輸電線路實時監測技術研究

張軍偉，張衛東，翟 樂，肖雪峰，韓 磊

（1.國核電力規劃設計研究院，北京 100095；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.國網山東省電力公司建設公司，山東 濟南 250001；4.國網山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255032）

0 引言

電力在國民經濟建設中有著舉足輕重的地位。輸電線路一旦遭到破壞，不僅會造成巨額的直接或間接損失，還會引發火災等次生災害，輸電塔作為電力系統輸電部分的重要組成設施，其健康狀況直接關系電力系統正常功能的實現［1］。以特高壓直流輸電線路為研究基礎，采用NI-CompactRIO系統和光纖光柵設備，基于小波理論、單元模態應變能損傷指數法和支持向量機的損傷識別方法建立特高壓輸電線路健康實時監測系統。

1 基于NI-CompactRIO的輸電塔監測系統

1.1 系統監測目標

輸電塔體系是由高聳的桿塔結構和導線連接組成的一種高柔度結構，可歸結為張力索塔結構。健康監測包含結構靜態監測和結構動態響應監測。結構靜態監測包含位移監測、傾角監測和應力監測；結構動態響應監測為加速度監測。

1.2 健康監測系統構成

為實現嵌入式機器控制和監控應用，NI cRIO-9074集成化系統將實時處理器、可重新配置FPGA結合于同一機箱，具有針對NI-C系列I/O模塊的8個槽，并集成了400MHz工業實時處理器、200萬門FPGA；使用LabVIEW自動生成自定義控制和信號處理電路［2］；此外，測量、控制等領域，還有其他多樣的工具包，以上的工具包可以令使用者得到其所想使用的多數功能。

1.3 健康監測系統功能

監測系統的軟件架構分別為LabVIEWFPGA程序、LabVIEW Real-Time（RT）程序以及LabVIEW Host人機界面（上位機程序），如圖1所示。系統人機界面部分由上位機程序完成：其核心思想是采用狀態機架構，在程序運行時，循環每迭代一次，循環結構就從“任務隊列”中取出一個任務，然后由條件結構根據該任務的名稱選擇并進入相應的分支，執行該任務，使用狀態機結構，程序運行更加高效，程序可移植性強［3］。

圖1 監測系統軟件架構

2 輸電桿塔損傷識別方法研究

2.1 無損檢測

無損傷檢測（Non Destructive Testing，NDT）是在不影響結構正常使用功能的前提下，對結構的健康狀況進行檢測診斷。針對輸電角鋼鐵塔，是指判斷是否存在損傷以及對損傷的定位。

2.2 單元模態應變損傷指數

式中：EI（x）為截面抗彎剛度；M（x）為截面彎矩；φ″為結構橫向位移的二次導數。

梁上任意點的橫向位移都可以利用Hermite三次形狀函數，由兩端節點位移（φi，θi），（φj，θj）來描述：

對（2）式求兩次微分，并轉換成矩陣形式為

將（3）式帶入（1）式中，整理得到

其中

可以看出只被單元幾何尺寸這個元素約束。單元模態應變損傷指數可以定義為

式（7）展現了一種方法，直接可以得到計算單元模態應變能，而不需要通過計算模態曲率，有效地避免了傳統方法計算模態曲率時，所產生的數值微分誤差。通過測量振型位移值，再經過泰勒展開，模態曲率經整理后得到

式中：φ（xi-1）、φ（xi）和φ（xi＋1）為測點 xi-1、xi和 xi＋1振型位移，h為測點間距。式（8）的求解方法被稱為中心差分法，因為有O（h2）的出線，在計算過程中會產生截斷誤差，這樣的計算得到的φ″（xi）是一種近似。同時，還要保證測點間距h必須為定值，即間距相等：

式中：Δl為桿單元軸向長度變化；FN為軸力。

在線彈性范圍內，由胡克定律

式中：EA為截面拉壓剛度；l為桿長。最終可以得到桿單元模態應變能為

Δl采用桿單元兩端節點位移計算得到，即Δl2＝（x2－x1）2＋（y2－y1）2＋（z2－z1）2，其中位移值為兩端節點在模態下的坐標。

理論模型采用兩跨連續梁，兩跨均為1 000mm，總長2 000mm。在ANSYS中建立有限元模型進行模擬，為兩跨連續簡支梁，梁寬76.2mm，高6.35mm。應用3D線性梁單元Beam4對其進行建模。工況三損傷前后一階振型值及其差值，只能判斷結構發生損傷但無法對損傷位置進行準確定位。可見，直接基于振型的識別方法效果不甚理想。

