輸電塔臺風(fēng)振動響應(yīng)在線監(jiān)測的新型傳感器設(shè)計

彭 康， 吳新橋， 耿 力， 黃增浩， 張 陵

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點(diǎn)實驗室，陜西 西安 710049；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

輸電塔臺風(fēng)振動響應(yīng)在線監(jiān)測的新型傳感器設(shè)計

彭 康1， 吳新橋2， 耿 力1， 黃增浩2， 張 陵1

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點(diǎn)實驗室，陜西 西安 710049；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

輸電線路塔線體系具有桿塔高、跨距大、柔性強(qiáng)等特點(diǎn)，對極端天氣環(huán)境激勵比較敏感。設(shè)計開發(fā)了用于輸電塔實時在線振動監(jiān)測的新型加速度傳感器節(jié)點(diǎn)，使用該傳感器對受2016年4號臺風(fēng)“妮妲”影響下的特高壓輸電塔進(jìn)行了實時在線監(jiān)測，獲取了臺風(fēng)環(huán)境下輸電塔的振動響應(yīng)測試數(shù)據(jù)。實測結(jié)果不僅表明了這種新型傳感器性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，同時還驗證了傳感器的準(zhǔn)確性。

輸電塔線體系； 現(xiàn)場實驗； 臺風(fēng)； 風(fēng)振響應(yīng)； 實時在線監(jiān)測； 傳感器節(jié)點(diǎn)

0 引 言

對于高壓輸電線路而言，強(qiáng)風(fēng)、脫冰、地震等動態(tài)載荷對輸電線路的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅是毋庸置疑的事實，也是線路從設(shè)計到投入使用十分關(guān)注的重大問題。輸電線路塔線體系具有桿塔高、跨距大、柔性強(qiáng)等特點(diǎn)。在極端天氣條件下，輸電線路塔線體系在風(fēng)振等條件下容易引起跳閘停電、金具損壞、相間短路、桿塔傾斜倒塌、導(dǎo)線折斷等嚴(yán)重事故，威脅輸電線路的安全運(yùn)行[1～4]。

迄今為止，國內(nèi)在風(fēng)振響應(yīng)研究領(lǐng)域缺少與實際工況、尤其是惡劣氣候環(huán)境條件下塔線真實動態(tài)特性的比對和驗證。究其主要原因，是因為國內(nèi)目前尚缺少足夠惡劣環(huán)境下輸電線路塔線耦合體系的風(fēng)振響應(yīng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)[1～4]。因此，開展惡劣環(huán)境下輸電塔線體系風(fēng)振響應(yīng)的現(xiàn)場實時監(jiān)測，可為輸電線路塔線耦合振動的安全性評價和分析提供較為可靠的實測數(shù)據(jù)支撐和設(shè)計參考依據(jù)。

1 實驗方案

塔線體系的模態(tài)和風(fēng)振響應(yīng)現(xiàn)場實驗是在有限元數(shù)值分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的?，F(xiàn)場實驗主要方案：在臺風(fēng)等惡劣天氣出現(xiàn)之前，將傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在實驗塔的各個測點(diǎn)位置，對各測點(diǎn)的響應(yīng)實時記錄并保存；在測試之后，讀取實驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。在實驗中，要求各傳感器安裝方便且牢固，能夠防雨水，采集數(shù)據(jù)精確度高，工作時間長，數(shù)據(jù)存儲容量大，并且在傳感器安裝過程中不會影響實際線路的正常運(yùn)行。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

在現(xiàn)場實驗中使用加速度傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實驗測試。傳統(tǒng)的加速度傳感器在安裝、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等方面都比較成熟，實驗結(jié)果較為準(zhǔn)確。但是傳統(tǒng)的加速度傳感器在安裝時需要用導(dǎo)線將傳感器和數(shù)據(jù)采集器連接，對于運(yùn)行的輸電線路現(xiàn)場環(huán)境來說，大量的導(dǎo)線安裝固定比較困難，而且存在安全隱患。因此，需要采用無線加速度傳感器。目前的無線加速度傳感器絕大多數(shù)均采用無線ZigBee傳輸方式將采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)絇C端?？紤]到輸電線路現(xiàn)場的電磁干擾、無線ZigBee傳輸?shù)膫鬏斁嚯x有限及現(xiàn)場供電困難等問題，本文自主設(shè)計了用于輸電塔實時在線振動監(jiān)測的大容量自存儲加速度傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖實物圖

2.1 微處理器

微處理器模塊采用STM32F103處理器，屬于意法半導(dǎo)體(ST)公司STM32F系列微控制器，其內(nèi)核為Cortex—M3。由于實驗數(shù)據(jù)存儲量大，因此，使用SD卡對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，為節(jié)省空間采用16進(jìn)制存儲數(shù)據(jù)。

