輸電鐵塔穩定性及其在線監測分析探討

中國電建集團重慶工程有限公司 蔣炳林

輸電鐵塔是電力系統的重要組成部分，在輸電鐵塔工作時，其會受到氣候、地質等因素的影響，這些因素都不利于輸電鐵塔的穩定工作。除此之外，人為因素也會給輸電鐵塔帶來影響，例如市政施工導致輸電鐵塔的根部受到影響，不利于輸電鐵塔的正常服務。基于此，本文對輸電鐵塔穩定性和在線監測展開分析。工作時分別對鐵塔的基本情況、穩定性進行研究，再對在線監測展開分析，從而提高輸電鐵塔的可靠運行，滿足相關行業的健康發展。

1 輸電鐵塔的一般概述

1.1 鐵塔介紹

輸電鐵塔是一種鐵質塔形的構筑物，其基礎為混凝土灌注樁基礎或獨立混凝土基礎，上部結構主要為鋼結構。在工作時，輸電鐵塔會承擔架空輸電線路的承載和架空地線的承載，同時要保證輸電鐵塔的穩定性及輸電線路各導線之間、導線與地線之間的安全距離。通過對輸電鐵塔的穩定性監測，使其滿足電力行業電能安全運輸的需求，保證電力行業的穩定發展。表1所示為某輸電鐵塔的在線監測系統詳情[1]。

表1 某輸電鐵塔的在線監測系統

1.2 輸電鐵塔的分類

一是送電塔。所謂送電塔又被稱為輸電塔，其在工作時，主要完成對輸電線路的承載，滿足送電塔的穩定工作。另外，輸電塔在工作時可根據線路的長度和電壓等級的不同，可對輸電鐵塔的高度和結構展開控制，再完成區分工作，提高送電塔的服務能力。

二是變電塔。變電塔主要是負責將高壓電轉換成低壓電，并完成分配和控制。在變電塔工作時，可按照電壓等級，分為500kV、220kV、66kV 和35kV。按照電壓等級，能保障變電塔保持穩定工作水平。

工作時，還可按照輸電鐵塔的結構，將輸電鐵塔進行分類，詳細情況分析如下。

一是直線塔。所謂直線塔，是一種基本的電力塔結構，其在應用時，一般會選擇鋼鐵構造，而且其還有結構相對簡單、質量相對不重，施工相對簡單等特點。

二是角鋼塔。這種結構的電力塔，也是一種常見的電力塔類型。其在工作時增加了橫擔和掛點等組件，能保障角鋼塔在服務時發揮相應作用。其在應用時，有適用范圍廣、強度相對較高，還有穩定性相對較好等特點。

三是桁架塔。輸電鐵塔在工作時，桁架塔是一種相對復雜的結構類型，其具有較大的承載力。雖然優勢相對明顯，但是在制造時，難度相對較大，還要進行設計、制造和施工的精細化管理，經過管理，能提高桁架塔的功用[2]。

后續在分類時，還可以通過材料進行劃分，能劃分為鋼鐵塔、混凝土塔、合成材料塔等類型。還可以按照形狀完成分類，能分為直線型電力塔、斜拉線電力塔等類型。

2 輸電鐵塔的穩定性研究

2.1 分析方法

靜力分析方法。這種穩定性分析方法，主要根據力的平衡條件與力矩平衡條件，分析時，需要對輸電鐵塔的垂直度、水平度和傾斜度參數展開分析，要保障輸電鐵塔的穩定性能得到控制。

動力分析方法。這種方法在應用時，在外部風荷載、雪荷載、覆冰荷載和自振荷載的前提下，能完成鐵塔對外界的響應進行分析。

2.2 影響因素

一是外部因素。在輸電鐵塔工作時，輸電鐵塔會受到外界因素的影響。因為外界因素具有一定的不可控性，所以在分析外界因素時，需要注意對外界因素的監測和及時反應。外界因素主要包括：風、雨、雪、冰等自然條件。這些因素都會影響輸電鐵塔的穩定性。

二是地質環境因素。這類因素也是影響輸電鐵塔的主要因素，地質環境因素包括：基礎形式、地基土質、地下水位、地形條件、邊坡形式等因素。

三是鐵塔自身的因素。輸電鐵塔自身的因素也會給穩定性帶來影響。有應力集中、受力不均、過早腐蝕等，自然就影響了輸電鐵塔的穩定性[3]。

2.3 控制措施

一是基礎的控制。在輸電鐵塔工作時，想要提升輸電鐵塔的穩定性，應對輸電鐵塔的基礎進行控制。在輸電鐵塔建設時，需要先做好前期設計，并在設計前，展開前期翔實勘察工作，通過前期勘察，能保障設計水平的提升。從而確保基礎設計的可靠性，通過基礎的控制，能保證輸電鐵塔的穩定性。

二是提高鐵塔本身的穩定性。在輸電鐵塔工作時，要對輸電鐵塔自身的穩定性進行控制。例如，在設計時對輸電鐵塔的結構形式和材料進行優選，保障結構和材料處于較好的工作水平，從而提高輸電鐵塔的服務作用。

三是針對輸電鐵塔所處的自然環境，要對輸電鐵塔所處的自然環境進行研究，主要借助設計提供的區域氣象水文資料和實地調查。先明確區域氣候的基本情況，再以氣候變化為基礎，提高輸電鐵塔的服務作用。工作中，可針對可變氣候，采取適宜的控制措施。例如，應對自然環境中的大風天氣時，可根據自然環境中的風，設計時考慮輸電線路項間距、弧垂、垂擺等因素，采取適宜的防風減振措施，通過對防風減振措施的應用，降低風對輸電線路和輸電鐵塔帶來的影響，提高輸電鐵塔的安全服務能力[4]。

