CN110749309A - 一种输电线塔基础沉降检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线塔基础沉降检测系统及方法，其中，检测系统包括倾斜角度测量单元、基础下降位移量测量单元和输电线塔受力与变形监测/预警单元等三部分；检测方法包括塔架倾斜角度测量、基础下降位移测量、输电线塔受力与变形等三方面。该输电线塔基础沉降检测系统同步实现输电线塔基础沉降的在线监测输电线塔倾斜角度、输电线塔受力、基础下降位移量的方法，可以全方位检测输电线塔的运行情况，并实现分析预警。

Description

一种输电线塔基础沉降检测系统及方法

技术领域

本发明属于电力设施监控技术领域，特别涉及输电线路，具体为一种输电线塔基础沉降检测系统及方法。

背景技术

输电线路是国家电网的核心，为国计民生提供强大的后盾。输电线塔作为输电线路的重要组成部分，是用来支撑高压架空送电线路导线和避雷线的构筑物。输电线塔的结构安全性直接关系到电网供电的稳定性，并对地区工业生产和居民生活产生重要影响。由于输电线路的长距离架设特点，输电线塔修建在地质灾害频发区、软土场地、采空区、高填土场地等在所难免。虽然在工程建设中对输电线塔的场地地基均采取稳妥的地基处理方法以提高结构的使用安全性，但是地基沉降引起的输电线塔倾斜、基础移位、塔架结构变形时有发生，更严重甚至会导致输电线塔架倒塌、输电线断线等严重运行事故。因此，实现对输电线塔基础沉降、塔身变形和受力进行准确、实时地监测，将对电网的正常运行起到非常重要的作用，对电网的发展具有非常重要的意义。

近年来，对于输电线塔基础沉降的检测研究很多，一种基于单点位移的输电线路杆塔基础沉降监测系统（CN202139617U）提出了基准杆设置在塔基础的土壤中，用光纤光栅位移计进行沉降位移检测。一种基于静力水准的输电线路杆塔基础沉降监测系统（CN202144600U）提出用静力水准仪进行垂直位移的监测。上述技术方案仅仅是对输电线塔基础沉降监测提出了解决方法，但是并未实现结合基础沉降变形获得塔架倾斜角度以及由此引起的导线张力带来的塔架受力和变形监测，而基础沉降带来的塔架受力和变形将会显著影响输电线塔的安全性并影响输电线路运行的稳定性。

发明内容

本发明为了解决输电线塔基础沉降导致的输电线塔倾斜、倒塌、输电线断线等问题，提出了一种输电线塔基础沉降检测系统，并同步实现输电线塔基础沉降的在线监测输电线塔倾斜角度、输电线塔受力、基础下降位移量的方法，可以全方位检测输电线塔的运行情况，并实现分析预警。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种输电线塔基础沉降检测系统，包括倾斜角度测量单元，基础下降位移量测量单元和输电线塔受力与变形监测/预警单元。

所述倾斜角度测量单元包括角度感受件和角度测量件；所述角度感受件包括固定杆和自由杆，所述固定杆和自由杆的顶部铰接，所述固定杆重合固定于输电线塔塔架的任意一段钢架上，所述固定杆端部设有固定触点，所述自由杆自然下垂、其端部设有行程开关触点；所述角度测量件包括电机，所述电机输出轴与固定杆和自由杆的顶端铰接处同轴设置、且具有间隙，所述电机输出轴上安装角度传感器和其端部垂直安装有测量细杆；所述测量细杆的起始位置在空间上与固定杆重合、且与固定触点接触；所述电机由控制电路驱动，所述控制电路为行程开关触点与继电器串联之后，再与电机正反转电路并联，再与继电器联动的常闭触点并联。

所述基础下降位移量测量单元包括基准件和超声波传感器，所述基准件包括垂直杆和水平杆，所述垂直杆布置于输电线塔基础一侧，所述水平杆延伸至输电线塔基础上方，所述水平杆端部安装超声波传感器，用于测量平行杆端部到输电线塔基础的垂直距离。

