CN109211390A - 输电塔振动及强度安全测试和评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输电塔振动及强度安全测试和评估方法，所述的方法包括：S1：基于离线或在线方式测量输电塔的振动及强度，并获得离线或在线模态参数；S2：结合获得的离线或在线模态参数，对输电塔的振动和强度按照允许、注意、报警三个等级进行评估。该方案基于离线或在线监测方式，获得输电塔振动和强度的参数，并结合振动值和应变值对输电塔进行安全评估，能够准确、全面的评估输电塔状态。

Description

输电塔振动及强度安全测试和评估方法

技术领域

本发明属于输电塔监测领域，具体涉及输电塔振动及强度安全测 试和评估方法。

背景技术

电网输电塔是应用极广的一类高耸结构，作为重要的电力工程设 施，确保主结构体系在各种荷载作用下的安全可靠运行，具有重要的 经济、社会意义。然而，输电线路作为电能输送的“生命线”，倒塔 断线事故却时有发生。

输电塔结构破坏事故大致可分为三类。一类是由于铁塔受外力作 用，如在地震、台风、龙卷风、裹冰等静力、动力或动静联合作用下 结构的失稳或超过材料的屈服极限引起的破坏。另一类事故是杆塔结 构在长期服役后材料老化、螺栓松动、锈蚀等性能退化等引起固有特 性产生变化，即使未超过灾害气候条件设计标准也可能造成结构局部 损伤并逐渐演化为失稳或折断倒塔。再有一类就是线路途径区域复 杂，如输电塔位于煤矿采空区、重工业污染区、江河湖泊湿地区域、 山地易塌方区域等，周围环境发生变化会影响输电塔运行安全。

当前对输电塔运行状态的判断，一般是基于外观检查，比如定期 巡检，检查螺栓松动、杆件缺失或变形、塔材腐蚀、铁塔根开变化和 基础沉降情况等，再根据经验判断输电塔是否可靠运行，缺乏理论支 撑。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了输电塔振动及强度安全测试和 评估方法，基于离线或在线监测方式，获得输电塔振动和强度的参数， 并结合振动值和应变值对输电塔进行安全评估。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

输电塔振动及强度安全测试和评估方法，所述的方法包括：

S1：基于离线或在线方式测量输电塔的振动及强度，并获得离线 或在线模态参数；

S2：结合获得的离线或在线模态参数，对输电塔的振动和强度按 照允许、注意、报警三个等级进行评估。

进一步的，步骤S1中，基于离线方式测量输电塔振动及强度的 具体实现过程为：

S11：根据输电塔结构，选取振动和强度敏感的部位，按照测量 的时间节点测量输电塔的强度值和振动值；

S12：采用环境激励下移动测量点，测量离线模态参数。

进一步的，步骤S11中，测量的时间节点为：在铁塔上电线架设 完毕后、每年进行若干次测量节点、以及灾害天气或地质灾害后。

进一步的，测量输电塔的强度值和振动值时，每次离线监测必须 在同样的监测位置和方向、用同样的监测传感器及仪器采集数据，并 同时记录监测时间的风速风向和温度。

进一步的，测量输电塔的强度值振动值时，同时选取低频速度传 感器和加速度传感器，两种传感器的布置方式为：将铁塔2/3处选为 固定参考点，参考点上方测点X方向布置a种类传感器，Y方向布置 b种类传感器，在固定参考点下方至1/3铁塔高度处测点布置X方向 布置b种类传感器，Y方向布置a种类传感器；1/3高度处至塔脚测 点X方向布置a种类传感器，Y方向布置b种类传感器。

进一步的，测量离线模态参数的具体过程为：

根据测点数的要求确定输电塔所有测点位置；

选择输电塔2/3高处的某个测点为固定参考点；

在模态分析软件Macras中建立几何模型；

依次在输电塔所有测点的X方向和Y方向上各安装一个传感器， 用4通道数据采集系统同时采集固定参考点的X方向和Y方向以及一 个测点的X方向和Y方向的振动信号，直至输电塔所有测点都测量完；

在Macras软件中实现振动参数采集，获得输电塔至少前4阶模 态参数。

进一步的，在模态分析软件Macras中建立几何模型的方法为： 通过工程图纸以铁塔实际结构上的连接点作为模型节点，在o-xyz直 角坐标系中确定所有节点的空间坐标(xi,yi,zi)，按图纸将各个节 点连接，形成最终的计算模型。

