高壓電塔傾斜動態監測裝置的設計與實現

朱慶偉，劉明明，崔 娟

(1.西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054；2.西北有色地質礦業集團有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

高壓輸電線路是國民經濟發展和國家建設的生命線，其中高壓輸電線鐵塔是高壓輸電線路上最重要的設施。高壓電塔重心高、基礎面積較小，因此比較容易發生傾斜。其主要破壞特征表現為電塔歪斜、位移及由此引起的導線距地表安全距離變化和導線張力變化等等。同時，它的移動變形要受到基礎和高壓線的約束。煤礦區采動影響下高壓輸電線鐵塔因地表移動變形使基礎沉降、塔身變形傾覆失穩，進而導致輸電線路各設施發生變形如線路檔距、近地距離變化，懸垂絕緣子串偏斜等問題[1-9]。

全站儀技術在目前測量工作中已經得到了廣泛應用[10-15]。在施工放樣、地形圖測繪及攝影測量布設像控點等工程測量技術領域，目前所使用的主要設備是全站儀和實時動態差分法測量(Real-timekinematic，簡稱RTK)[16-23]。目前高壓電塔的下沉傾斜變化的變形監測，一般都是應用RTK或全站儀實施變形監測。由于在高壓電塔下會產生強大的電磁場，因此，會對GPS的信號有干擾，若使用RTK測量高壓電塔傾斜，會增加誤差的來源；高壓電塔與人之間在垂直方向和水平方向上均需保持一定的安全距離，在高壓電塔下工作以及監測高壓電塔傾斜會對人體造成一定的危害。另外，對于不便架設棱鏡的地方，用全站儀免棱鏡時存在一定的誤差，并且只能應用于沒有遮擋物遮擋監測點的情況下才可行。

文中針對提及的設計思路所解決的技術問題，在于上述現有技術中的不足，提供一種高壓電塔傾斜動態監測裝置，采用“自動監測傾角+自動報警傾斜”其中自動監測部分采用“精度放大機構+刻度顯示裝置”，利用鉛塊自重帶動測量箱旋轉且保持測量箱停止在穩定狀態，利用擺球自重帶動齒輪傳動，進而帶動指針偏轉動態測量高壓電塔傾斜，同時設置傾斜報警機構提示高壓電塔傾斜危險，使用安全可靠且不受高壓電塔電磁場干擾，通過大量實驗驗證表明，此裝置便于推廣使用。

1 基本原理與結構

1.1 基本原理

如圖1所示，AB為水平面，其中O為中心點，A1B1是傾斜α角度后的AB.在O點處固定一段有重球的圓桿，傾斜α角度后重球受到了重力作用，重力是一個矢量，它可以分為2個矢量，通過受力分析可知將重力G分解為F1和F2：F1=Gcosα，F2=Gsinα.其中F1為平行于圓桿方向的力；F2為垂直于圓桿方向的力。

圖1 重力分解示意圖Fig.1 Schematic of gravity decomposition

在重力的作用下重球有沿著力F2方向的運動趨勢。為了能自動監測高壓電塔的傾斜值，設計了一個利用重力加速度為動力源的一個機械裝置和監測方法(圖2)。該裝置包括載荷平板、自轉機構和測量箱，測量箱包括箱體、刻度盤、傾斜測量機構和傾斜報警機構，自轉機構包括轉桿、鉛塊、萬向球。

圖2 監測裝置示意圖Fig.2 Monitoring device front view

1.2 結構設計

載荷平板通過4個支架固定在4支塔腳，整個裝置處在高壓電塔中心，通過在轉桿的一端設置鉛塊，當塔身傾斜時，利用鉛塊自重帶動測量箱旋轉且保持測量箱停止在穩定狀態(圖2)；通過在測量箱內的擺桿一端設置擺球，利用擺球自重帶動齒輪傳動，進而帶動指針偏轉動態測量高壓電塔傾斜(圖3)。

圖3 測量箱內部結構示意圖Fig.3 Schematic of measuring box internal structure

擺桿通過連接桿帶動轉桿轉動，轉桿帶動轉桿齒輪轉動，轉桿齒輪與轉軸齒輪嚙合，轉軸齒輪帶動轉軸和指針同時從初始狀態開始轉動，刻度盤指示高壓電塔傾斜顯示角度。

其中精度放大結構，是由大、小齒輪組成，大齒輪半徑是小齒輪半徑的40倍，通過計算得出可以使塔身傾斜的角度放大40倍，提高了刻度盤上的精確度。

報警機構主要由小轉盤、滑輪、三角支架、短桿、推桿、凹槽、GPS定位器、電源等組成，其中，小轉盤為絕緣體，滑輪和凹槽均為金屬構成。報警機構的數量為2個，2個所述傾斜報警機構分別對稱的設置在轉軸的兩側(圖3)。

