基于微波干涉技術的桿塔形變及導線舞動幅值監測研究

胡禮軍， 吳 蓉， 黃炎階， 葉卓儒， 金 今

(國網浙江省電力有限衢州供電公司，浙江 衢州 324000)

0 引 言

輸電線路中桿塔變形及導線舞動均可能導致線路的閃絡或跳閘事故，較大幅度的導線舞動與桿塔變形甚至會造成輸電線路的折斷、脫落等事故。國內對已有的三種估算舞動振動幅值的方法進行了比較分析，并分別采用線長法、能量法和有限元方法分析比較了孤立檔和連續檔中導線的張力變化。國外大量舞動事例的分析研究，認為只有不穩定振動才有可能產生像舞動這樣大的振幅，因此可以把舞動看作一種動力不穩定現象。

對桿塔形變及導線舞動幅值的研究已經成為國內外的重要關注內容，文獻[1]中建立有限元模型對輸電線路中的各檔位線路進行振動幅度與桿塔形變狀態的監測，并應用數值模擬相關公式計算導線舞動幅值與桿塔形變值的數據，再將測得數據與張力變化比較與分析。但上述方法對導線舞動幅值的監測不夠精細。文獻[2]中應用能量平衡方法對導線舞動變幅值計算，應用描述函數方法對桿塔形變量計算，計算結果表明導線幅值與舞動頻率成反比，導線幅值與風速成正比，在此基礎上研究舞動幅值在計算模型中的運算公式與表達方式。但該方法對導線舞動的監測易受到距離的限制，且智能性較差，應用效果不佳。

近些年來微波干涉技術也逐漸應用到智能化監測系統中，結合網絡寬帶與干涉質量的遙感關系，可以將檢測內容與計算數據精確到毫米，具有精準度高、智能性強、不受距離限制等優勢。本文基于微波干涉技術研究桿塔形變與導線舞動幅值，實現在惡劣環境、遠程條件下精準監測形變與幅值狀態，提升桿塔形變與導線舞動幅值研究領域的信息化水平。

1 基于微波干涉技術的桿塔形及導線舞動變幅值捕捉

1.1 微波干涉技術

微波干涉技術是一種智能化連續多點測量的形變檢測技術，應用在桿塔形變及導線舞動變幅值研究與應用領域中可以實現多項遙感技術在監測數據方面的體現[3]。

微波干涉技術具有極高的穩定性，采用雷達對桿塔形變與導線舞動幅值進行多散射點的提取與技術分析，能夠有效解決傳統技術中的遙感技術與幅值、形變沖突問題[4-5]。其工作原理是通過雷達探測信號在不同時段與實際目標變化量之間的位移測定和測量來實現，也可以理解為雷達發射信號與桿塔變量之間的信號交互。圖1為雷達發射信號與微波干涉之間的相位關系圖。

圖1 雷達發射信號與微波干涉之間的相位關系圖

根據圖中的微波干涉與雷達信號關系可知，雷達對桿塔與導線的第一發射信號相位與第二次雷達發射信號相位相差定義為 φ1，微波干涉所發出的波形相位差為 φ2，根據兩次波形相位差便可知桿塔形變與導線舞動幅值相對應的位移，用微波干涉技術實現表達式為：

其中，λ為波形長度，d表示相對位移。

目前國內應用的微波干涉技術表達函數主要是基于拉力關系組件推導，在推導出的函數中引用靜力學與動力學，在形變與導線舞動中的系統關系來建立規律性的頻率公式與參數算法。由于本文研究的桿塔形變與導線舞動幅度具有底階固有的頻率特點。因此，本文應用微波干涉技術時考慮到研究對象的剛度與邊界條件，對數據計算條件進行修正[6-7]。

文章還在微波干涉技術基礎上添加了振動法的測力技術，微波干涉技術實現的過程中，首先需要運用桿塔傳感器完成桿塔形變量的數據上傳與導線振幅的數據上傳，通過振動法測定上傳數據中可以被應用于拉力計算的參數，如下為振動法下的微波干涉技術公式表現方式：

式中：T——導線或桿塔的應力；

m——導線或桿塔的密度值；

l——導線的長度與桿塔的高度；

n——導線在有風情況下的振動頻率；

fn——不同時間段的導線振動狀態或桿塔的形變規律。

1.2 桿塔形變及導線舞動幅度捕捉

桿塔形變及導線舞動幅度數據的采集，主要是通過無線網絡對現場情況的程序數據處理，數據采集程序中會結合現場硬件檢測裝置提供的精確數據進行系統匯報與總結[8-9]。

數據采集后，結合桿塔與導線的基本動態信息實現監測單位的參數參考，如圖2所示為桿塔的受力數據與監測單位標準值的參考信息比較。觀察圖2可知，參數比較可知桿塔的對比模型是處于固定狀態，對于微波干涉技術的數據采集器是一種具有螺紋結構的固定與供電線設備上的凹槽連接裝置，在設計的過程中需要固定塊在桿塔與導線上發揮中性穩定作用。圖3為數據采集器的固定結構設計圖。