进一步的，步骤S1中，基于在线方式测量输电塔振动及强度时， 输电塔满足以下条件中的一种：大跨距的跨越铁塔、以往没有在工程 中应用的新型铁塔、一条线路上应用数量很多的同类型铁塔典型、地 质条件、气象条件特异地区的高压铁塔。

进一步的，步骤S1中，基于在线方式测量输电塔振动及强度的 具体实现过程为：

根据离线模态分析的结果，结合有限元计算结果找出对振动和强 度最敏感的位置，并选为在线监测点；

利用在线监测点在ANSYS内构件有限元计算模型，利用modal模 态计算，计算出模型的模态参数。

进一步的，步骤S2的具体实现过程为：

基于应变值及振动速度值相对变化的安全评估准则分A、B、C三 个等级，A为允许值，B为注意值，C为报警值等级，振动值小于等 于Ma为A级，振动值大于Ma小于等于Md为B级，振动值大于Md为 C级，其中，Ma为注意点值Ma＝Mn+2σ，Md为报警点值Md＝Mn+3σ， Mn为大量统计数据下振动速度值的均值，σ是振动速度值的均方根 值；

基于自振频率变化的安全评估准则分A、B、C三个等级，A为允 许值，B为注意值，C为报警值等级，根据结构3个基准模态频率的 变化率分别判定，判断标准如下表：

模态阶数	纵向1弯	横向1弯	1扭
				等级A(％)	1％	1％	2％
等级B(％)	2％	2％	4％
				等级C(％)	5％	5％	10％

输电塔强度的评判，主要依据在输电塔上安装应变传感器，测量 得到输电塔应变数值，再根据材料模量参数，转化为应力值，当计算 的应力值达到材料的设计强度值时，认为输电塔运行为注意状态，当 计算的应力超过材料的设计强度值的1.1倍时，认为输电塔运行为预 警状态。

本发明的有益效果是：

本申请针对不同的输电塔，采用离线方式和在线方式结合的方式 进行分别检测，并对采集到的数据进行针对性评估，具体分析如下：

首先，在建塔过程中对裸塔、架线后、投入运行后定期(例如每 隔2年)以及历经重大灾异事件后应检测模态参数的变化，包括横向 和纵向一阶二阶弯曲振动和一阶扭转振动模态频率、阻尼及振型，确 保数据的及时性和全面性，同时，每次离线监测必须在同样的监测位 置和方向、用同样的监测传感器及仪器采集数据，每次测量同时记录 监测时间的风速风向和温度，确保测量数据的准确性。

其次，振动测量采用低频速度传感器和加速度传感器，由于在 Macras软件中积分或微分获得监测点的振动速度、加速度和位移值， 选取不同种类的传感器相对于选用单一类型传感器的优势是可以进 行数据的互相修正。

第三，在离线监测的基础上，对于重点输电塔进行实时的在线监 测，便于实时控制重点节点的输电塔状态，确保整体电网运行的稳定 性。

第四，基于应变值及振动速度值相对变化、自振频率变化、应变 变化进行综合评估，确保评估结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2是基于离线方式测量的方法流程图；

图3是基于在线方式测量的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，下文的公开提供 了具体实施方式用来实现本发明的装置及方法，使本领域的技术人员 更清楚地理解如何实现本发明。为了简化本发明的公开，下文中对特 定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复 参考数字或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示 所讨论各种实施例或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的 部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺 的描述以避免不必要地限制本发明。应当理解，尽管本发明描述了其 优选的具体实施方案，然而这些只是对实施方案的阐述，而不是限制 本发明的范围。

如图1所示，本发明提供了输电塔振动及强度安全测试和评估方 法，所述的方法包括以下步骤：

S1：基于离线或在线方式测量输电塔的振动及强度，并获得离线 或在线模态参数。输电铁塔动力特性的测试，是输电铁塔振动安全评 估方法的基础。根据输电铁塔的重要性，输电铁塔动力特性可以采用 定期离线检测和在线监测两种方式。动力特性测试的测点布置的密 度、位置以及动力特性的测量精度应满足振动安全评估的要求。