输电线塔受力与变形监测预警单元包括主控单元，所述主控单元包括单片机、信号传输单元、电源模块，所述控制电路、超声波传感器均与单片机相连，所述单片机连接信号传输单元、电源模块及压/拉力传感器，所述压/拉力传感器安装于输电线塔塔架的受力构件上。

应用上述系统的输电线塔基础沉降检测方法，如下：

（1）、塔架倾斜角度测量：在输电线塔塔架上安装多个倾斜角度测量单元，在要测量塔架倾斜角度时，行程开关触点闭合，继电器上电，与继电器联动的常闭触点断开，电机正反转电路驱动电机动作，使得细杆由固定杆向着自由杆的方向运动；当角度测量件中的测量细杆从固定杆运动到自由杆并接触到自由杆上的行程开关触点，行程开关断开，则与行程开关串联的继电器失电，联动的继电器的常闭触点由断开状态变为闭合状态，电机正反转电力驱动电机反转，使得测量细杆由自由杆向固定杆运动归位，完成一次角度测量作业。当塔架角度测量值×360/2π≥塔架侧向挠度倾斜角限值时，则判定发生塔架倾斜风险；

（2）、基础下降位移测量：在输电线塔基础周围设置多个基础下降位移量测量单元，当某一测量点的基础下降位移测量值≥基础下降设计限值时，则判定发生塔架倾斜风险；

（3）、输电线塔受力与变形：在输电线塔塔架的受力构件上安装若干个压/拉力传感器，当塔架某一构件承受的压力≥塔架构件失稳压应力限值，则判定发生塔架倾斜或倒塌风险；当塔架某一构件承受的轴向拉力≥构件的屈服荷载设计限值，则判定发生塔架倾斜风险；当塔架某一构件承受的轴向拉力≥构件的极限荷载设计限值，则判定发生塔架破坏或倒塌风险。

本发明所述的输电线塔基础沉降检测方法基于检测系统从三个方面进行监测后进行综合判断，一是通过倾斜角度测量单元对输电线塔塔架的多个关键位置进行倾斜角度监测，如果倾斜角度不断变大超过设计阈值时，则发出预警信息；二是通过地面基础周围的多个基础下降位移量测量单元，监测多点处的基础下降情况，如有某处监测点数值明显增大，则发出预警信息；三是在输电线塔塔架的多个受力构件上安装压力和/或拉力传感器，实时监测受力构件处的受力情况，如果超过设计阈值，则认定为异常，发出预警信息。

本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表示在输电线塔上布置检测系统示意图。

图2a表示角度感受件示意图。

图2b表示倾斜角度测量单元示意图。

图3表示电机的控制电路示意图。

图4表示输电线塔受力与变形监测/预警单元示意图。

图5表示倾斜角度测量单元实际应用示意图。

图中：10-输电线塔基础，20-输电线塔塔架；100-倾斜角度测量单元，101-固定杆，102-自由杆，103-固定触点，104-行程开关触点，105-电机，106-角度传感器，107-测量细杆；201-垂直杆，202-水平杆，203-超声波传感器；301-压/拉力传感器。

具体实施方式

下面集合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种输电线塔基础沉降检测系统，包括倾斜角度测量单元，基础下降位移量测量单元和输电线塔受力与变形监测/预警单元。如图1所示，三类检测单元分布于输电线塔塔架。

倾斜角度测量单元100包括角度感受件和角度测量件；如图2a所示，角度感受件包括固定杆101和自由杆102，固定杆101和自由杆102的顶部铰接，固定杆101重合固定于输电线塔塔架20的任意一段钢架上，固定杆101端部设有固定触点103，自由杆102自然下垂、其端部设有行程开关触点104；如图2b所示，角度测量件包括电机105，电机105输出轴与固定杆101和自由杆102的顶端铰接处同轴设置、且具有间隙，电机105输出轴上安装角度传感器106和其端部垂直安装有测量细杆107；测量细杆107的起始位置在空间上与固定杆101重合、且与固定触点103接触；电机105由控制电路驱动，如图3所示，控制电路为行程开关触点与继电器串联之后，再与电机正反转电路并联，再与继电器联动的常闭触点并联。