2.2 加速度傳感器

加速度傳感器模塊采用MPU6050傳感器。該傳感器為9軸運(yùn)動處理傳感器，集成了三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS加速度計。傳感器加速度量程為±6gn，分辨率為6.1×10-5gn，采樣頻率為20 Hz。

2.3 電源管理單元

采用鋰離子充電電池為電路提供能量。工作電壓為5 V×(1±10 %)。功耗低，續(xù)航能力強(qiáng)，續(xù)航時間為60 h。

傳感器外形為長方體，尺寸125 mm×90 mm×40 mm。采用DIN35 mm導(dǎo)軌安裝，導(dǎo)軌用卡槽固定在傳感器背面，具體試驗中將導(dǎo)軌用尼龍扎帶固定在輸電塔的各測點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)安裝示意圖

3 傳感器驗證實驗

為確定傳感器的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)處理方法，對自主設(shè)計的大容量自存儲加速度傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實驗驗證測試圖3所示。實驗中將傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在簡支梁上，采用手敲打的方式激勵，采集數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行相應(yīng)分析，將分析結(jié)果同有限元分析結(jié)果對比，確定實驗設(shè)備的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)處理方法。

圖3 實驗裝置

實驗采集的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 采集的數(shù)據(jù)

在Matlab中對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和PSD法求功率譜。頻譜分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 頻譜分析結(jié)果

由頻譜分析可以得出簡支梁的前四階頻率分別為：21.48，76.17，197.27，311.52 Hz。通過有限元建模并對該簡支梁進(jìn)行模態(tài)分析，得到簡支梁的前4階模態(tài)為：19.42，77.64，174.71，310.5 Hz。有限元分析和試驗分析的結(jié)果進(jìn)行對比，可以說明實驗采集的數(shù)據(jù)是可靠、可信的，實驗設(shè)備及數(shù)據(jù)處理方法選擇是正確的。

4 現(xiàn)場實驗與數(shù)據(jù)分析

實驗針對南方電網(wǎng)廣東省能盤線45#塔和湛霞線6#塔進(jìn)行現(xiàn)場試驗。分別在臺風(fēng)(能盤線45#塔)和微風(fēng)(湛霞線6#塔)環(huán)境下進(jìn)行相應(yīng)實驗。

實驗在環(huán)境風(fēng)激勵下進(jìn)行。實驗之前需對實驗塔進(jìn)行有限元模態(tài)分析，以確定實驗中加速度傳感器的最佳安裝位置和安裝數(shù)量，如圖6所示。實驗主要通過現(xiàn)場測試獲得輸電塔各測試點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)。根據(jù)輸電塔上加速度傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，進(jìn)而對輸電塔風(fēng)振開展安全性評價和分析。

臺風(fēng)環(huán)境下的實驗選在廣東省深圳市，實驗塔為能盤線45#塔，位于2016年4號臺風(fēng)“妮妲”登陸地大鵬半島上。微風(fēng)環(huán)境下的實驗選在廣東省湛江市，實驗塔為湛霞線6#塔。根據(jù)確定的實驗方案進(jìn)行現(xiàn)場實驗，實驗中各加速度傳感器節(jié)點(diǎn)依次安裝。

實驗現(xiàn)場將加速度傳感器節(jié)點(diǎn)依次用尼龍扎帶固定在輸電塔上各測點(diǎn)位置，記錄各加速度傳感器節(jié)點(diǎn)的安裝位置以及開始測試的時間；各測點(diǎn)布置方案是在有限元模態(tài)分析的基礎(chǔ)上得到的，如圖6所示[7]。根據(jù)現(xiàn)場條件，微風(fēng)環(huán)境實驗實際測試時間為2.5 h，臺風(fēng)環(huán)境實驗實際測試時間為40 h。

圖6 實驗測點(diǎn)位置

實驗塔均為雙回路直線塔，測點(diǎn)布置方案一致。針對臺風(fēng)和微風(fēng)環(huán)境下地線橫擔(dān)、中橫擔(dān)和塔身最頂端三個測點(diǎn)即測點(diǎn)2、測點(diǎn)6、測點(diǎn)9進(jìn)行對比分析。對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后得到各測點(diǎn)的響應(yīng)進(jìn)行分析。

臺風(fēng)環(huán)境下能盤線45#塔測點(diǎn)2、測點(diǎn)6、測點(diǎn)9的x方向(垂直導(dǎo)線方向)響應(yīng)分別如圖7所示。

圖7 能盤線45#塔在不同測點(diǎn)響應(yīng)結(jié)果

微風(fēng)環(huán)境下湛霞線6#塔測點(diǎn)2、測點(diǎn)6、測點(diǎn)9的x方向(垂直導(dǎo)線方向)響應(yīng)如圖8所示。

