內懸浮內拉線抱桿安全監控系統研制

黃明祥

(國網福建省電力有限公司建設分公司，福建 福州 350012)

0 引言

內懸浮拉線抱桿組塔施工方法在電力鐵塔建設中得到了廣泛應用，具有結構簡單且經濟實用等優點，特別在山區環境中具有明顯的優勢[1-2]。鐵塔高度越高導致拉線角度越小，越增大了高空組塔難度，容易造成抱桿傾倒意外。比如2017 年，某施工單位在某±500 kV 直流輸電鐵塔組立過程中，因拉線突然塑性變形，致使抱桿傾倒，造成了人員傷亡。為提高內懸浮拉線技術施工方案的安全性和可靠性，諸多科研工程人員對此展開了研究。張珂等人針對浙北—福州特高壓交流線路工程中組立鐵塔所用的內懸浮外拉線抱桿，采用有限元模擬分析抱桿拉力、位移、應力等關鍵要素，優化了外拉線時傾角[3]。王光祥等人研制了一種適用于山地段的圓管式內懸浮抱桿施工工藝[4]。孫云等人精確地分析抱桿受力[5]。汪瑞等人采用ANSYS 軟件分析主體結構主材軸力一般較大，斜材軸力相對較小[6]。丁仕洪等人在考慮抱桿運行參數、典型工況下，結合抱桿自重、吊重、風荷載及吊件偏斜的影響，運用非線性有限元方法對其進行靜力分析[7]。李慶林等人提出了在豎直狀態下，內懸浮內(外)拉線抱桿分解組塔主要索具受力計算的通用圖表法，預測索具在不同位置時的受力變化情況[8]。這些研究重點是計算或復核關鍵部件的剛度，如抱桿、主材、拉線等構件，以改進本體設計，在一定程度上提升內懸浮拉線組塔本體的可靠性和安全性。但對于抱桿的狀態還是靠人工觀測與估計，尚未對抱桿傾角與拉力實現實時信息化監控。

在山丘環境中，由于現場無法固定外拉線地錨，需采用內懸浮內拉線(inner suspension and inner backstay，ISIB)工藝。ISIB 工藝節約施工場地且對坡度無要求，但難度在于如下兩點。

(1) 內拉線固定在鐵塔主材上，拉線與抱桿夾角小，能提供的有效水平支撐力明顯減小，難以平衡滑車組產生的水平拉力，拉線塑性失效，進而導致抱桿不穩定，甚至傾倒。隨著鐵塔的增高，拉線與抱桿夾角會越小越容易發生意外。

(2) 由于在施工過程中，抱桿必須傾向吊物側一定的角度，會加劇兩側4 根內拉線受力不平衡，使得拉力側拉線角度更小，能提供的有效水平支撐力急劇減小，更容易導致抱桿傾倒。

目前，ISIB 工藝在使用過程中，對拉線的松緊度調整、抱桿傾角等閾值設置，依然靠施工人員肉眼觀測，未對關鍵構件實現實時監測和參數信息化，無法實時掌握抱桿狀態信息。下面針對ISIB工藝，引入物聯網技術，研制一套防抱桿傾倒的安全監控系統，監測抱桿傾角和拉力以掌握抱桿狀態，有助于提升ISIB 工藝的可靠性和安全性，具有很強的工程實際應用價值。該系統在福建某施工工地得到了試用，在現場施工過程中，地面指揮人員能夠實時掌握ISIB 工藝的抱桿和拉線的實時狀態信息，方便現場指揮協調，提高了現場施工的安全性和效率。

1 ISIB 結構

ISIB 利用已安裝好的鐵塔當作支撐架，來固定抱桿。在抱桿上配上滑車組，將鐵塔構件吊到已裝配好的鐵塔上部吊裝，其機械結構如圖1 所示。ISIB 主要由控制繩、吊件、滑車組、抱桿、兩側4根拉線、4 根承托繩、塔架、牽引繩、轉向滑車、機動絞磨等部件組成。吊件布置在鐵塔斷面中心線位置，與受力側拉線的合力在同一平面內。抱桿布置在鐵塔正軸心位置，一部分抱桿插入鐵塔里面，大部分抱桿露在鐵塔上面，抱桿由8 根鋼絲繩牽引直立在鐵塔內部，底部4 根鋼絲繩為承托繩，頂部4 根為內拉繩，抱桿拉線與鐵塔斷面對角線布置在同一垂直平面內。