3 輸電鐵塔的在線監測

3.1 監測主要參數

主要通過對輸電鐵塔以下參數變化情況進行監測：一是基礎位移及沉降；二是邊坡位移及沉降；三是接地電阻值變化；四是鐵塔構件連接螺栓扭力變化；五是鐵塔傾斜度變化；六是輸電導線張力變化。通過監測到的參數變化情況，及時作出判斷，進而采取措施消除潛在風險。

3.2 監測系統結構

主要對輸電鐵塔的在線監測展開分析，借助分析能得到監測系統的結構框圖，再按照結構框圖的基本情況，完成輸電鐵塔的監測工作。詳細情況如圖1所示。

圖1 輸電鐵塔的監測系統結構框圖

對上述監測系統結構框圖進行研究，發現其主要包括監測數據采集單元、監測數據傳輸單元、數據終端和電源供電單元等部分，保障監測系統在工作時，能先對輸電鐵塔進行檢測，提高輸電鐵塔的服務作用，再根據監測數據及時判斷輸電鐵塔出現的問題，及時采取可靠措施對輸電鐵塔進行維護，確保輸電鐵塔穩定運行。

3.3 數據采集單元

數據采集單元是系統的重要組成部分，其主要是由傳感器和設備采集設備的組成，能順利實現輸電鐵塔的監測數據采集。

在輸電鐵塔工作時，想要對輸電鐵塔異常進行監測，可對各種傳感器進行設計，其中可選DH1205型的表面式應變傳感器，另外，傳感器屬于電阻式傳感器。這類傳感器帶基礎安裝，還能實現重復使用，輸電鐵塔的傳感器靈敏度能達到500με/mV/V，且量程要達到±3000με，還要對工作溫度進行管控，工作溫度可控制為-20℃～80℃，傳感器在工作時，會輸出電壓信號，能滿足輸電桿塔的監測需求。至于風向傳感器，可以選用SM5388M 型風速風向一體式傳感器，其在工作時，風速的量程為30m/s，風速分辨率可控制為0.1m/s，至于風向范圍，其可控制為0°～360°至于供電范圍，其可控制為DC6V-24V，傳感器在使用時，其工作環境的溫度范圍為-30℃～80℃。風速風向傳感器在選擇時，能按照上述方式完成選擇。

還要對溫度傳感器進行選擇，可選用SM63型百葉箱式氣象站傳感器，傳感器在工作時，溫度范圍為-40℃～85℃，且測量精度也可被控制，可控制為±0.5℃，測濕范圍為0～100%RH，還要對測量精度進行控制，其可被控制為±3%RH，至于供電范圍可控制在DC6V～24V，并選擇電流信號輸出形式，滿足電流信號的輸出需求。對于輸出范圍，其可被控制為4～20mA，按照上述方式，能對溫度傳感器進行控制。

3.4 數據傳輸單元

在數據采集完成后，還要完成數據的傳輸工作，只有實現數據的順利傳輸，才能滿足監測系統的穩定運行。在數據傳輸單元中，其主要負責對各類傳感器的輸出信號傳遞，先將數據傳遞到采集儀上，然后再由數據采集儀，完成對監測數據A/D 轉換、數據匯總等功能，最后將通信串口連接到數據通信單元上，從而滿足數據傳輸的需求。

在數據采集儀應用時，可以選擇DH2002多功能實時數據采集系統，該系統在使用時，能滿足工作的需求。系統要實現模擬信號的調理、A/D 信號的轉換，甚至能實現多頭通道的采集、傳輸功能，并完成同步傳輸，避免出現死機、漏碼等問題，提高數據傳輸的可靠性。

數據通信單元在選擇時，可對USR-G780型4G-DTU 發射模塊，這個模塊在工作時，可借助SIM 卡登入移動運營的4G 網絡，在初始化之后，先完成內網的動態IP 地址獲取，再完成信號的通過，至于DTU 內部則要集成TCP/IP 協議實現網絡協議的封裝，最后再利用4G 網絡實現信息的傳遞，滿足信息傳遞的需求。

3.5 供電單元

在供電單元設計時，可按照圖2所示設計框圖展開設計。

圖2 供電單元的設計框圖

設計包括太陽能電池板、充放電控制器、直流蓄電池等內容，保障供電單元設計水平。

3.6 仿真分析

通過仿真分析，可對輸電鐵塔的薄弱點位置進行研究，需要對環境溫度應力監測數據的影響進行控制。試驗方法所選擇的輸電鐵塔，需要保持環境相同，再對應變傳感器進行設置。然后實測實際溫度變化要應變傳感器的影響，所得到的數據要減去溫漂效應所產生的測量值，進而滿足仿真分析的需求。

利用ANSYS 完成仿真分析，其中傳感器在布置時，需要按照相應規范完成布置。通過仿真結果，能得到監測系統在工作中，可發現輸電鐵塔的問題，能保證輸電鐵塔的異常數據檢查，再針對異常數據進行管控，提高輸電鐵塔的服務作用，降低干擾因素給輸電鐵塔帶來的影響。

4 結語

本文以輸電鐵塔為研究對象，主要對輸電鐵塔的穩定性進行研究，首先分析了輸電鐵塔穩定性的基本情況，包括分析方法，影響輸電鐵塔穩定性的主要因素；然后針對影響因素，采取適宜控制措施，提高輸電鐵塔的工作水平，降低影響因素給輸電鐵塔帶來的影響；最后在對輸電鐵塔在線監測系統的研究，針對輸電鐵塔監測系統的基本情況，提高對鐵塔順利監測，滿足輸電鐵塔的功能和作用體現。