圖8 湛霞線6#塔不同測點(diǎn)響應(yīng)結(jié)果

對比圖7和圖8可以看出：在風(fēng)環(huán)境下同一輸電塔的不同測點(diǎn)的響應(yīng)雖幅值存在差異，但形態(tài)基本保持相同，且曲線形態(tài)與臺風(fēng)風(fēng)速大小保持一致。對于同位置測點(diǎn)而言，微風(fēng)環(huán)境下塔身的風(fēng)振響應(yīng)較小且比較平穩(wěn)，而臺風(fēng)環(huán)境下的塔身風(fēng)振響應(yīng)曲線前半程與微風(fēng)環(huán)境下的響應(yīng)相比要高出一個數(shù)量等級，其后半程與微風(fēng)環(huán)境下的響應(yīng)相比則在同一數(shù)量等級，幅值略大于微風(fēng)環(huán)境的響應(yīng)。

5 結(jié) 論

為了對輸電線路塔線體系實時監(jiān)測與評估，本文設(shè)計開發(fā)了新型加速度傳感器節(jié)點(diǎn)對輸電線路塔線體系進(jìn)行現(xiàn)場風(fēng)環(huán)境響應(yīng)的實時監(jiān)測，得到了環(huán)境激勵下的加速度響應(yīng)。通過實驗室驗證傳感器采集數(shù)據(jù)的正確性和準(zhǔn)確性。并且在運(yùn)行的輸電線路進(jìn)行現(xiàn)場實驗，初步分析現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)合理，可用于輸電線路風(fēng)振響應(yīng)分析。該傳感器節(jié)點(diǎn)在輸電線路現(xiàn)場實驗中能夠得到很好的應(yīng)用。本設(shè)計已獲得了國家實用新型專利[8]。

致 謝:

本文由南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司支持完成。

[1] 李春祥，李錦華，于志強(qiáng).輸電塔線體系抗風(fēng)設(shè)計理論與發(fā)展[J].振動與沖擊，2009，28( 10):15-25，222-223.

[2] 殷惠君，陳 波，瞿偉廉．輸電塔線體系振動的研究進(jìn)展[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報，2002，19(3)：79-82．

[3] 李宏男，白海峰．高壓輸電塔-線體系抗災(zāi)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．土木工程學(xué)報，2007，40(2)：39-46．

[4] 郭 勇．大跨越輸電塔線體系的風(fēng)振響應(yīng)及振動控制研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2006．

[5] Jos′e Antonio Vergara.Optimal sensor placement for structural health monitoring of power transmission tower-line systems[J].Conference Society for Experimental Mechanics Series,2013,67(2):415-422.

[6] Carden E P，Maguire J R.Dynamic performance and integrity assessment of an electricity transmission tower[M].New York:Springer,2011:227-236.

[7] 汪 江，杜曉峰，田萬軍，等．500 kV淮蚌線淮河大跨越輸電塔振動測試與模態(tài)識別[J]．中國電力，2009，42(2)：30-33．

[8] 吳新橋，彭 康，程建偉,等.加速度傳感器檢測設(shè)備:中國,201621048066.9[P].2017—01—04.

New type of sensor design for on-line monitoring of typhoon vibration response of transmission tower

PENG Kang1,WU Xin-qiao2, GENG Li1, HUANG Zeng-hao2, ZHANG Ling1

(1.State Key Laboratory for Mechanical Structural Strength and Vibration,Xi’an JiaoTong University,Xi’an 710049,China;2.China South Power Grid International Co Ltd,Guangzhou 510080,China)

Because transmission line tower-line system has high tower,large span,strong flexibility and so on,so it is sensitive to extreme weather conditions.A new type of acceleration sensor node for real-time on-line vibration monitoring of transmission tower is designed and developed.This sensor was used to monitor the UHV transmission tower in the typhoon“Nida”in 2016,and the vibration response test data of the transmission tower in the typhoon environment was obtained.The results of test not only show that this new type of sensor is stable and reliable,but also verifies the accuracy of the sensor.

transmission line system; field test; typhoon; wind-induced vibration response; real-time online monitoring; sensor node

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0099—03

2017—04—05

TH 825

B

1000—9787(2017)05—0099—03

彭 康(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為輸電線路塔線體系結(jié)構(gòu)分析。

張 陵(1957-)，男，通訊作者,教授,主要從事機(jī)械系統(tǒng)非線性動力學(xué)與控制、工程結(jié)構(gòu)抗震與控震實用技術(shù)研究工作，E—mail：zhangl@mail.xjtu.edu.cn。