圖1 ISIB 結構

ISIB 方法中，抱桿傾角δ和4 根拉線拉力P是很關鍵的因素，對這些物理量需要實現實時監測，實現現場可視化施工，提高ISIB 施工安全性。

2 防抱桿傾倒安全監控系統

對ISIB 的抱桿設計傾角與拉線拉力監測系統，以無線網絡傳輸傳感器數據到現場監測系統上，能夠實時掌握抱桿狀態，防止抱桿傾倒，提升ISIB施工工藝的安全性。在圖1 中，該監控系統由四大模塊構成：數據感知模塊，包括兩軸傾角和應力傳感器，即采用傳感器實現數據采集；局部無線傳輸模塊，以Zigbee 實現本地局域網絡，即采用無線傳輸技術實現多個數據感知模塊與本地監控系統之間數據通信，形成本地局域網；現場監測系統，包括人機界面、抱桿傾角與拉力閾值計算功能，即在計算機上運行現場監控軟件；遠程傳輸模塊，即由4G 網絡實現與省公司安監中心的遠程通信功能。數據感知模塊A，B，C，D 為拉力傳感器，分別位于拉線末端調節環上；E 為抱桿傾角傳感器，位于抱桿頂部；局部無線傳輸模塊采用Zigbee 傳輸方式，在該系統中將感知模塊與Zigbee 模塊集成為一個硬件節點；F 為地面監測模塊，由無線網絡接收傳感器信息并實時顯示，有預警功能；遠程傳輸模塊通過4G 網絡，可擴展為5G 網絡，將施工信息上傳至省公司安監中心。

2.1 數據感知傳輸模塊

將數據感知模塊和局部無線傳輸模塊集成為一個節點，為數據感知傳輸模塊，如圖2 所示，主要由傳感器、51 單片機、Zigbee、天線、電源等構成。該模塊工作基本原理為單片機發送指令啟動傳感器采集傾角和拉力數據，單片機收集到傾角和拉力數據后，由串口通信將傳感器數據傳輸給Zigbee 模塊，并啟動Zigbee 將數據發送給現場監測系統。電源采用3.7 V 鋰電池模組，一次充電可供模塊連續工作15 天左右，可滿足超(特)高壓鐵塔組立周期(約為10 天)。

圖2 數據感知傳輸模塊

數據感知模塊有兩種傳感器，具體如下。

(1) 采集拉線拉力信號采用振弦式鋼板應變計，型號為VWS-10B，彈性模量小，隨動性好，安裝在拉線鎖扣的表面，便于更換和重復使用。

(2) 采集抱桿在空間任意方向傾斜角度采用兩軸傾角傳感器，型號為ZCT230M1-LTQ。

2.1.1 傾角傳感器的選擇及測量原理

內懸浮內拉線施工組立塔過程中，工況起吊最大重量為3 t，因此在拉起吊件的過程中，可以將抱桿稍向吊件一側傾斜，但傾斜角度不宜超過15°，這就要求在起吊過程中對抱桿傾斜角度進行實時測量。抱桿在空間位置上會往任意方向傾斜，利用上海直川電子科技有限公司研發生產的一款高精度、低功耗的雙軸傾角傳感器ZCT230M1-LTQ (此傳感器在通信鐵塔、高壓電塔等領域長期用于測量塔傾斜度)，檢測空間上抱桿的傾斜角。

傳感器可測量傾角范圍為－30°～＋30°，分辨力可達到0.01°。為保證測量精度達到±0.05°，確保電源電壓為5 V。在－40～+85 ℃的溫度范圍內，零點溫度漂移為0.008，保證環境溫度改變下，傳感器固定時對輸出零度角影響小。

將傳感器水平安裝在抱桿的頂部，假設抱桿初始位置均處于垂直狀態，則傳感器初始在x，y軸測量的角度是0°。當抱桿向吊件傾斜時，傳感器的測量原理如圖3 所示。

圖3 傾角傳感器測量原理

如圖3 所示，旋轉方向確定傳感器轉過角度的正負，傳感器繞y軸旋轉過-β角到達O'，再繞x'軸旋轉-α角達到C點。抱桿底部固定，傳感器水平放置在抱桿頂部，運動過程中抱桿長度不變，當抱桿從O點處偏移到C點處，可以將移動路徑分解為：傳感器先繞y 軸轉過β角，再繞x'軸轉過α角達到C點。將x'，y'坐標軸投影到原坐標軸，傳感器x'，y'坐標軸與初始位置x，y坐標軸的夾角分別為β與α。抱桿往任意方向偏移時，傳感器始終與抱桿相垂直，將始末位置傳感器平面延伸，兩個平面形成的夾角取其補角，則補角等于傾斜角，記抱桿傾斜的角度為θ，傾角θ表示與垂直方向z 軸的夾角。

