CN110146006B - 基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置及监测方法 - Google Patents

基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，包括固定安装在输电铁塔顶部的角铁架，角铁架上安装有电源组件，角铁架下部通过螺钉悬挂安装上极板，上极板与输电铁塔构成平板电容器，角铁架上还安装有信号处理装置，信号处理装置导线连接电源组件。本发明还公开了监测方法，首先，搭建基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，电荷测量模块平行板电容器的电荷值并发送给微处理器，微处理器将电荷值进行处理后得到形变量发送给监控中心，实现对输电铁塔的在线形变监测。本发明公开的装置和方法在铁塔关键塔材形变到一定程度的时候及时的采取维护或更换措施，解决传统人工巡线的缺陷，减少因塔材形变造成的事故。

Description

基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置及监测方法
技术领域
本发明属于输电线路状态监测设备技术领域，具体涉及一种基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，还涉及一种基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测方法。
背景技术
在电力装置中，输电铁塔作为输电线路的重要组成部分。其不可避免的要经过山地、丘陵、土质疏松等无人值守的地区。近些年来，由于塔基沉降、山体坍塌而造成的输电铁塔形变的事故时常发生。严重时造成倒塔断线，导致大面积停电，带来不可估量的经济损失。
对于输电铁塔的监测，主要还是依靠人工巡线为主。而人工巡检，对于微小形变很难做到及时发现，只有当发生重大事故或明显形变时才能发现。这将增加运维人员的维护时间，同时也增加维护成本。对于那些无人职守的地区只有当事故发生时才能获悉。因此实现输电铁塔的形变在线监测对于输电线路的安全运行具有重大的意义。近些年来，有学者试图通过在输电铁塔上加装应变传感器来实现远程监测铁塔形变，但普通的应变传感器测量范围小精度低，对于微小的损伤更是很难很好的识别。即使采用高精度的光栅光纤应变传感器，但传感器的安装数量、安装位置以及粘贴方向限制了该方法的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，能够实现对输电铁塔微小形变的实时监测，解决了以往人工巡查费时费力的问题，对于输电线路的安全运行具有重要的意义。
本发明的另一目的是提供一种基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测方法。
本发明所采用的技术方案是，基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，包括通过输电铁塔自带的螺栓固定安装在输电铁塔的关键杆件上的角铁架，角铁架上安装有电源组件，角铁架下部通过螺钉悬挂安装上极板，上极板与输电铁塔的关键杆件构成平行板电容器，角铁架上还安装有信号处理装置，信号处理装置通过导线连接电源组件。
本发明的其他特点还在于，
上极板的宽度等于输电铁塔的关键杆件的表面宽度，上极板的长度小于输电铁塔的关键杆件的表面长度。
电源组件包括通过螺丝固定在角铁架表面的太阳能电池板，太阳能电池板底部开设接线端子。
上极板通过连接件利用螺丝固定在太阳能电池板的一侧壁。
信号处理装置包括固定在太阳能电池另一侧壁的绝缘壳体，壳体内部安装电路板和锂电池，电路板用于信号处理，电路板通过导线连接接线端子。
壳体为聚乙烯材质。
电路板包括微处理器，微处理器分别连接控制电路、A/D转换模块和3G通信模块，上极板连接电荷测量模块的输入端，电荷测量模块用于实时的测量上极板的电荷量，并将测量的数值通过电荷放大器转换成电压信号，再由A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号传送给微处理器进行处理；控制电路连接太阳能电池板和锂电池，3G通信模块连接监控中心，用于实现与监控中心的数据交互。
本发明的另一技术方案是，基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测方法采用基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1，搭建基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，电荷测量模块实时采集上极板的电荷值传输给微处理器中进行数据处理；
步骤2，微处理器根据接收到的电荷值数据进行处理得到输电铁塔的形变量，并通过3G通信模块传输给监控中心，实现对输电铁塔的在线形变监测。
优选的，步骤2的具体过程如下：
当输电铁塔发生形变时，上极板发生形变，其弯曲满足曲线y＝f(x)；
根据电容的定义则有：
Figure BDA0002070208650000031
