輸電鐵塔力學性能監測系統設計

劉 洋，劉 樺，李志偉，封 云

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.北京市市政工程研究院，北京 100037）

0 引言

隨著國民經濟的快速發展、科學技術的不斷提高和環保意識的逐步增強，高壓輸電作為生命線工程在經濟建設和人民生活中發揮著舉足輕重的作用［1］。高壓輸電塔是高負荷電能輸送的載體，是生命線工程的重要組成。通常情況下，輸電塔具有塔體高和柔性強等特點，是一種風敏感性結構，容易在臺風等極端條件下發生倒塌性破壞［2］。

在我國電網輸電鐵塔的安全防護中，現在的技術手段主要依靠人工、直升機、無人機的巡檢，以及傳統的在線監測裝置［3］。福建沿海地區山地起伏、交通復雜，巡檢人員的工作難度較大，無人機的監測也很受制約。即使在其他地區，也存在由于巡檢人員承擔的線路較多，對某一基塔的巡檢周期較長的問題。現有的鐵塔在線監測方法，主要有基于傾角傳感器的鐵塔傾斜監測和基于衛星技術的鐵塔形變監測等，它們能夠很好地代替傳統的人工巡檢、機器人巡線，但是其只能間接反映鐵塔的受力情況，而無法直接獲取鐵塔的受力狀態。

近年來，隨著物聯網、大數據等技術的發展，使得人類社會進入新的互聯網+時代，而輸電鐵塔力學性能監測作為鐵塔傳統巡檢及監測方式的重要補充，在物聯網、大數據的背景下應運而生［4］。利用先進的制造業，可以使得傳感器精度更高、功耗更低、耐久性更長；利用先進的通訊技術，可以采用無線的方式將數據傳輸到任何一臺服務器；利用先進的數據存儲技術，可以將采集到的大量數據及各種數據類型存儲到云平臺；利用高性能的計算機，可以對數據進行高效的實時處理。

1 試驗概況

1.1 輸電鐵塔概況

本次試驗輸電鐵塔位于福建省 220 kV 某回線路，塔型為 ZM31-24 貓頭型直線塔，塔高 30 m，呼高位 24 m，結構形式為格構式鋼塔，各桿件之間采用螺栓連接。該塔建于 20 世紀末，鋼材規格為 16 Mn，主要受力構件由角鋼組成［5］。所選試驗輸電鐵塔結構立面圖及實景如圖 1 所示。

圖1 試驗輸電鐵塔結構平面圖及實景

1.2 監測系統概況

依據輸電鐵塔所處的地理環境、自身受力特點，建立長期實時的自動化力學性能監測系統（見圖 2）［6-9］。該系統主要由三個子系統組成。

1）傳感器子系統。由監測鐵塔受力的應變計和監測鐵塔整體變形的傾角計組成。

2）數據采集與傳輸子系統。由數據采集裝置、數據傳輸裝置和相應的軟件控制系統所組成，用于采集傳感器信號并傳輸給數據處理與控制子系統。

3）數據處理與控制子系統。由數據處理與控制服務器和相應的軟件系統組成，通過該系統可以對數據采集與傳輸進行有效地控制。在此基礎上，可以對數據進行相關分析，分類存儲、備份并進行實時顯示。

圖2 輸電鐵塔監測系統示意圖

2 監測系統設計

2.1 監測系統測點布置設計

2.1.1 傳感器的選型

根據原理不同，常用的應變計主要分為三類：電阻式、振弦式、光纖光柵式。電阻應變計靈敏度高，采樣頻率高，但易受干擾，耐久性較差，不適用于長期監測。振弦應變計，壽命較長，耐久性、穩定性較好，但采樣頻率較低，是長期監測中應用最多的應變傳感器。光纖光柵應變計靈敏度高、采樣頻率高，數據穩定，但安裝多為串聯，在復雜的環境中易受損且不易返修。綜合考慮選擇振弦式應變計對構件進行應變監測，其主要技術參數如表 1 所示。