圖2 參考信息對比圖

圖3 數據采集器的固定結構設計圖

由于桿塔形變會對固定數據采集裝置產生一定的影響，容易引起采集裝置本身的形變，導致桿塔形變下部的承受壓力大于桿塔形變上部的壓力。所以數據采集裝置下，表面是一個敏感性較高的光補償裝置，能夠通過導線上傳捕捉信息[10]，見圖4。

圖4 桿塔形變數據采集器的結構示意圖

桿塔與導線在外界干擾條件下會產生大量的干擾信號，將影響數據采集與傳輸的質量[11]，為了改善數據捕捉環境，需要在導線傳輸接口處濾波，如圖5所示為信號濾波電路圖。

圖5 信號濾波電路圖

由圖5可知，在信號濾波中通過傳感加速裝置傳輸數據，減少數據傳輸干擾因素，降低濾波后數據的誤差，將濾波處理后的信號波傳輸到數據監測控制中心。

2 桿塔形變及導線舞動幅值預測

本文首先應用微波干涉技術對桿塔形變及導線舞動幅值進行算法判別，將輸電線路中的實際受力情況預測分析。桿塔的基礎受力形狀為圓柱體，將圓柱體一端控制參數，并加以水平方向的受力固定，滿足桿塔的基本彈性定律。由于不同地區采用的導線材質不同，需要對鋼絞線應力進行預測實驗。假設不同地區應用相同直徑的9 mm鋼絞線，當鋼絞線處于硬拉狀態下的傳感受力器傳輸波長與拉力的大小成正比，當硬拉力量從50 N上升至20 kN左右，數據傳輸波長也會隨著拉應力的波長變化，進而導致桿塔形變波長發生變化。如表1所示為不同拉力下的導線對桿塔形變產生的影響。

表1 不同拉力下的導線對桿塔形變產生的影響

對固定在導線上的傳感器數據提取得到較為精準的采樣頻率，波長在采集器中的測量劃分為多個階段，每個階段的桿塔的形變程度均隨著導線舞動頻率增長[12]，本文采用的風壓傳感器波長采集器為傳統的1 kHz，如圖6所示為導線舞動頻率與微波干涉波長關系圖。

圖6 導線舞動頻率與微波干涉波長關系圖

根據圖6中的關系線圖可知導線舞動頻率與波長有著明顯的線性關系，當舞動頻率達到常規頻率時線性對應關系如下：

本文還應用圖像擬合方法完善微波干涉技術，實現對桿塔形變的預測分析[13-14]。頻率是一個物體發生在一定時間內的變化次數，桿塔發生形變的主要因素是載荷非固定性頻率的壓力變化，可以通過靜態調節的方式增強桿塔形變的預測環境，在桿塔形變數據采集器中安裝200個負載頻率變化點，根據時間的變化與環境的變化對負載頻率變化的采集放寬條件。如圖7所示為預測過程中對單筒塔的預測實景圖。

圖7 單筒塔預測實景圖

由圖7可知，不同的桿塔結構對應不同的絕緣設備與避雷設備，兩個相鄰的桿塔之間還會建立完整的連接導線，應用空間單元建立桿塔與其他設備的混合模型，桿塔中的絕緣子串等設備可以簡化為負載設備，統一視為桿塔的形變因素，圖中進行預測的單筒桿塔可以自主釋放負載對桿塔結構的壓力，獲取一定程度上的形變自由度，此時發生的形變基本為可逆形變，保障桿塔在正常負載壓力下的自由度。單筒桿塔塔高一般控制在35～40 m，耐張桿塔高度一般控制在37～45 m。分析桿塔材料的力學數據，模擬單元性桿塔形變預測值，單筒桿塔在安全系數達到2.0情況下的形變值，預測結果見表2。

表2 桿塔力學參數預測值

3 桿塔形變及導線舞動幅值監測

根據《電力工程高壓送電線路設計手冊》與GB 50545—2010《110 kV至750 kV架空線輸電線路設計規范》內容可知導地線水平載荷和基本風壓標準值運算表達式為：

式中：WH——桿塔在不同風壓下的受力系數；

α——導地線水平載荷；

W0——基本風壓值；

μs——負載變化系數；

μsc——桿塔的材質應力參數；

βc——桿塔載荷調整值；

Lp——桿塔與導線之間的距離；

B——即將產生形變的最大應力值；

θ——風向角。

根據GB 50545—2010內容可知桿塔的基本風壓標準值隨著桿塔的高度增長而減小，當桿塔高度超出國家標準《建筑結構荷載規范》時桿塔中的部分構件便會增加形變受力面積，在垂直方向上桿塔結構受力面積與水平方向受力面積呈線性關系增長。例如絕緣子、避雷器等設備的重量也將會對桿塔形變量產生巨大影響，設備高度與設備到桿塔形變出的相對高度可由《結構風工程》相關計算方法實現等比例系數變化。如表3所示為不同高度桿塔設備結構面對不同風壓的形變影響系數。

