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

输电塔振动及强度安全测试和评估方法 Download PDF

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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。
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