考慮從俯視圖的視角分析抱桿偏離角，如圖4所示。

圖4 抱桿俯視圖傾角分析

在抱桿往OC方向傾斜的過程中，實際上朝著OB方向偏移，因此偏離角為∠COB，記為ψ=∠COB。其中∠COA是可以確定的，記為η=∠COA，即需要求解圖4 中的∠BOA。如圖5 所示，當運動到點B時，作水平面的投影，求偏離角ψ。

圖5 水平面投影

設投影角σ=∠BPA，已知測得的抱桿傾斜角θ，可得投影角σ：

已知角η，故俯視方向上的偏離角ψ為：

ψ表示與水平xy軸面內與x軸夾角，

推導ψ角度是為了調節抱桿在xy水平面內與x軸的角度。

2.1.2 拉力傳感器的選擇及測量原理

抱桿向起吊件傾斜過程中，抱桿另一側受到內拉線牽扯，內拉線對抱桿有拉力作用，為避免內拉線產生的張力太大而導致鋼繩斷裂，需要在連接主材和鋼繩的鎖扣上安裝拉力傳感器，實時檢測內拉線拉力。葛南實業有限公司生產的VWS-10B 型振弦式鋼板應變計，適用于布設在建筑物的鋼結構上，測量鋼結構受拉力作用的應變量。振弦式鋼板應變計彈性模量小，隨動性好，安裝在鎖扣的表面可回收重復使用。

傳感器在被測物受拉伸情況下，應變測量范圍最高為1 500 με，綜合精度為0.1 % F.S，故傳感器測量值與真實值誤差在1.5 με范圍內，傳感器的彈性模量為300 ～800 MPa，彈性模量越小，與被測物的隨動性越好，不會影響到被測物體所受的應力大小。±0.5 ℃的測溫精度，確保能準確扣除溫度變化對應變量的影響。其工作原理如圖6 所示。

圖6 應變計測量原理

如圖6 所示，當被測物體受拉伸作用，傳感器同步感受形變，形變通過前后端傳遞給振弦。振弦受應力變化作用，改變振弦的振動頻率，頻率信號經觀測信號線到讀數裝置，可測量被測物體的應變量。同時，傳感器還測量影響應變量的溫度大小，計算時應該扣除。被測物體受到軸向變形，應變量ε與頻率模數F(F=Hz2×10-3)存在線性關系：

其中，K為應變計的測量靈敏度，單位10-3/Hz2；F為傳感器測量值，單位Hz2×10-3；F0為傳感器基準值，單位Hz2×10-3。

當被測物體不受拉力時，信號線輸出的頻率信號由溫度引起的，予以修正，換算后測量到的應變量為：

其中，εm為被測物體的應變量，單位10-6；b為傳感器的溫度修正系數，單位10-6℃；α為被測物體線膨脹系數，單位10-6℃。

拉力引起的應變量乘以鎖扣的彈性模量即可得到拉力大小：

其中，E為被測物體彈性模量。

2.1.3 Zigbee 無線網絡

局部無線傳輸模塊采用Zigbee 無線網絡實現局部本地網絡層設計，實現與地面監測系統之間的數據通信。Zigbee 通信協議為IEEE802.15.4，工作在2.4 ～2.45 GHz 的公用頻道下，具有諸多優點：低功耗，Zigbee 具有模塊休眠技術，兩節五號電池可支持6 ～24 個月的使用；高可靠性，采用了碰撞避免機制與完全確認的數據傳輸機制，保證了數據準確性；低成本，模塊價格低廉，且Zigbee協議是免專利費；低時延，通信時延和休眠激活時間非常短；網絡容量大，Zigbee 可采用星形、簇一樹形、網形結構，一個Zigbee 網絡可以容納254個從設備和一個主設備；高保密性，Zigbee 提供了基于循環冗余檢驗和加密算法，提高了數據傳輸安全性；通用性強，Zigbee 協議是標準協議，設備之間的接入容易實現。目前，Zigbee 無線技術已在工業領域得到了廣泛應用，如礦山定位系統、智能小區管理系統、軌道交通施工人員管理系統、機房環境監測系統、油井環境監測等等。根據本項目對低功耗、可靠性高、通用性強等技術需求，采用Zigbee 無線收發模塊芯片型號為DL-20，采用廣播模式實現多對一傳輸數據，無線傳輸距離可達300 m，滿足現場施工區域的覆蓋和數據的高效可靠傳輸。

2.2 地面監測平臺層設計

地面監測平臺由一臺計算機、Zigbee 無線模塊和4G 網絡模塊構成平臺層，實現無線接收傳感器數據，在計算機的數據監測系統軟件中顯示，采用4G 網絡，并可拓展為5G 網絡，將現場施工實時數據傳輸到省安監中心。