其中，较之定期监测，在线监测需要更复杂的技术，更多的投资， 因此不宜在每一座铁塔上都安装在线监测系统，在线监测系统一般应 用在如下场合：大跨距的跨越铁塔、以往没有在工程中应用的新型铁 塔、一条线路上应用数量很多的同类型铁塔典型、地质条件、气象条 件特异地区的高压铁塔。

S2：结合获得的离线或在线模态参数，对输电塔的振动和强度按 照允许、注意、报警三个等级进行评估。

步骤S2在实施过程中，分为三大方面进行评估：

1、基于应变值及振动值相对变化的安全评估准则

基于应变值及振动速度值相对变化的安全评估准则分A、B、C三 个等级，A为允许值，B为注意值，C为报警值等级，振动值小于等 于Ma为A级，振动值大于Ma小于等于Md为B级，振动值大于Md为 C级，其中，Ma为注意点值Ma＝Mn+2σ，Md为报警点值Md＝Mn+3σ， Mn为大量统计数据下振动速度值的均值，σ是振动速度值的均方根 值。

统计计算Ma及Md时，必须遵循以下原则：

1)离线测量数据进行评估，必须根据离线测量测点位置及编码， 每次测量将每个立柱的每一个方向作为一个样本。为了简便起见，可 将备测横隔面上四根立柱各2个方向共8个数据进行平均作为参与统 计计算的一个样本。

2)有效样本必须在基本相同的风力环境状态下选取进行比较。 风力等级0～2(风速0～3.3米/秒)、3～5(风速3.4～10.7米/秒)、6～8(风 速10.8～20.7米/秒)、9～11(风速20.8～32.6米/秒)。不同风力等级 下的样本数据不能参与统计计算。如离线测量有效样本数较少，也可 对不同风力下的测量数据根据风力等级加权平均后进行比较。

3)离线测量评估统计计算的有效样本数不能小于20。在线测量 可以在不同的温度、风速下取大量应变及振动数据，应对长期监测的 时、日、月应变振动趋势数据进行评估。

2、基于自振频率变化的安全评估准则

基于自振频率变化的安全评估准则分A、B、C三个等级。A为允 许值，B为注意值，C为报警值等级。根据结构3个基准模态频率的 变化率分别判定。

例如：1阶(纵向弯曲)基准频率为F1，实测1阶频率为1阶 自振频率变化等级为判断标准如下表：

模态阶数	纵向1弯	横向1弯	1扭
				等级A(％)	1％	1％	2％
等级B(％)	2％	2％	4％
				等级C(％)	5％	5％	10％

其中，基准频率是根据建塔架线后、通电前测量的初始基线数据 频率分析结果并由有限元计算确认的前3阶自振频率。

3、基于应变变化的安全评估准则

输电塔强度的评判，主要依据在输电塔上安装应变传感器，测量 得到输电塔应变数值，再根据材料模量参数，转化为应力值，当计算 的应力值达到材料的设计强度值时，认为输电塔运行为注意状态，当 计算的应力超过材料的设计强度值的1.1倍时，认为输电塔运行为预 警状态。

如图2所示，步骤S1中，基于离线方式测量输电塔振动及强度 的具体实现过程为：

S11：根据输电塔结构，选取振动和强度敏感的部位，按照测量 的时间节点测量输电塔的强度值和振动值。

对于拟采用振动安全评估的输电铁塔，在铁塔上电线架设完毕 后，一般应对铁塔进行第一次完整的自振特性测量，以后每年进行若 干次测量。特别注意在强风及履雪裹冰状态下经历灾害天气或较大地 震后应立即进行测量。

离线测点布置既要考虑尽可能足够数量又必须保证离线监测的 可操作性。可在振动和强度都比较敏感的部位，一般可在离地面最近 的横隔面上的四根立柱位置上进行测量。

每次离线监测必须在同样的监测位置和方向、用同样的监测传 感器及仪器采集数据。由于输电塔动力特性随环境参数(风力、温度) 的影响，每次测量必须同时记录监测时间的风速风向和温度。

强度测量采用电阻应变计，为了避免每次离线监测应变片贴片 的麻烦，可采用移动式应变计用磁力吸盘固定在监测点上。

振动测量采用低频速度传感器和加速度传感器，在Macras软件 中积分或微分获得监测点的振动速度、加速度和位移值，选取不同种 类的传感器相对于选用单一类型传感器的优势是可以进行数据的互 相修正。

