一種拉線塔拉線張力測(cè)量方法的工程實(shí)踐

陳鑫海，涂櫪予 （1.湖北省輸電線路工程技術(shù)中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

由于拉線塔具有風(fēng)荷載小、鐵塔耗鋼量小、基礎(chǔ)形式簡(jiǎn)單、基礎(chǔ)材料量小、工程投資少等優(yōu)點(diǎn)，因此拉線塔得以廣泛應(yīng)用于江漢平原[4]。

拉線塔是由塔柱和拉線構(gòu)成的非自立式高聳鋼結(jié)構(gòu)，塔身不能獨(dú)立承受荷載，必須設(shè)置拉線來抵抗外荷載并通過拉線施加預(yù)應(yīng)力來提供拉線塔的剛度。因此，拉線塔的主要受力部件是拉線，拉線的張力是表征拉線塔是否能正常運(yùn)行的重要參數(shù)[9]，在線路運(yùn)維中需要定期監(jiān)測(cè)。然而，受測(cè)量技術(shù)的限制，目前在線路運(yùn)維中，主要還是通過經(jīng)驗(yàn)法判斷拉線的張力。由于經(jīng)驗(yàn)法受人的主觀性影響較大，因此存在精度低、差異性大、可靠性差等問題[5]。

圖像識(shí)別技術(shù)的張力測(cè)量方法是一種新的張力測(cè)量技術(shù)，本文采用該技術(shù)并對(duì)江漢平原30 基拉線塔開展張力測(cè)量工作，評(píng)估拉線的安全穩(wěn)定性。

1 工程概述

1.1 工程背景

本次檢測(cè)的拉線塔位于江漢平原，建設(shè)于20世紀(jì)80-90年代，其設(shè)計(jì)使用年限普遍在25～30 年。如今，其實(shí)際使用年限早已超過了設(shè)計(jì)使用年限。在環(huán)境荷載的作用下，逾齡拉線塔普遍存在塔材銹蝕、拉線張力松弛、地基沉降、拉線外力破壞、螺栓松動(dòng)等問題[1]。在此背景下，大量的逾齡拉線塔已成為江漢平原電能運(yùn)輸安全的不穩(wěn)定因素。這部分拉線塔由于設(shè)計(jì)年限久遠(yuǎn)，部分設(shè)計(jì)資料缺失，設(shè)計(jì)條件與現(xiàn)實(shí)運(yùn)行條件發(fā)生了較大的改變，這給鐵塔的安全評(píng)估帶來了極大的困難，一旦發(fā)生輸電鐵塔倒伏，將會(huì)嚴(yán)重影響輸電線路的安全性[10]。

圖1 拉線塔、拉門塔

1.2 檢測(cè)地點(diǎn)

在檢測(cè)區(qū)域選擇30 基逾齡拉線塔拉線張力進(jìn)行評(píng)估檢測(cè)，其中檢測(cè)的塔主要分布于500kV 葛軍線、500kV 雙玉一回線路及500kV 雙玉二回線路。500kV 葛軍線為常規(guī)單回架空線路，500kV 葛玉線起始于葛洲壩，終止于玉賢變電站；500kV 雙玉一回輸電線路1982 年投運(yùn)，始稱“雙鳳線”，屬“平武工程”雙河變電站至武漢鳳凰山變電站段，該線路是華中電網(wǎng)系統(tǒng)骨干輸電線；500kV 雙玉二回線，線路起始于雙河變電站，終止于玉賢變電站，于1998 年7月20 日投運(yùn)。上述30 基鐵塔在地圖中位置如圖2所示。

圖2 所檢測(cè)拉線塔地理位置

圖3 檢測(cè)方法流程圖

圖4 拍攝拉線振動(dòng)視頻

圖5 對(duì)圖像進(jìn)行處理

圖6 拉線張力計(jì)算

2 張力檢測(cè)

2.1 檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式拉線張力測(cè)量?jī)x器需直接與拉線相連才能對(duì)拉力進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，不適用于已運(yùn)營(yíng)拉線結(jié)構(gòu)，形成拉線張力測(cè)量難的痛點(diǎn)。

本文采用基于圖像處理技術(shù)的拉線張力檢測(cè)方法。檢測(cè)方法流程是給拉線一段在環(huán)境激勵(lì)下的時(shí)間歷程信號(hào)，在拉線發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)的同時(shí)，采集拉線塔拉線振動(dòng)視頻，通過圖像處理技術(shù)識(shí)別振動(dòng)頻率，從而由頻率推算張力[2]。

2.2 檢測(cè)流程

①人工激勵(lì)

選取一個(gè)拉線塔拉線與背景顏色之間有較大色差的區(qū)域，對(duì)拉線塔拉線給予一段環(huán)境激勵(lì)下的時(shí)間歷程信號(hào)。

②拍攝視頻

將拍攝視頻的設(shè)備固定在拉線一定距離處，采集一段拉線塔拉線振動(dòng)時(shí)的視頻，且采集拉線塔拉線張力振動(dòng)視頻時(shí)長(zhǎng)最好大于一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)間段。

③圖像處理

將拍攝好的視頻導(dǎo)入新型拉線塔拉線張力測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行圖像處理，系統(tǒng)將從視頻中自動(dòng)捕獲出像素高且穩(wěn)定性強(qiáng)的片段進(jìn)行分析。

