輸電鐵塔穩(wěn)定性分析及在線監(jiān)測(cè)研究

石青松

（三峽大學(xué)，湖北宜昌 443000）

引言

輸電鐵塔是電力輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著輸電線路的安全與可靠運(yùn)行的責(zé)任。在我國(guó)特高壓輸電線路工程建設(shè)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(fēng)、導(dǎo)線覆冰等）條件下，可能會(huì)導(dǎo)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(zhǎng)時(shí)間中斷，造成大量經(jīng)濟(jì)損失。為確保輸電鐵塔的正常穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)今，我國(guó)最常用的巡檢方式包括人工檢、視頻監(jiān)控技術(shù)、超聲波回聲測(cè)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(shù)存在精確度問題；超聲波測(cè)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(cè)技術(shù)非常有必要[2,3]。

伴隨著智能材料、信號(hào)處理以及通信技術(shù)的發(fā)展[4]，利用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)大型結(jié)構(gòu)的運(yùn)行穩(wěn)定性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反映結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的目標(biāo)。

通過研究在多種工況下輸電鐵塔穩(wěn)定性能，結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判定依據(jù)，利用力學(xué)計(jì)算軟件，計(jì)算出輸電線路桿塔的薄弱桿件位置，并針對(duì)薄弱桿件設(shè)計(jì)相應(yīng)的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及預(yù)警方案，達(dá)到輸電鐵塔穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目的。

1 鐵塔薄弱桿件分析

1.1 有限元模型

以試驗(yàn)場(chǎng)110 kV 1A3-DJ型鐵塔為分析對(duì)象，該塔總高13.8 m，跟開2.85 m，導(dǎo)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?jiǎn)卧M(jìn)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(duì)照?qǐng)D

1.2 荷載計(jì)算及穩(wěn)定性分析

風(fēng)、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(qiáng)風(fēng)地帶、重冰區(qū)可能會(huì)引起導(dǎo)線（覆冰）舞動(dòng)、導(dǎo)線覆冰過載，導(dǎo)致部分桿件或整體塔體結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重變形甚至斷裂事故。通過模擬分析風(fēng)、冰荷載下的鐵塔受力狀態(tài)是分析實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[5]，不同電壓等級(jí)線路基本風(fēng)速和設(shè)計(jì)冰厚的重現(xiàn)期，330 kV及以下氣象重現(xiàn)期為30年。查閱當(dāng)?shù)亟?0年氣象報(bào)告，選取30 m/s風(fēng)速為當(dāng)?shù)刈畲笤O(shè)計(jì)風(fēng)速，風(fēng)向角垂直線路運(yùn)行方向?yàn)樽畈焕L(fēng)攻角（90°）；覆冰厚度15 mm為當(dāng)?shù)刈畲笤O(shè)計(jì)覆冰厚度。

以AR法[6]模擬實(shí)際工況下動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載的變化過程，圖2為時(shí)間在200 s以內(nèi)、風(fēng)向角為90°、平均最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為30 m/s時(shí)的風(fēng)荷載變化曲線。

圖2 風(fēng)荷載變化曲線

將動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載作用過程用ANSYS軟件進(jìn)行瞬態(tài)受力分析模擬，最大應(yīng)力桿件云圖及應(yīng)力變化趨勢(shì)圖如圖3，4所示。

圖3 最大應(yīng)力桿件云圖

圖4 應(yīng)力變化趨勢(shì)

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

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

圖5 應(yīng)力變化趨勢(shì)

三種工況下，鐵塔桿件最大應(yīng)力點(diǎn)仍位于背風(fēng)側(cè)與塔腿相連的塔身第一層主材處，在平均風(fēng)速為30 m/s、導(dǎo)線覆冰厚度為15 mm時(shí)，桿件最大應(yīng)力的瞬時(shí)值可達(dá)248.6 MPa，遠(yuǎn)大于僅有風(fēng)荷載作用下桿件最大應(yīng)力，即導(dǎo)線覆冰荷載與風(fēng)荷載共同作用下的鐵塔危險(xiǎn)性更高。