表1 應變計主要技術參數

根據測量方法不同，傾角計主要分為單軸和雙軸。根據安裝方式不同，傾角計主要分為鉆孔安裝和獨立安裝兩類。綜合考慮試驗現場條件選擇雙軸鉆孔安裝型傾角計，其主要技術參數如表 2 所示。

表2 傾角計主要技術參數

2.1.2 測點布置

根據計算結果，選取輸電鐵塔受力較大的構件作為應變監測對象。由于鐵塔自身的對稱性，在測點設置時受力水平程度相似的位置均布置測點，以供數據相互對比和校核。此外，由于測點布置需要登高作業，難度較大，為便于設備調試和安裝施工，在測點布置時隨著高度的升高，測點數量適當減少，線路設計盡量短。綜合考慮后，共布置 36 個振弦式應變計，測點布置示意圖如圖 3 所示；1 個傾角計，布置于輸電鐵塔塔頂。

圖3 振弦式應變計測點布置示意圖（單位：mm）

2.2 監測系統現場安裝設計

本試驗塔輸電鐵塔前后對稱，左右對稱（一般約定，順著導線方向為前后，垂直導線方向為左右）。由于角鋼有兩肢（每肢分為內側和外側），有兩端，在安裝應變計的時候，遵循以下的原則。

1）所有桿件類型為主材的，應該將應變計安置在角鋼靠下的位置，如圖 4（a）中 AB 桿所示，所有桿件類型為斜材的，應該將應變計安裝在中間位置，如圖 4（a）中 AC 桿所示，AC 桿在正中間有輔助材。

2）斜材角鋼一般只有一肢通過螺栓和主材相連，另一肢為自由肢，應變計安裝于連接肢。而主材往往兩肢均為連接肢。對于塔身上的主材，應變計安裝于在平行線路方向的外側（以塔中心為內，距離塔中心遠的為外側）。對于塔頭上的主材，從俯視角度看，也盡量安裝于肢的外側［見圖 4（b）、（c）］。

3）應變計應沿著角鋼肢的方向進行布置，且應布置在角鋼肢的準線上，一般螺栓均位于肢的準線上。

圖4 應變計主材/斜材安裝圖

由于試驗塔上不可以焊接和打孔，應根據實際情況，為傾角計、采集設備設計了專用連接組件，以保證傾角計安裝牢固且垂直，確保采集設備安裝穩固。傾角計和采集設備安裝實景如圖 5 所示。

圖5 傾角計和采集設備安裝實景

2.3 監測系統供電設計

本試驗塔位于偏遠無人地區，沒有條件就近取電供現場設備運行使用，因此選用太陽能獨立供電系統。太陽能供電系統是一套通過非常嚴謹科學的方法進行設計的獨立系統，系統結構分為三部分：太陽能電池子陣、蓄電池組和控制器，其均采用模塊化設計，具有優異的穩定性和可靠性。當日照充足時，由太陽能系統為負載供電、為蓄電池充電；在日落后或陰雨天，則由蓄電池向負載放電［10］。系統供電結構框圖如圖 6 所示，每套系統包括太陽能板及其支架、太陽能控制器、蓄電池、機箱（電池采用單獨機箱）、連接線纜等。太陽能供電子系統現場實景如圖 7 所示。

圖6 太陽能供電子系統示意圖

圖7 太陽能供電子系統現場實景

野外太陽能電源系統應具備寬動態、高效率的供電特性。在低負載的環境下能夠高效率供電，在通信設備收發信息時能夠短時大電流供電；儲能蓄電池應選擇環境適應能力強，使用壽命長的電池。應充分考慮電池容量，以及受高低溫對其的影響；應控制系統整體功耗，盡可能地在滿足系統供電要求情況下，減少電源系統的重量和體積；在設備正常工作模式下，要求蓄電池容量按無光照情況下，可以維持 30 天供電；考慮到電池容量受溫度和使用時間的影響，應預留一定的余量；為了降低供電系統設計的復雜性和成本，塔上設備電壓等級全部統一為 12 VDC。