Figure BDA0002070208650000032
其中，C表示电容器的容值；ε为相对介电常数；ε1为氧化铝陶瓷相对介电常数，9.8C2/(N·m2)；ε2为空气相对介电常数，1.00053C2/(N·m2)；π为圆周率，取值3.1415；k为静电常数，其大小为9.0×109N·m2/C2；
Figure BDA0002070208650000033
表示电容器极板的平均距离，l为上极板的长度；
结合公式(4)和公式(5)得到公式(6)：
Figure BDA0002070208650000034
输电铁塔发生形变前后，平行板电容器只有极板间距离发生变化，因此利用输电铁塔不发生形变时的极板距离d与形变后极板间的平均距离
Figure BDA0002070208650000035
的差值
Figure BDA0002070208650000041
量化输电铁塔的形变程度；
输电铁塔形变后极板的平均距离
Figure BDA0002070208650000042
根据电容器电容的计算公式可知：
Figure BDA0002070208650000043
其中，Q为电容器上极板所带电荷量；U为上极板电压由锂电池供给，为常量；
由公式(7)看出，在上极板电压不改变时，极间距离d的变化将会引起电荷量Q的变化，因此有：
Figure BDA0002070208650000044
即：
Figure BDA0002070208650000045
则有，
Figure BDA0002070208650000046
本发明的有益效果是，基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置和监测方法，通过在输电铁塔的上设置电容器极板，与输电铁塔构成电容器结构，通过安装在输电铁塔上的电路板上集成的微处理器，微处理器通过输电铁塔在发生形变时候产生的电容值的变化，得到输电铁塔的形变量，实现对输电铁塔形变的在线监测，在铁塔关键塔材形变到一定程度的时候及时的采取维护或更换措施，解决传统人工巡线的缺陷，弥补了现有方法的不足，大大减少因塔材形变造成的事故。
附图说明
图1是本发明的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置的结构示意图；
图2是本发明的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置中内部电路板内部结构示意图；
图3是本发明的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置的原理示意图。
图中，1.输电铁塔，2.监控中心，1-1.角铁架，1-2.螺栓，1-3.太阳能电池板，1-4.壳体，1-5.电路板，1-6.锂电池，1-7.接线端子，1-8.上极板，1-9.连接件，1-10.氧化铝陶瓷，1-11螺丝，2-1.微处理器，2-2.控制电路，2-3.A/D采样模块，2-4.电荷放大器，2-5.电荷测量模块，2-6.3G通信模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，如图1所示，包括通过输电铁塔自带的螺栓1-2固定安装在输电铁塔1的关键杆件上的角铁架1-1，角铁架1-1由角钢焊接组成，角铁架1-1上安装有电源组件，角铁架1-1下部通过螺钉悬挂安装上极板1-8，上极板1-8与输电铁塔1的关键杆件构成平行板电容器，角铁架1-1上还安装有信号处理装置，信号处理装置通过导线连接电源组件。
由于输电铁塔1形变微小，不易测得，因此上极板1-8与输电铁塔1的关键杆件之间上半部分填充氧化铝陶瓷1-10，以增大容值便于测量，氧化铝陶瓷1-10的厚度等于上极板1-8与输电铁塔1的关键杆件之间距离的一半。
由于输电铁塔1直接接地，所以输电铁塔1的关键杆件直接作为电容器的下极板，在设计时，上下极板的极间距离为d；上极板1-8的长为l，宽度等于输电铁塔塔材1宽度，面积为S，且上极板1-8长度小于输电铁塔1的关键杆件的长度，保证在输电铁塔1的关键杆件发生形变时，极板间的正对面积不变。
电源组件包括根据实际的安装角度通过螺丝1-11固定在角铁架1表面，太阳能电池板1-3底部开设接线端子1-7。
上极板1-8通过连接件1-9利用螺丝固定在太阳能电池板1-3的一侧壁。
信号处理装置包括固定在太阳能电池1-3另一侧壁的绝缘壳体1-4，壳体1-4内部安装电路板1-5和锂电池1-6，电路板1-5用于信号处理，电路板1-5通过导线连接接线端子1-7。
壳体1-4为聚乙烯材质。
如图2所示，电路板1-5包括微处理器2-1，微处理器2-1分别连接控制电路2-2、A/D转换模块2-3和3G通信模块2-6，上极板1-8连接电荷测量模块2-5的输入端，电荷测量模块2-5用于实时的测量上极板1-8的电荷量，并将测量的数值通过电荷放大器2-4转换成电压信号，再由A/D转换模块2-3将模拟信号转换为数字信号传送给微处理器2-1进行处理；控制电路2-2连接太阳能电池板1-3和锂电池1-6，控制电路2-2一方面连接太阳能电池板1-3给锂电池1-6充电，另一方面控制锂电池1-6为装置的各个模块供电；3G通信模块2-6连接监控中心2，用于实现与监控中心2的数据交互。