地面監測平臺層的設計重點是由VC++語言編程開發的現場監測應用軟件，該軟件運行在計算機Windows 操作環境中。現場監測應用軟件兩個關鍵模塊為監測人機交互界面、拉力和傾角閾值計算分析模塊。地面監測平臺的工作流程圖如圖7 所示。應用軟件開始時，先進行鐵塔及抱桿參數配置，然后軟件自動進行拉力與傾角閾值計算。配置成功后，啟動感知節點進行數據采集，當采集的數據大于(閾值/安全系數)時，系統發出II 級報警提示，系統會通知施工班組長和施工安全員、施工項目經理以及業主安全員；當采集的數據大于(閾值/安全系數)×80 %時，系統發出I 級報警提示，系統會通知施工班組長和施工安全員，要引起安全警戒。否則，系統進入下一個循環數據采集監測。

由VC++語言自主開發了數據監測應用軟件，實現ISIB 拉力與傾角監測系統，包括數據接收、存儲數據、上傳數據、顯示、閾值計算等功能，如圖8 所示。應用軟件中，分別顯示A，B，C，D號拉力實時值，抱桿傾角等信息。

2.3 遠程4G 網絡通信

該地面監測平臺系統采用4G 網絡通信，可拓展為5G 網絡，將現場施工實時數據上傳到省電力公司基建管理信息系統和信息平臺，進行實時錄像存檔，并能針對發現的問題及時通知業主安全管理人員。省電力公司基建管理部門、省公司級單位和建設管理單位可利用該平臺展開實時動態作業監督工作。

圖7 地面監測平臺流程

3 案例分析與驗證

福建某公司在建220 kV 線路工程中，鐵塔類型為2222J1，總高度為83 m，共分為13 段，第1段至第4 段為塔頂的橫擔部分，第5 段至第13 段為其塔身部分，序號1 ～13 從頂依次往下遞增。采用ISIB 工藝對鐵塔進行組塔施工，抱桿規格為300 mm×300 mm×16 m，即L=16 m，其重量G1=5.97 kN；抱桿承托鋼絲繩規格為φ22×18 m；受力側拉線鋼絲繩規格為φ13×25 m，許用拉力Ps=98.7 kN；吊件重量G=14.7 kN；控制繩與水平夾角ω=45°；起吊繩拉線豎直夾角β=10°。

圖8 監測軟件人機界面

在理論上分析了不同鐵塔段的拉力與傾角關系的基礎上，得到當δ＜15°和a/d=7/3(a，d分別為抱桿在鐵塔橫截面以上的長度與在鐵塔橫截面以下的長度)時，ISIB 工藝可保持相當高的穩定性。以第12 段鐵塔組塔為例，由力學公式可得到，當期望抱桿豎直傾斜δ=10°和a/d=7/3 時，吊件重量G=14．7 kN，起吊繩拉力T=18．12 kN，牽引繩張力TG=9．61 kN，受力側單根繩所受拉力P=13．27 kN，每根拉繩許用應力為98．7 kN，實際安全系數k=7。在圖8 中的應用監測平臺軟件中，設置傾角閾值δ=15°，拉線許用應力為98．7 kN。在界面中可實時顯示4 根拉線拉力值和抱桿傾角角度：受力側拉繩拉力為13．75 kN 和13．69 kN；非 受 力 側 拉 力 為5．45 kN 和5．39 kN；傾 角 為10．6°。因此，實際拉力與傾角實際值與設計計算值非常接近，均符合設計要求。

使用該監測系統進行抱桿抬升安裝時，傾角調節時間從原先0．5 h/段，降至0．1 h/段，傾角調節時間節省80 %。同時，每段鐵塔組立節省2 h。因此，本監測系統的應用能實時掌握ISIB 的傾角與拉力狀態信息，明確快速地指導現場施工，節省施工時間并能提升施工工藝的可靠性和安全性，具有很強的工程推廣價值。

4 結論

針對傳統的ISIB 抱桿系統進行信息化智能化改造，研制一套防抱桿傾倒的物聯網安全監測系統。該系統通過監測拉力和傾角，確保拉力與傾角在安全閾值范圍內，防止抱桿傾倒，提升了ISIB 施工工藝的安全性。該系統已在福建某線路工地試用，工程應用結果表明在確定了傾角和拉力的優化閾值后，使用該系統可實時掌握傾角與拉力狀態，可更直觀地指導ISIB 施工工藝的抱桿調節設置，節省了施工時間，提升該施工工藝的效率與安全性。