具体实施时，倾斜角度测量单元如图5所示，角度感受件和角度测量件及控制电路封装于长方体状的外壳内，角度感受件和角度测量件相对设置，而且固定杆通过螺栓与外壳位置固定，自由杆绕铰接点自由旋转，外壳设有盖子，可以打开维修。外壳表面设置有角度数字显示窗口（屏）及角度归零按钮、电源开关等。安装时，直接将外壳整体固定安装于输电线塔塔架的某一段钢架上，保证固定杆和该段钢架重合，例如可以在外壳体表面标识出固定杆位置，这样按照该标记位置安装外壳体即可。具体制作时，电机采用小型精密的步进电机，固定杆101的长度最好大于自由杆102的长度，固定杆101固定于输电线塔塔架20的任意某一段钢架上，并与该塔架重合固定，一般来说，固定杆101会随塔架倾斜布置，当输电线塔整体发生倾斜时，该固定杆101也会随着塔架发生同步倾斜，固定杆101与塔架的相对位移和相对转角均为零。自由杆102与固定杆101由可自由转动的铰链连接，自由杆102由密度及体积要远大于角度测量系统中的测量细杆107（通常情况下，测量细杆107重量小于自由杆102重量的1/10，这样测量细杆107触碰行程开关触点时尽量不会影响自由杆102）。自由杆102靠本身重力自然下垂，不论塔架发生怎样的倾斜，自由杆102都能自然下垂，与大地水平面垂直。在固定杆101和自由杆102的非铰接端端部分别布置凸起的固定触点103和行程开关触点104，固定触点为普通凸起，用来确定角度测量件中测量的细杆的位置，使得细杆归位到零点角度。（图2a中固定杆和自由杆的相对位置也可能是固定杆在左侧，自由杆自然下垂，则细杆归位到零点角度是在自由杆的左侧，这个可以在安装时候就设定好）。如图2b所示，在距离固定杆和自由杆的铰接点处布置与铰接点同心的角度测量件，角度测量件中电机输出轴与铰接点不是完全贴合，而是存在1mm左右的空隙，只要保证不碰到即可，通过角度测量件可以测得固定杆和自由杆之间的角度，即塔架倾斜的角度。在安装倾斜角度测量传感器时，初始设定细杆的位置与固定杆重合，行程开关触点与继电器串联，再与角度测量件中的电机正反转电路并联，再与继电器联动的常闭触点并联。在要测量塔架倾斜角度时（具体采样时间由单片机控制），行程开关闭合，继电器上电，与继电器联动的常闭触点断开，电机正反转电路上电，电机正反转电路使得测量细杆由固定杆向着自由杆的方向运动，如果固定杆与自由杆的位置如图1所示，则电机开始以一定速度逆时针转动；当角度测量件中的测量细杆从固定杆运动到自由杆时，接触到自由杆上的行程开关的触点，行程开关断开，则与行程开关串联的继电器失电，联动的继电器的常闭触点由断开状态变为闭合状态，电机正反转电路驱动电机反转，使得细杆由自由杆向固定杆运动归位，完成一次角度测量。不论塔架发生向左还是向右的倾斜，自由杆都能运动到自然下垂的状态，这时，只要测量固定杆和自由杆之间的角度就可以得到塔架倾斜的角度了，角度传感器将每次获得的数据传输至单片机，单片机依据提前设定的监测频率通过控制电路控制电机动作，完成倾斜角度测量。

基础下降位移量测量单元包括基准件和超声波传感器203，如图1所示，基准件包括垂直杆201和水平杆202，垂直杆201布置于输电线塔基础10一侧，水平杆202延伸至输电线塔基础10上方，水平杆202端部安装超声波传感器203，用于测量平行杆端部到输电线塔基础的垂直距离。