修正方案如下：将铁塔2/3处选为固定参考点，参考点上方测点 X方向布置a种类传感器，Y方向布置b种类传感器，；在固定参考点 下方至1/3铁塔高度处测点布置X方向布置b种类传感器，Y方向布 置a种类传感器；1/3高度处至塔脚测点X方向布置a种类传感器，Y方向布置b种类传感器。S12：采用环境激励下移动测量点，测量 离线模态参数。

S12：在建塔过程中对裸塔、架线后、投入运行后定期(例如每隔 2年)以及历经重大灾异事件后应检测模态参数的变化，包括横向和 纵向一阶二阶弯曲振动和一阶扭转振动模态频率、阻尼及振型。

模态测试方法可采用环境激励下移动测量点的办法进行。测量步 骤如下：

1)根据测点数的要求确定输电塔所有测点位置。

2)选择输电塔2/3高处的某个测点为固定参考点。

3)在模态分析软件Macras中建立几何模型；几何模型建立方法 是通过工程图纸以铁塔实际结构上的连接点作为模型节点，在o-xyz 直角坐标系中确定所有节点的空间坐标(xi,yi,zi)，按图纸将各个 节点连接，形成最终的计算模型。

4)依次在输电塔所有测点的X方向和Y方向上各安装一个传感 器，用4通道数据采集系统同时采集固定参考点的X方向和Y方向以 及一个测点的X方向和Y方向的振动信号，直至输电塔所有测点都测 量完。

5)在Macras软件中实现振动参数采集，获得输电塔至少前4阶 模态参数。

该过程的具体实现方式为：在Macras软件中实现振动参数(如 振动频率、振幅)采集，采集模块可将测点的测量信号同步反映到软 件中的几何模型上的对应节点，软件计算模块经过集总平均、模态频 率初值估计、曲线拟合，便可以识别出输电塔的各阶模态的模态参数 (固有频率、阻尼及振型等)。显示模态信息与振型动画等过程，获 得输电塔至少前4阶模态参数。

如图3所示，在离线监测的基础上，增加后续的在线监测步骤， 在线监测步骤为：

1)根据离线模态分析的结果，结合有限元计算结果找出对振动 和强度最敏感的位置，并选为在线监测点。

2)利用在线监测点在ANSYS内构件有限元计算模型，利用modal 模态计算，计算出模型的模态参数。该步骤的实现过程为：有限元计 算采用通用有限元软件ANSYS，计算过程为按实际尺寸建立铁塔有限 元模型，模型建立方法与在Macras中的过程类似，在ANSYS的o-xyz 坐标系中确定各个节点(node)的坐标，并通过line命令连接各个 节点。之后在section选项中根据工程图纸设置所有杆材的截面形式 如角钢L180×40等，在materialprops选项卡中设置对应材料，并 赋予材料参数，如密度，弹性模量，泊松比等，在ElementType中 将单元类型设置为beam188单元，之后划分网格时，根据图纸为铁塔 不同位置的杆材设置对应的截面以及材料类型，网格划分好后即形成 了最终的有限元计算模型，将Analysis Type中将计算类型设置为 modal模态计算，计算最终可得到模型的模态参数。

需要注意的是，为了便于在更多的输电塔上安装强度振动在线监 测装置并利用物联网技术远程对整条线路进行监控，必须保证监测装 置长期运行的可靠性，尽可能减少监测点以降低监测器本身成本。根 据输电线路特点，在线监测装置自身供电必须采用太阳能。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的 工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开 内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或 者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步 骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施方式大体相同的功能或者 获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发 明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方 法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (9)

1.输电塔振动及强度安全测试和评估方法，其特征在于，所述的方法包括：

S1：基于离线或在线方式测量输电塔的振动及强度，并获得离线或在线模态参数；

S2：结合获得的离线或在线模态参数，对输电塔的振动和强度按照允许、注意、报警三个等级进行评估。

进一步的，步骤S1中，基于离线方式测量输电塔振动及强度的具体实现过程为：

S11：根据输电塔结构，选取振动和强度敏感的部位，按照测量的时间节点测量输电塔的强度值和振动值；

S12：采用环境激励下移动测量点，测量离线模态参数。

2.根据权利要求1所述的输电塔振动及强度安全测试和评估方法，其特征在于，步骤S11中，测量的时间节点为：在铁塔上电线架设完毕后、每年进行若干次测量节点、以及灾害天气或地质灾害后。