表3 影響形變因素系數表

由表中數據可知，結構高度與影響系數成正比關系，風壓高度與影響系數呈二次函數關系，根據表中的影響系數可以監測出風壓與結構高度在可測量的情況下桿塔的形變量。

不同風速下的導線舞動幅值監測，隨著風速的增大而增大，為了能夠更加精準檢測導線舞動幅值，在自然條件下對三種差距較大的風速進行舞動軌跡監測，分別計算垂直幅值與水平幅值的相差值，考慮到電氣絕緣之間存在較大的間隙，中間產生的張力變化可能會影響桿塔形變，所以在監測導線舞動幅值過程中需要將桿塔形變值導入監測程序中。本文在不同季節監測10 m/s、15 m/s、20 m/s三種風速下的導線舞動狀態，獲取導線舞動垂直幅值分別為2.31 m、3.45 m、5.61 m，如圖8所示為三種風速下的導線舞動軌跡圖。

圖8 三種風速下的導線舞動軌跡圖

由圖8可知，不同風速下的導線舞動幅值監測，導線隨著風速增大舞動幅值也逐漸增大，因此在不同環境下裝設具有不同抗風度的微波干涉器監測導線舞動幅度，監測結果如表4所示。

表4 導線舞動幅值監測結果

4 實驗研究

為了驗證本文研究方法的有效性，應用微波干涉技術實際應用案例監測效果與文獻[1]、文獻[2]中監測效果相比較。我國東北平原地區桿塔以及導線受環境因素造成較明顯破壞，為此應用此地區案例能夠凸顯實驗效果。

首先對此地區的桿塔與導線初始性能調查，保證桿塔與導線建設符合IEC 61968電力企業應用集成、D476192電力系統實時數據通信應用層協議，且微波干涉技術實現設備在安裝規范中符合GB 50395—2007《視頻安防監控系統工程設計規范》、DL/T 547—2020《電力系統光纖通信運行管理規程》等標準與規范，建設在桿塔上的監測設備主要分為移動監測設備與在線監測設備，分別針對桿塔終端與數據控制終端，方便提供各類數據以及分析，運用微波干涉技術實現對桿塔形變及導線舞動幅值監測的實驗步驟如下：

1）應用傳統靜力學與動力學對導線進行拉力測試，并用公式修正固有頻率對導線舞動狀態的數據提取與計算，再應用不同階段的固有頻率對桿塔形變完成階段測試，提出合理監測擬合方法。

2）采集傳感器中形變數據以及導線舞動幅值，由導線的舞動頻率推算出導線的抗性與剛度，在理想狀態的繃緊導線可以由以下公式計算：

式中：T′——導線繃緊狀態張力；

m′——導線材質密度；

l′——導線的舞動長度；

f′n——導線的固有頻率。

若導線剛度對導線舞動幅值監測產生一定影響時，需要對剛度的應力條件進行判斷，判斷條件為：

其中，E為導線彈性系數，I為導線舞動慣量。

3）最終還要考慮到導線垂度、環境溫度、設備質量、桿塔高度等因素造成的適應范圍內影響。

在東北平原地區同時實施文獻[1]、文獻[2]中方法，對桿塔形變量以及導線舞動幅值進行監測，本文方法應用微波干涉技術對桿塔形變量以圖像擬合方式體現出來，其他兩種文獻以微波感應方式體現，圖9為三種方法下的桿塔形變量監測對比圖。

圖9 桿塔形變量監測對比

根據圖中的桿塔形變精確度可知本文方法能夠更加精準監測桿塔產生的形變量，本文方法下的監測精準度至毫米，同等時間內，本文方法能夠檢測到12次波頻，文獻[1]方法和文獻[2]方法分別為8次和3次，較其他方法波頻高1.5～4倍，還能夠體現出桿塔形變中彈性模量與截面慣性矩產生的形變特征。

實驗還比較了三種方法的導線舞動幅值監測結果，如圖10所示為三種方法下對導線幅值監測對比結果。

圖10 導線幅值監測對比結果

由圖可知本文方法可以對導線舞動幅值進行更加細微的監測，例如在0～10 Hz振動頻率下本文方法監測幅值精準度為-40～-10 dB，而文獻[1]、文獻[2]方法監測精準度在-80～0 dB，由此可見所提方法優于文獻方法。

5 結束語

導線舞動以及桿塔形變嚴重影響正常輸電線路運行，為保障輸電線路的正常運行，本文應用微波干涉技術對桿塔形變及導線舞動幅值監測進行研究，分析架空線路上的監測設備與微波監測的關系，獲取導線張力、桿塔負載等參數，完成導線預測，分析影響形變因素系數，得出導線舞動的幅值，實現較精準的監測。設計的監測方法能夠為不良氣候下輸電線路的正常運行提供幫助，為導線舞動的監測與控制提供一定理論依據。