具体实施时，在输电线塔基础10的周边选择参考点布置基准件，基准件由垂直杆201与平行杆202两部分组成，为两根垂直连接的杆件。垂直杆201垂直地面固定在地面以下并远离输电线塔基础。平行杆202平行于地面，其长度延伸至塔架基础上方。平行杆202端部布置超声波传感器203，可测量平行杆端部到塔架基础的垂直距离。如果输电线塔有垂直下沉，则可通过超声波传感器测得的平行杆端部到塔架基础的距离变化得出塔架基础发生均匀下沉或者不均匀下沉。在塔架四周可布置多个基础下降位移量测量单元，超声波传感器将测量的垂直距离数据传输至单片机。

输电线塔受力与变形监测预警单元包括主控单元，如图4所示，主控单元包括单片机、信号传输单元、电源模块，上述控制电路、超声波传感器均与单片机相连，单片机连接信号传输单元、电源模块及压/拉力传感器301，不同的压/拉力传感器301安装于输电线塔架20的多处受力构件上，如图1所示。输电线塔受力与变形监测预警单元的所有部件封装于外壳体内，表面显示必要的信息和设置必要的按钮，利用压拉力传感器或者拉力传感器来检测输电线塔塔架某一支撑构件承受的压力或者拉力大小，通过若干个倾斜角度测量单元来实时监控不同位置处塔架的倾斜状态，通过多个基础下降位移量测量单元来实时监控基础的下沉情况。

在输电线塔基础沉降、塔架变形之后，由于塔架上构件的受力发生持续变化或产生突变可能会导致塔架构件超出承载力极限状态或发生失稳，最终可能导致输电线断线甚至是输电线塔倒塌的危险。因此在塔架的各主要受力构件上安装压（拉）力传感器，用来测量塔架受到导线张力或自身偏压或偏拉荷载产生的应力，然后压（拉）力传感器将压力（拉力）数据传输至单片机。单片机作为检测系统的核心部件，接收各个传感器的信号，并进行计算判断，通过WIFI（信号传输模块）接入网络，可以远程传输信息，进而对塔架不良后果进行预警，让相关人员采取相应措施预防。

具体进行实际应用时，一、输电线塔受力与变形监测预警单元的单片机中设定倾斜角度测量单元的检测频率，检测每个倾斜角度测量单元安装点的角度变化，根据塔架产生的倾斜角度与塔架设计时的侧向位移角限值进行对比，如果测量的某个或者某几个塔架倾斜角度值，其中当塔架角度测量值×360/2π≥侧向挠度倾斜角限值，则单片机发出预警，判定发生塔架倾斜风险。

表1 塔架侧向挠度倾斜角限值

注：h为角度传感器至地面的垂直距离。

二、基础下降位移测量：在输电线塔基础周围设置多个基础下降位移量测量单元，当某一侧的基础下降位移测量值≥基础下降设计限值时，单片机发出预警，则判定发生塔架倾斜风险。