高壓電塔傾斜遠程報警：當高壓電塔開始發生傾斜時，轉軸和指針同時從初始狀態開始轉動，當轉軸轉動過程中未接觸短桿時，小轉盤不轉；當轉軸轉動到接觸短桿并推動短桿時，小轉盤轉動，若高壓電塔繼續發生傾斜時，滑輪向凹槽滑動靠近但未落入凹槽內時，刻度盤指示高壓電塔傾斜顯示角度，GPS定位器不能工作；若高壓電塔繼續發生傾斜時，滑輪向凹槽滑動靠近并落入凹槽內時，此時，高壓電塔傾斜達到高壓電塔傾斜刻度盤報警角度顯示值γ，刻度盤指示高壓電塔傾斜顯示角度，同時，滑輪、凹槽、GPS定位器、電源形成閉合電路，GPS定位器接通電源向監測終端遠程發射報警信息，同時推桿與所述短桿分離，如圖4所示。

圖4 報警機構示意圖Fig.4 Schematic of alarm mechanism

圖5 推桿、轉盤和短桿的幾何關系Fig.5 Geometric relation of push rod，turntable and short rod

根據塔型建筑物對傾斜極為敏感這一特性，設計了機械自動測量和報警裝置，結合GPS定位技術與遠程GPS監控系統，實現了高壓電塔傾斜的安全預警(圖6)。

圖6 工作原理示意圖Fig.6 Schematic of working principle

2 特性分析

1)文中提供了一種高壓電塔傾斜動態監測裝置及監測方法，其設計新穎合理，利用擺球自重帶動齒輪傳動，進而帶動指針偏轉動態測量高壓電塔傾斜；

2)通過在測量箱內的傾斜測量機構上設置傾斜報警機構，傾斜報警機構利用轉軸的轉動帶動推桿轉動，進而推動轉盤轉動，通過滑輪落入凹槽作為報警提示，提示高壓電塔傾斜危險，使用安全可靠且不受高壓電塔電磁場干擾；

3)采用轉軸齒輪和轉桿齒輪的嚙合，轉桿齒輪的半徑與轉軸齒輪的半徑之比為40∶1，運用齒輪的傳動原理，使得高壓電塔的傾斜值放大40倍，提高了測量的精度，保證刻度盤的顯示角度的精度。利用刻度盤的顯示角度與高壓電塔傾斜實際角度的轉換計算實際傾斜角度；

4)在裝置的底座的自轉機構中，采用鉛塊自重帶動測量箱旋轉且保持測量箱停止在穩定狀態，使得測量箱可以監測高壓電塔任意方向的傾斜；

5)該裝置固定在高壓電塔塔腳中心處，傾斜測量機構固定在封閉的測量箱內部，為機構提供了干擾小的工作環境。

3 實驗監測結果

文中選擇對某煤礦開采沉陷區的高壓電塔進行實驗監測，所測高壓電塔高度為40 m，通過裝置自動監測傾斜角度，結合幾何關系計算得出高壓電塔的傾斜量見表1.

為了檢驗裝置的正確性，利用傳統變形監測測量方法對同一高壓電塔進行監測，通過用全站儀對高壓電塔進行觀測測量，儀器采用徠卡公司生產的 TC802型全站儀，儀器標稱精度為：測距精度±(2 mm+2 ppm),測角精度±2″.選擇前方交會法進行此高壓電塔的傾斜變形觀測，前方交會即在已知控制點上設站觀測水平角，根據已知坐標和觀測角值，計算待定點坐標的一種控制測量方法。

表1 自動監測實驗成果Table 1 Experimental results of automatic monitoring

在實地勘察后在高壓電塔外圍的一條地基穩定的道路上選取2點A、B作為觀測基準點，以此2點為基本已知控制點觀測電塔頂端中心處O和底端中心O′，讀取觀測水平角，通過前方交會公式計算觀測中點O和O′處的坐標，根據上下中心點處的坐標變化來確定相對位移的變化，其就是電塔的傾斜變化量。為了提高測角精度，采用4個測回進行觀測，且實驗過程中充分考慮影響測角精度的各項誤差影響，各項操作嚴格按照規范要求進行，觀測結果表明測回間的2C互差均在13″內，各測回的2C值大致都在7″～10″之間，3次實驗結果表明各測回測角中誤差都在±1.5″左右，符合《建筑變形測量規范》中對DJ2型儀器水平角觀測規范要求，通過前方交會公式計算結果表明，觀測點O和O′ 和坐標中誤差均不大于10 mm，符合《建筑變形測量規范》中位移觀測三級限差±10 mm.通過實驗(見表2)結果對比表明，此裝置及自動監測方法可以滿足傳統變形監測測量的要求。

表2 全站儀實驗觀測成果Table 2 Experimental observation results of total station

4 監測結果分析

根據中華人民共和國國標《建筑地基基礎設計規范》對多層和高層建筑的整體傾斜率規定見表3(Hg為自室外地面起算的建筑物高度)[24]。

表3 建筑物高度與傾斜度的關系Table 3 Relationship between building height and tilt

高壓電塔高度約為 40 m，安全性的判斷應滿足“24

5 結 論

1)通過文中設計的傾斜監測裝置，實現了對高壓電塔的下沉傾斜量的實時自動檢測，并及時遠程動態報警。通過大量試驗計算結合現場測試，該裝置設計安全且不受高壓電塔電磁場干擾，可靠穩定，使用效果好；

2)此設計監測方法監測塔身傾角范圍為-9°到9°，在此范圍內其所測角度和計算出的傾斜位移量同全站儀比較，精度達到了國家最新的高層構筑物監測精度要求，且易安裝、易操作，便于推廣。