④頻率分析

通過該新型拉線塔拉線張力測(cè)量系統(tǒng)中的模型和算法對(duì)視頻中拉線塔拉線振動(dòng)的頻率進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

經(jīng)過該新型的拉線塔拉線張力測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)三條線路拉線的振動(dòng)視頻分析并處理，可以精準(zhǔn)測(cè)量到拉線拉力值，相關(guān)數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 三條線路拉力測(cè)量數(shù)據(jù)

本工程所測(cè)量±500kV 拉線塔拉線的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值為120MPa，每根拉線包含19 根鋼絞線，拉線直徑為14.5mm，根據(jù)計(jì)算可得其設(shè)計(jì)張力安全值應(yīng)該在19.8kN附近[3]。

本檢測(cè)旨為進(jìn)行拉線張力松弛對(duì)拉線塔的安全評(píng)估提供判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范，將拉線張力松弛對(duì)拉線塔的安全影響分為3 個(gè)等級(jí)[7]，如表2所示。

表2 等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)

500kV葛軍線拉線張力處于設(shè)計(jì)張力70%～85%之間，屬于2等級(jí)；500kV雙玉一回線路拉線張力處于設(shè)計(jì)張力85%～100%之間，屬于1等級(jí)；500kV雙玉二回線路拉線張力處于設(shè)計(jì)張力85%～100%之間，屬于1等級(jí)。綜上所述，三條線路的拉線塔拉線均出現(xiàn)一定程度的松弛問題。

然而拉線塔拉線是拉線塔的主要受力部件，其張力的大小會(huì)受到外部不可控作用力的影響。控制拉線塔拉線張力在合理范圍內(nèi)，是保證拉線塔整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重中之重，因此需要精準(zhǔn)測(cè)量拉線塔的拉線張力，以及為了應(yīng)對(duì)拉線塔拉線松弛等影響拉線張力大小的問題提出解決方案。為類似的工程應(yīng)用借鑒，并為解決拉線張力問題提供了解決思路，可以應(yīng)用如圖7和圖8的解決方案。

圖7 修筑水泥防護(hù)墩

圖8 對(duì)拉棒進(jìn)行深埋

①修筑水泥墩和對(duì)拉棒進(jìn)行深埋

拉線裝置容易受到地基環(huán)境的影響，而農(nóng)耕開挖等作業(yè)將會(huì)使得周圍地基發(fā)生沉降。通過修筑水泥墩和對(duì)拉棒進(jìn)行深埋，使得拉棒周圍的地基更加的穩(wěn)固，能夠有效防止因地基沉降而導(dǎo)致的線路拉線塔拉線的應(yīng)力變化，并且可以大幅度減小因受到外界撞擊而使其固定處松動(dòng)的可能性，避免導(dǎo)致拉線塔拉線松弛。

②對(duì)腐蝕鋼絞線進(jìn)行及時(shí)更換

鋼絞線容易受到大氣環(huán)境的影響，在陰雨天等潮濕環(huán)境下，鋼絞線股與股之間容易滲入雨水和濕氣，雨水和相關(guān)雜質(zhì)作為電解質(zhì)，與鋼絞線在長(zhǎng)時(shí)間的作用下發(fā)生電化學(xué)腐蝕，從而容易發(fā)生腐蝕斷股等情況[8]。通過及時(shí)更換受到嚴(yán)重腐蝕的拉線，能夠大大降低因拉線腐蝕斷股而造成的風(fēng)險(xiǎn)，提高了拉線塔拉線運(yùn)行的穩(wěn)定性。

③對(duì)拉棒進(jìn)行防腐處理

拉線棒容易受到所處地面環(huán)境影響，尤其是處于潮濕地帶或者水田環(huán)境。通過對(duì)拉棒受腐蝕程度進(jìn)行評(píng)估，對(duì)拉棒進(jìn)行更換或者涂防腐油漆等處理，使得拉棒能夠更加穩(wěn)定的發(fā)揮作用，保證拉線塔拉線的正常工作。

④對(duì)螺栓等連接處進(jìn)行包裹加固

螺栓等連接處容易受到外界撞擊等外界因素影響，通過對(duì)螺栓等連接處進(jìn)行包裹緩震，可以有效減少因外界撞擊而導(dǎo)致的螺栓等連接處松動(dòng)，保證螺栓的預(yù)緊力正常，從而保證拉線的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文采用視頻圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)江漢平原30 基具有代表性的拉線塔的拉線張力進(jìn)行了檢測(cè)，可得到如下結(jié)論。

①基于圖像識(shí)別技術(shù)的拉線塔拉線張力測(cè)量技術(shù)是一種張力測(cè)量新技術(shù)，具有非接觸、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)。且其可操作性十分強(qiáng)，能夠很好的應(yīng)用到拉線塔拉線張力測(cè)量的工程當(dāng)中，并解決相關(guān)的問題。

②精準(zhǔn)測(cè)量拉線塔拉線張力，并且判定拉線張力松弛對(duì)拉線塔的安全影響等級(jí)，本文為解決不同等級(jí)拉線松弛問題進(jìn)行分析和思考其解決方案提供了借鑒思路。