模擬量輸出模式。

2.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

包括信號(hào)預(yù)處理和數(shù)據(jù)采集兩部分，一般在被監(jiān)測(cè)構(gòu)件附近，也可在電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)。

2.2.1 信號(hào)預(yù)處理單元

其功能主要是對(duì)輸入信號(hào)的電平作必要的調(diào)整和采取抑制干擾的措施，以提高信噪比。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)正常工作時(shí)單元片兩端的輸出電壓在10 mV以內(nèi)，而數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍為－10～10 V。為了使得所采集的信號(hào)在采集卡的識(shí)別范圍內(nèi)，常用的方法是使用采樣放大器來(lái)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行放大。本項(xiàng)目使用的采樣放大電路板的型號(hào)為XT-A1-VV16-H型16路信號(hào)放大端子板。該設(shè)備可以將0～10 mV范圍的電壓放大至0～10 V，其放大增益為1000倍，放大后的電壓范圍可以很好地滿足數(shù)據(jù)采集的需要。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集的功能是對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)進(jìn)行采集、A/D轉(zhuǎn)換和記錄。本項(xiàng)目所使用的數(shù)據(jù)采集裝置選用美國(guó)NI公司的USB6211型數(shù)據(jù)采集卡。該型采集卡有16路采集通道，體積小巧，攜帶方便，并具有模擬輸入、輸出的功能和數(shù)字I/O功能。采集卡與計(jì)算機(jī)終端連接以后可根據(jù)需要設(shè)置采集設(shè)備的采集模式、通道、輸入配置采樣率和最大及最小輸入閑置等參數(shù)。該采集卡的輸入配置有3種，即差分測(cè)量系統(tǒng)、參考地端測(cè)量系統(tǒng)和無(wú)參考地端測(cè)量系統(tǒng)。選擇差分輸入系統(tǒng)有8路輸入，選擇單端輸入則是16路輸入。當(dāng)輸入信號(hào)為大于1 V的高電平且信號(hào)源距離采集端較近時(shí)(距離小于5 m時(shí))，適合采用單端輸入模式，并使用一個(gè)共同點(diǎn)作為參考點(diǎn)，否則以差分輸入方式更為合適。選擇差分輸入方式時(shí)，由于輸入信號(hào)有不同的參考端，因此可以有效抑制共模噪聲，使得差分輸入方法的采集精度大為提高。所以應(yīng)該靈活地選擇適合的輸入方式，當(dāng)必須選擇差分輸入方法且輸入信號(hào)超過(guò)8路時(shí)，則需添加同種型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡，如無(wú)需使用差分方式，則單端輸入即可滿足16路輸入信號(hào)以內(nèi)的需求。由于本項(xiàng)目多通道力求16路模擬輸入，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)可以選用單端輸入的方法，如實(shí)際測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)需要更高的精度和抗噪性能，可考慮使用差分輸入，但應(yīng)增加一個(gè)采集卡，以支撐16通道需要。

2.3 信號(hào)的傳輸

從數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，最后應(yīng)通過(guò)傳輸通道或遠(yuǎn)或近地送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和診斷，這一過(guò)程涉及信號(hào)傳送的方式、介質(zhì)和抗干擾等問(wèn)題。本項(xiàng)目為達(dá)理想的傳送速度，選用并行的DMA方式，即直接存儲(chǔ)器存取方式。USB6211型數(shù)據(jù)采集卡的采樣率為200 kHz，即5 μs采一個(gè)字節(jié)，而DMA的動(dòng)作周期僅1.26 μs，很好地適應(yīng)了傳送速率問(wèn)題。為避免信號(hào)在傳送過(guò)程中受其他信號(hào)干擾造成畸變或誤動(dòng)作，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“電－光纖－電”隔離技術(shù)。光纖信號(hào)的傳輸用單模光纖，其纖徑小，帶寬大，適于多通道容量信號(hào)傳送。

2.4 數(shù)據(jù)處理和診斷子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)實(shí)則由是一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用軟件組成，位置在距現(xiàn)場(chǎng)約數(shù)十米至數(shù)百米的主控室內(nèi)。其中，數(shù)據(jù)處理是對(duì)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行分析研究，以保證去偽存真并起由表及里的處理效果。目前，電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)使用較多的是以幅頻特性變化為主要特征的頻譜分析法。診斷單元?jiǎng)t是根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的信息，包括監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，對(duì)超高壓線路關(guān)鍵構(gòu)件的裂紋情況進(jìn)行分析，判斷是否報(bào)警，以確定應(yīng)采取的運(yùn)行技術(shù)措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)超高壓輸電線路關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞裂紋監(jiān)測(cè)，比較了兩種不同的仿真思想，并基于Simulink虛擬儀器平臺(tái)設(shè)計(jì)了虛擬儀器系統(tǒng)。第1種仿真思想是以查表的形式將所測(cè)電壓引至電壓－裂紋長(zhǎng)度數(shù)據(jù)庫(kù)中，查詢此時(shí)裂紋長(zhǎng)度的大小，這種方法僅適用于單元片不受外力或所受外力較小、單元片電阻變化較小的情況，而且標(biāo)定范圍的確定需要大量數(shù)據(jù)支撐，需要耗費(fèi)大量單元片，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。第2種仿真思想通過(guò)判斷電壓是否發(fā)生跳變從而確定是否有新的裂紋產(chǎn)生。由于該系統(tǒng)無(wú)需建立針對(duì)不同型號(hào)單元片的電壓－裂紋長(zhǎng)度數(shù)據(jù)庫(kù)，省去了對(duì)單元片電壓的標(biāo)定過(guò)程，節(jié)省了大量人力物力，且加載前即可粘貼單元片，可精確測(cè)試裂紋長(zhǎng)度，同時(shí)適用于載荷變化較大的情況，這使得新系統(tǒng)的測(cè)試更加便于操作，擴(kuò)大了測(cè)試范圍，適合實(shí)際測(cè)試環(huán)境的需要。架空超高壓輸電線路作為大型生命線工程，近年來(lái)由于關(guān)鍵構(gòu)件疲勞裂紋引發(fā)的事故較多地發(fā)生。利用上述新型裂紋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)架空超高壓輸電線路的導(dǎo)線、金具、絕緣子和鐵塔構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握架空超高壓輸電線路關(guān)鍵構(gòu)件的工作狀態(tài)，對(duì)確保架空超高壓輸電線路的可靠運(yùn)行具有重要的意義。

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