本发明的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测方法，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1，搭建基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，电荷测量模块2-5实时采集上极板1-8的电荷值，电荷测量模块2-5将其传输到电荷放大器2-4转换成电压信号，再由A/D转换模块2-3转换为数字量传输到微处理器2-1中进行数据处理；
步骤2，微处理器2-1根据接收到的电荷值数据进行处理得到输电铁塔1的形变量，并通过3G通信模块2-6传输给监控中心2，实现对输电铁塔的在线形变监测；
步骤2的具体过程如下：
如图3a所示，当输电铁塔1不发生形变时，上极板1-8与输电铁塔1组成的平行板电容器的总电容容值近似于两个不同介质电容的串联，根据电容器电容的定义公式以及电容串联公式如式(1)-式(3)所示：
Figure BDA0002070208650000071
Figure BDA0002070208650000072
则有：
Figure BDA0002070208650000073
其中，C表示电容器的容值；ε为相对介电常数；ε1为氧化铝陶瓷相对介电常数，9.8C2/(N·m2)；ε2为空气相对介电常数，1.00053C2/(N·m2)；S为上极板1-8正对输电铁塔1的面积，即上极板1-8的面积；π为圆周率，取值3.1415；k为静电常数，其大小为9.0×109N·m2/C2；d为两极板的距离，监测装置设计时已确定；
如图3b所示，当输电铁塔1发生形变时，上极板1-8发生形变，其弯曲满足曲线y＝f(x)；
则有：
Figure BDA0002070208650000074
Figure BDA0002070208650000075
其中，
Figure BDA0002070208650000076
表示电容器极板的平均距离；
结合公式(4)和公式(5)得到公式(6)：
Figure BDA0002070208650000081
输电铁塔1发生形变前后，平行板电容器只有极板间距离发生变化，因此利用正常情况下的极板距离d与形变后极板间的平均距离
Figure BDA0002070208650000082
的差值
Figure BDA0002070208650000083
量化输电铁塔的形变程度；
输电铁塔1不发生形变时的极板距离d，输电铁塔1形变后极板的平均距离
Figure BDA0002070208650000088
根据电容器电容计算公式可知：
Figure BDA0002070208650000084
其中，Q为电容器上极板1-8所带电荷量；U为上极板1-8电压由锂电池1-6供给，为常量；
由公式(7)看出，在上极板1-8电压不改变时，极间距离d的变化将会引起电荷量Q的变化，因此有：
Figure BDA0002070208650000085
即：
Figure BDA0002070208650000086
则有，
Figure BDA0002070208650000087
本发明的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置的工作过程：利用有限元仿真软件对所要监测的铁塔进行受力分析，得到最易发生形变的输电铁塔的关键杆件，以输电铁塔1的关键杆件为电容器下极板，在输电铁塔1发生形变时，极间距会发生变化，致使极板间的电容发生变化，即上极板1-8表面的电荷量会发生变化，通过电荷测量模块2-5对此时上极板1-8的电荷量进行测量，并通过电荷放大器2-4将采集的电荷量转成电压信号，再通过A/D转换模块2-3转换后输送至微处理器2-1进行分析处理，得到此时的电容值并计算出此时极板的平均距离
Figure BDA0002070208650000091
和板间距离的变化量Δd，并将数据打包汇总，并通过3G无线通信模块2-6将数据发送给监控中心2。

Claims (9)

1.基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，其特征在于，包括通过输电铁塔自带的螺栓(1-2)固定安装在输电铁塔(1)的关键杆件上的角铁架(1-1)，所述角铁架(1-1)上安装有电源组件，所述角铁架(1-1)下部通过螺钉悬挂安装上极板(1-8)，所述上极板(1-8)与输电铁塔(1)的关键杆件构成平行板电容器，上极板(1-8)与输电铁塔(1)的杆件之间上半部分填充氧化铝陶瓷(1-10)，氧化铝陶瓷(1-10)的厚度等于上极板(1-8)与输电铁塔(1)的杆件之间距离的一半，所述角铁架(1-1)上还安装有信号处理装置，所述信号处理装置通过导线连接所述电源组件。
2.如权利要求1所述的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，其特征在于，所述上极板(1-8)的宽度等于输电铁塔(1)的关键杆件表面宽度，所述上极板(1-8)的长度小于输电铁塔(1)的关键杆件表面长度。