綜上考慮，根據計算及現場經驗，40 通道滿通道采集及采樣頻率為 6 min/次的情況下，供電系統太陽能光伏板選擇 100 W，儲能蓄電池選擇 100 Ah 進行配備。

3 監測系統運行常見問題分析

根據以往工程經驗，在惡劣環境下，往往系統出現問題最多的是供電系統部件。常見的幾種現象列舉如下。

整個監測系統線纜較多、連接點較多，很容易因為線纜連接不慎導致的設備供電問題，尤其是線纜連接處可能因為風吹日曬容易出現不易發現的斷連現象，即設備布置初期運轉良好，運行一段時間后突然斷電，現場檢查卻未發現異常，此時很有可能是某處線纜接頭在電工膠內部已經斷開外部卻不易察覺。為避免這種現象的發生，在線纜連接時就應邊連接邊檢查，尤其在接頭處應格外注意，除連接加固外，應盡量將其兩端固定避免因連接處受力而斷連。

太陽能控制器故障也是監測系統供電問題的易發情況。由于太陽能控制器不防水且易損壞，故應將其應盡量布置在防水防潮的密閉空間內，避免其因接觸水或潮氣引起損壞導致整個系統斷電。

溫度變化及雨水對儲能蓄電池會造成嚴重損害，因此，根據所處地區環境的不同，應對蓄電池采取相應的溫度控制和防水防潮措施，避免蓄電池過早老化損壞，并且應根據監測周期考慮儲能蓄電池的老化等問題給予監測系統適當的富余配備。

雨雪陰天等會影響太陽能供電效率等，也應對監測系統太陽能電池子陣富余配備。

除供電問題外，常見的故障還有通訊故障、數據包丟失或出現數據奇異點故障等。

通訊故障一般是由于 DTU 損壞或是 SIM 卡通訊問題，除維護 DTU 及 SIM 正常通訊外，應配備大容量數據存儲設備，在數據無法向外傳輸的情況下，保證有足夠的空間存儲未傳輸的數據。

數據包丟失或出現數據奇異點故障往往是整個監測系統軟件部分不穩定導致的，除進行軟件維護和升級外，適當降低采集頻率，提高軟硬件匹配度，一定程度上可避免上述現象發生。

4 結語

輸電鐵塔力學性能監測是對目前輸電鐵塔安全防護傳統監測手段的重要補充。本文以福建地區 ZM31-24 貓頭型直線塔為背景，對輸電塔力學性能監測系統設計及運行中常見問題進行了分析和總結，具體結論如下。

1）輸電鐵塔應變監測可采用振弦式應變計，其特點是壽命長，耐久性、穩定性、可靠性好，受外界干擾小，適用于長期監測。傾斜監測可采用雙向傾角計，以便于同時獲取兩個方向的傾斜數據。測點布置不僅要選取受力大的位置，還應考慮結構的對稱性，以及便于設備安裝調試，隨著高度的增加測點適當減少，線路盡量短。

2）應變計主材應安裝在角鋼靠下的位置，其中塔身主材應安裝于在平行線路方向的外側，塔頭主材從俯視角度看也盡量安裝于肢的外側；應變計斜材應安裝在中間位置，且為與主材相連的連接肢。此外，應變計應沿著鋼肢的方向布置在準線上。

3）在無人區，可采用太陽能供電，充分考慮太陽能供電效率和電池容量，根據計算及現場經驗，40 通道滿通道采集及采樣頻率為 6 min/次的情況下，供電系統太陽能光伏板可選擇 100 W，儲能蓄電池可選擇 100 Ah。

4）可采用加固連接點、減少線纜連接點受力等措施減少線纜原因導致的供電故障；增強對太陽能控制器及電池的保護從而減少其導致的供電故障。

5）維護 DTU 及 SIM 正常通訊，并配備大容量數據存儲設備，預防通訊故障及由于通訊故障導致的數據丟失。適當降低采集頻率，提高軟硬件匹配度，一定程度上可避免數據包丟失或出現數據奇異點故障。