三、根据压（拉）力传感器测量得到的应力大小与塔架设计时确定的承载力进行对比，可预测接下来可能产生的后果：

（1）、塔架某一构件承受的压力大于设计限值时，单片机发出预警，该构件发生失稳，塔架发生倾斜或倒塌风险。

塔架某一构件承受的压力≥塔架构件失稳压应力限值：塔架倾斜或倒塌。

（2）、塔架某一构件承受的轴向拉力超过构件的屈服荷载设计限值时，单片机发出预警，该构件产生过大拉伸变形，发生塔架倾斜风险。

塔架某一构件承受的轴向拉力≥构件的屈服荷载设计限值：塔架倾斜。

（3）、塔架某一构件承受的轴向拉力超过构件的极限荷载时，单片机发出预警，该构件产生过大拉伸变形而断裂，塔架发生破坏或倒塌风险。

塔架某一构件承受的轴向拉力≥构件的极限荷载设计限值：塔架破坏或倒塌。

总之，该输电线塔基础沉降检测系统至少包括一个输电线塔受力与变形监测预警单元，多个倾斜角度测量单元，多个基础下降位移量测量单元。输电线塔基础沉降检测方法基于检测系统从三个方面进行检测综合判断，一是通过倾斜角度测量单元对输电线塔塔架的多个关键位置进行倾斜角度监测，如果倾斜角度不断变大超过设计阈值时，则发出预警信息；二是通过地面基础周围的多个基础下降位移量测量单元，监测多点处的基础下降情况，如有某处监测点数值明显增大，则发出预警信息；三是在输电线塔塔架的多个受力构件上安装压力和/或拉力传感器，实时监测受力构件处的受力情况，如果超过设计阈值，则认为异常，发出预警信息。每个测量单元都可提前进行编号，主控单元在发出预警信息后，运维人员可以准确获知发生问题的部位，及时进行勘测验证。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种输电线塔基础沉降检测系统，其特征在于：包括倾斜角度测量单元，基础下降位移量测量单元和输电线塔受力与变形监测/预警单元；

所述倾斜角度测量单元（100）包括角度感受件和角度测量件；所述角度感受件包括固定杆（101）和自由杆（102），所述固定杆（101）和自由杆（102）的顶部铰接，所述固定杆（101）重合固定于输电线塔塔架（20）的任意一段钢架上，所述固定杆（101）端部设有固定触点（103），所述自由杆（102）自然下垂、其端部设有行程开关触点（104）；所述角度测量件包括电机（105），所述电机（105）输出轴与固定杆（101）和自由杆（102）的顶端铰接处同轴设置、且具有间隙，所述电机（105）输出轴上安装角度传感器（106）和其端部垂直安装有测量细杆（107）；所述测量细杆（107）的起始位置在空间上与固定杆（101）重合、且与固定触点（103）接触；所述电机（105）由控制电路驱动，所述控制电路为行程开关触点与继电器串联之后，再与电机正反转电路并联，再与继电器联动的常闭触点并联；

所述基础下降位移量测量单元包括基准件和超声波传感器（203），所述基准件包括垂直杆（201）和水平杆（202），所述垂直杆（201）布置于输电线塔基础（10）一侧，所述水平杆（202）延伸至输电线塔基础（10）上方，所述水平杆（202）端部安装超声波传感器（203），用于测量平行杆端部到输电线塔基础的垂直距离；

输电线塔受力与变形监测预警单元包括主控单元，所述主控单元包括单片机、信号传输单元、电源模块，所述控制电路、超声波传感器均与单片机相连，所述单片机连接信号传输单元、电源模块及压/拉力传感器（301），所述压/拉力传感器（301）安装于输电线塔塔架（20）的受力构件上。

2.根据权利要求1所的一种输电线塔基础沉降检测系统，其特征在于：所述测量细杆（107）重量小于自由杆（102）重量的1/10。

3.一种输电线塔基础沉降检测方法，其在权利要求1所述的系统中实现，其特征在于：如下：

（1）、塔架倾斜角度测量：在输电线塔塔架（20）上安装多个倾斜角度测量单元，当塔架角度测量值×360/2π≥塔架侧向挠度倾斜角限值时，则判定发生塔架倾斜风险；

（2）、基础下降位移测量：在输电线塔基础（10）周围设置多个基础下降位移量测量单元，当某一侧的基础下降位移测量值≥基础下降设计限值时，则判定发生塔架倾斜风险；

（3）、输电线塔受力与变形：在输电线塔塔架（20）的受力构件上安装若干个压/拉力传感器（301），当塔架某一构件承受的压力≥塔架构件失稳压应力限值，则判定发生塔架倾斜或倒塌风险；当塔架某一构件承受的轴向拉力≥构件的屈服荷载设计限值，则判定发生塔架倾斜风险；当塔架某一构件承受的轴向拉力≥构件的极限荷载设计限值，则判定发生塔架破坏或倒塌风险。

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