3.如权利要求1所述的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，其特征在于，所述电源组件包括通过螺丝(1-11)固定在所述角铁架(1-1)表面的太阳能电池板(1-3)，所述太阳能电池板(1-3)底部开设接线端子(1-7)。
4.如权利要求3所述的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，其特征在于，所述上极板(1-8)通过连接件(1-9)利用螺丝固定在所述太阳能电池板(1-3)的一侧壁。
5.如权利要求3所述的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，其特征在于，所述信号处理装置包括固定在所述太阳能电池板(1-3)另一侧壁的绝缘壳体(1-4)，所述壳体(1-4)内部安装电路板(1-5)和锂电池(1-6)，所述电路板(1-5)用于信号处理，所述电路板(1-5)通过导线连接所述接线端子(1-7)。
6.如权利要求5所述的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，其特征在于，所述壳体(1-4)为聚乙烯材质。
7.如权利要求5所述的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，其特征在于，所述电路板(1-5)包括微处理器(2-1)，所述微处理器(2-1)分别连接控制电路(2-2)、A/D转换模块(2-3)和3G通信模块(2-6)，所述上极板(1-8)连接电荷测量模块(2-5)的输入端，所述电荷测量模块(2-5)用于实时的测量所述上极板(1-8)的电荷量，并将测量的数值通过电荷放大器(2-4)转换成电压信号，再由A/D转换模块(2-3)将模拟信号转换为数字信号传送给所述微处理器(2-1)进行处理；所述控制电路(2-2)连接所述太阳能电池板(1-3)和所述锂电池(1-6)，所述3G通信模块(2-6)连接监控中心(2)，用于实现与监控中心(2)的数据交互。
8.基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测方法，其特征在于，采用如权利要求7所述的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，其特征在于，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1，搭建基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测装置，电荷测量模块(2-5)实时采集上极板(1-8)的电荷值传输给微处理器(2-1)中进行数据处理；
步骤2，微处理器(2-1)根据接收到的电荷值数据进行处理得到输电铁塔(1)的形变量，并通过3G通信模块(2-6)传输给监控中心(2)，实现对输电铁塔的在线形变监测。
9.如权利要求8所述的基于平行板电容器的输电铁塔形变的监测方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
当输电铁塔(1)发生形变时，上极板(1-8)发生形变，其弯曲满足曲线y＝f(x)；
则根据电容的定义则有：
Figure RE-FDA0002579151810000031
Figure RE-FDA0002579151810000032
其中，C表示电容器的容值；ε为相对介电常数；ε1为氧化铝陶瓷相对介电常数，9.8C2/(N·m2)；ε2为空气相对介电常数，1.00053C2/(N·m2)；π为圆周率，取值3.1415；k为静电常数，其大小为9.0×109N·m2/C2；
Figure RE-FDA0002579151810000033
表示电容器极板的平均距离，l为上极板(1-8)的长度；
结合公式(4)和公式(5)得到公式(6)：
Figure RE-FDA0002579151810000034
输电铁塔(1)发生形变前后，平行板电容器只有极板间距离发生变化，因此利用输电铁塔(1)不发生形变时的极板距离d与形变后极板间的平均距离
Figure RE-FDA0002579151810000035
的差值
Figure RE-FDA0002579151810000036
量化输电铁塔的形变程度；
输电铁塔(1)形变后极板的平均距离
Figure RE-FDA0002579151810000037
根据电容器电容的计算公式(7)得到：
Figure RE-FDA0002579151810000038
其中，Q为电容器上极板(1-8)所带电荷量；U为上极板(1-8)电压由锂电池(1-6)供给，为常量；
由公式(7)看出，在上极板(1-8)电压不改变时，极间距离d的变化将会引起电荷量Q的变化，因此有：
Figure RE-FDA0002579151810000039
即：
Figure RE-FDA0002579151810000041
则有，
Figure RE-FDA0002579151810000042
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