2.3 輸電塔模型

在現實中，對輸電塔結構的健康情況進行診斷，可只計算主柱單元EMSDI指數差。按桿單元模態應變能計算，將斜桿劃分為桿單元，此時共有40個單元，單元37發生損傷。圖2為模型示意圖。

圖2 輸電塔截斷模型有限元模型

2.4 工程應用價值

試驗表明，在處理單處損傷問題時，單元模態應變能損傷指數法可以達到較好的效果，而在處理多處損傷問題時，尤其是當多處損傷位置比較接近的情況下，則無法取得比較好的效果。

3 角鋼塔健康監測及損傷識別模型試驗

3.1 試驗內容

利用光纖光柵應變傳感器監測角鋼塔架結構主材、斜材構件關鍵部位在正弦信號等激勵作用下的應變響應，判別結構是否處于健康狀態，同時探討利用光纖光柵傳感器對輸電塔結構進行健康監測的可行性；模擬結構損傷的方法為在模型主材構件上切口或將斜材拆除，并采集振動過程中的加速度信號。

試驗工況：A完好，B桿件g7失效，C桿件g8失效，D桿件Ⅴ損傷，E桿件Ⅵ損傷，F桿件Ⅴ、Ⅵ同時損傷。為得到與結構基頻相近的激振力狀態下的結構響應，每種結構狀態下進行13～18 Hz頻率下的正弦激振試驗，此時識別效果較好。模型結構各桿件編號如圖3所示。試驗工況以結構狀態+激振頻率命名，例如結構狀態為B，激振頻率15.4 Hz的工況名為B15.4，其他工況以此類推。

圖3 試驗模型單元劃分

3.2 工程應用價值

應用光纖光柵應變傳感器及焊接支座的安裝方式能夠有效監測角鋼塔模型主材、斜材、橫材的應變監測，監測結果可用于評價結構的變形，并對結構損傷情況進行判定。采集加速度傳感器的響應曲線，應用單元模態應變損傷指數法對結構進行損傷識別。

4 基于OTDR的輸電導線斷股檢測

4.1 OTDR測試原理

光纖的損耗機理如圖4所示。光纖傳輸的損耗，是由于材料會部分吸收在其內部傳輸光波所具有的能量、本身的結構或制作缺陷所致。

圖4 光纖的損耗機理

式中：L為光纖長度；P1、P0分別為光纖輸入端、輸出端的光功率值；α表示當光在光纖中傳播距離為1 km時，光產生的衰減量，dB。

4.2 高壓輸電導線斷股、損傷檢測試驗

斷股、損傷模擬系統如圖5所示。

圖5 斷股、損傷模擬系統

在模擬試驗中，鋼管表面牢固地粘貼測試用傳感光纖，光纖并與兩段鋼管的連接平面成一定的角度。針對3種不同的損傷擴展方式，分別進行3種損傷模擬試驗：軸向拉伸、水平錯動一和水平錯動二，如圖 6 所示［4］。

圖6 三種損傷擴展試驗

圖7 試驗前后OTDR測試曲線

如圖7所示，應用OTDR技術可以檢測損傷模擬系統的損傷測。隨著輸電導線兩端所受的拉力的增加，損傷處的縫隙寬度不斷增大，引起相應部位測試光纖的彎折程度變大，測得的光損耗也隨之上漲是產生這種現象的主要原因［5］。

5 結語

重點研究結構健康監測系統如何保證輸電線路運行的可靠性與安全性，以及其對結構的監測效果，得到研究成果及結論。輸電線路是由高聳的桿塔結構和導線連接組成的一種高柔度結構，可歸結為張力索塔結構；輸電塔損傷識別模型和理論是保證輸電塔健康監測系統準確提供輸電線路運行信息的可靠保證；針對輸電桿塔桿件眾多，結構復雜、損傷模式千差萬別，如何選取一種有效的輸電桿塔損傷識別方法是輸電線路健康監測的關鍵和核心；對現有的檢測高壓輸電導線斷股、損傷技術所產生的不完善的地方進行了簡要分析，另外還對輸電導線產生斷股、損傷的原因進行了論述，尋找一種切實可行的、能大面積推廣的輸電導線斷股、損傷的檢測方法在未來的研究工作中。