在外部荷載作用下輸電鐵塔結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性失穩(wěn)現(xiàn)象主要是從單根構(gòu)件局部失穩(wěn)開始的。局部單根角鋼構(gòu)件的失穩(wěn)現(xiàn)象將會(huì)引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布，對(duì)維持鐵塔整體穩(wěn)定性貢獻(xiàn)減少，即系統(tǒng)整體穩(wěn)定性能減小。因此，獲取某一單根構(gòu)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(yīng)力實(shí)際值，f為桿件強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，單位為MPa。當(dāng)σ與f的比值越接近于1則認(rèn)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(hào)，表1為分析工況在最大平均風(fēng)速30 m/s、覆冰厚度15 mm時(shí)的各桿件的參數(shù)。

圖6 桿件編號(hào)圖

從表1可知，A1、A13號(hào)桿件所承受的軸向應(yīng)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(hào)桿件為薄弱桿件。

2 輸電鐵塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

輸電鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，為桿塔日常維護(hù)和管理提供依據(jù)。鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸單元、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)終端部分和電源供電單元，總體結(jié)構(gòu)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(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要部分，該單元由各種傳感器和采集設(shè)備組成，主要完成桿塔實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)需滿足：各類傳感器和采集設(shè)備應(yīng)同步采集；各類傳感器和采集設(shè)備應(yīng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行并易于更換等。

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

風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用SM5388M型風(fēng)速風(fēng)向一體式傳感器，風(fēng)速量程范圍達(dá)30 m/s，風(fēng)速分辨率可達(dá)0.1 m/s，風(fēng)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(cè)量溫度范圍為-40℃～85℃，測(cè)量精度達(dá)±0.5℃；測(cè)濕范圍為：0～100%RH，測(cè)量精度達(dá)±3%RH，供電單元范圍為DC 6 V～24 V，采用電流信號(hào)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(cè)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(fù)責(zé)接收各類傳感器的輸出信號(hào)，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(cè)數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)調(diào)理、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)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(jī)，能夠長(zhǎng)時(shí)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(dòng)運(yùn)營(yíng)商的4G網(wǎng)絡(luò)，初始化后獲得移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)IP地址，然后將現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)通過DTU內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議封裝，最后通過4G網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)距離對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單獨(dú)鋪設(shè)供電線路花費(fèi)極大，考慮其適用性、經(jīng)濟(jì)性，采用太陽能電池板及鋰電池供電，單元設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

圖8 供電單元設(shè)計(jì)框圖

3 試驗(yàn)及分析

利用ANSYS仿真軟件進(jìn)行受力分析，最終得到110 kV 1A3-DJ型桿塔的薄弱點(diǎn)位置，為薄弱桿件位置選取提供依據(jù)。在實(shí)際試驗(yàn)中，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)110 kV 1A3-DJ型桿塔的薄弱點(diǎn)位置及其他部位安裝相應(yīng)的傳感器。

在試驗(yàn)過程中需排除環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。試驗(yàn)方法選用與桿塔塔材相同的單根角鋼構(gòu)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(gòu)件上安裝一個(gè)應(yīng)變傳感器，用于測(cè)量實(shí)際溫度變化對(duì)應(yīng)變傳感器的影響，實(shí)際桿件應(yīng)力值為測(cè)量值減去溫漂效應(yīng)所產(chǎn)生應(yīng)力測(cè)量值。

圖9為試驗(yàn)場(chǎng)110 kV 1A3-DJ型輸電鐵塔在一定時(shí)間范圍內(nèi)，桿件的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)效果圖。圖9中為4個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中2號(hào)傳感器為圖6中A1桿件（薄弱桿件）應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，1、3、4號(hào)傳感器為對(duì)照組試驗(yàn)，分別位于D1、A2、B1處。實(shí)測(cè)最大應(yīng)力桿件位置與利用ANSYS分析得到的最大應(yīng)力桿件位置相同，因此，可通過監(jiān)測(cè)其位置處應(yīng)力變化來反映鐵塔的穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

本文以110 kV型鐵塔為例，計(jì)算分析了各工況下的鐵塔的受力狀態(tài)，結(jié)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論，得到了鐵塔的受力薄弱位置。然后針對(duì)受力薄弱位置設(shè)計(jì)了穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，并通過戶外試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)效果較好，可為輸電鐵塔的日常維護(hù)與檢修提供有效手段。