3.根据权利要求1所述的输电塔振动及强度安全测试和评估方法，其特征在于，测量输电塔的强度值和振动值时，每次离线监测必须在同样的监测位置和方向、用同样的监测传感器及仪器采集数据，并同时记录监测时间的风速风向和温度。

4.根据权利要求1所述的输电塔振动及强度安全测试和评估方法，其特征在于，测量输电塔的强度值振动值时，同时选取低频速度传感器和加速度传感器，两种传感器的布置方式为：将铁塔2/3处选为固定参考点，参考点上方测点X方向布置a种类传感器，Y方向布置b种类传感器，在固定参考点下方至1/3铁塔高度处测点布置X方向布置b种类传感器，Y方向布置a种类传感器；1/3高度处至塔脚测点X方向布置a种类传感器，Y方向布置b种类传感器。

5.根据权利要求1所述的输电塔振动及强度安全测试和评估方法，其特征在于，测量离线模态参数的具体过程为：

根据测点数的要求确定输电塔所有测点位置；

选择输电塔2/3高处的某个测点为固定参考点；

在模态分析软件Macras中建立几何模型；

依次在输电塔所有测点的X方向和Y方向上各安装一个传感器，用4通道数据采集系统同时采集固定参考点的X方向和Y方向以及一个测点的X方向和Y方向的振动信号，直至输电塔所有测点都测量完；

在Macras软件中实现振动参数采集，获得输电塔至少前4阶模态参数。

6.根据权利要求5所述的输电塔振动及强度安全测试和评估方法，其特征在于，在模态分析软件Macras中建立几何模型的方法为：通过工程图纸以铁塔实际结构上的连接点作为模型节点，在o-xyz直角坐标系中确定所有节点的空间坐标(xi,yi,zi)，按图纸将各个节点连接，形成最终的计算模型。

7.根据权利要求1所述的输电塔振动及强度安全测试和评估方法，其特征在于，步骤S1中，基于在线方式测量输电塔振动及强度时，输电塔满足以下条件中的一种：大跨距的跨越铁塔、以往没有在工程中应用的新型铁塔、一条线路上应用数量很多的同类型铁塔典型、地质条件、气象条件特异地区的高压铁塔。

8.根据权利要求1所述的输电塔振动及强度安全测试和评估方法，其特征在于，步骤S1中，基于在线方式测量输电塔振动及强度的具体实现过程为：

根据离线模态分析的结果，结合有限元计算结果找出对振动和强度最敏感的位置，并选为在线监测点；

利用在线监测点在ANSYS内构件有限元计算模型，利用modal模态计算，计算出模型的模态参数。

9.根据权利要求1所述的输电塔振动及强度安全测试和评估方法，其特征在于，步骤S2的具体实现过程为：

基于应变值及振动速度值相对变化的安全评估准则分A、B、C三个等级，A为允许值，B为注意值，C为报警值等级，振动值小于等于Ma为A级，振动值大于Ma小于等于Md为B级，振动值大于Md为C级，其中，Ma为注意点值Ma＝Mn+2σ，Md为报警点值Md＝Mn+3σ，Mn为大量统计数据下振动速度值的均值，σ是振动速度值的均方根值；

基于自振频率变化的安全评估准则分A、B、C三个等级，A为允许值，B为注意值，C为报警值等级，根据结构3个基准模态频率的变化率分别判定，判断标准如下表：

模态阶数 纵向1弯 横向1弯 1扭 等级A(％) 1％ 1％ 2％ 等级B(％) 2％ 2％ 4％ 等级C(％) 5％ 5％ 10％

输电塔强度的评判，主要依据在输电塔上安装应变传感器，测量得到输电塔应变数值，再根据材料模量参数，转化为应力值，当计算的应力值达到材料的设计强度值时，认为输电塔运行为注意状态，当计算的应力超过材料的设计强度值的1.1倍时，认为输电塔运行为预警状态。