CN111006591B - 一种非接触测量gis设备位移反演应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法。GIS设备的高电压特点使得要通过常规的接触式测量来精确测量GIS设备的位移有一定的难度，且容易损坏测量设备。本发明通过非接触式位移摄影测量技术测量GIS设备位移，然后通过位移反演应力方法求解出GIS设备的应力状态和关键部位的受力大小，克服了常规的接触式装置测量GIS设备有一定的难度且容易损坏测量装置的缺陷，从而方便进一步对GIS设备进行实时在线监测和安全评估。
Description
技术领域
本发明所属电力高压配电设备位移测量和应力分析技术领域，特别是一种非接触GIS设备位移测量和位移反演应力的方法。
背景技术
气体绝缘组合电器设备GIS被广泛应用于国内外的电力系统中，一般采用长距离、多段分段拼接架空安装。GIS分段的连接处常常加装波纹管膨胀节，用于对GIS热胀冷缩、基础伸缩等位移进行补偿。GIS设备的尺寸变化方向一般都是沿轴线，GIS设备尺寸变化主要是因温度变化引起的热胀冷缩。在环境温度变化情况下，波纹管膨胀节频繁承受拉伸、压缩和扭曲作用，容易引起疲劳破坏。GIS设备运行中膨胀节时常出现故障，一旦失效将不能有效补偿温度变化引起热胀冷缩位移，致使设备出现壳体焊缝拉裂、支架焊缝开裂、法兰面漏气、波纹管变形失效等问题，严重影响电网设备安全。
GIS设备主体及膨胀节波纹管、法兰、支撑架的受力大小及应力状态直接影响GIS设备的安全和使用寿命，但是GIS设备的应力状态在带电运行状态下不能直接测量。GIS设备的宏观位移是GIS设备应力作用结果的外在表现。GIS设备的高电压特点使得要通过常规的接触式测量来精确测量GIS设备的位移有一定的难度，且容易损坏测量设备。
因此，寻求一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法，其用于计算GIS设备的应力大小和应力分布，以方便进一步对GIS设备进行实时在线监测和安全评估。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法，其包括：
步骤一：在GIS设备需要测量位移处安装移动目标靶，距离移动目标靶合适位置处安装用于非接触位移测量的工业相机，位于工业相机视场范围内的基础或固定钢结构支撑上安装固定目标靶；
步骤二：初始化工业相机，将用户需要设定的参数发送给工业相机，实现工业相机的参数设置；
步骤三：将工业相机拍摄到目标靶的图像传输到图像处理系统中；在图像处理系统中，对图像进行预处理，降低图像噪声，减少工业相机标定的误差以及目标靶的误判率；
步骤四：对图像进行图像数据采集与图像降噪处理后，对目标靶图像识别和准确定位，计算出目标靶的圆心；
步骤五：通过对比移动目标靶圆心和固定目标靶的圆心相对位置以及在不同帧之间的变化，计算出移动目标靶的位移量，即GIS设备位移数据；
步骤六：在有限元分析软件中分别建立参数化的固定支撑杆+管母线分析模块、滑动支撑杆+管母线分析模块、普通膨胀节分析模块和自平衡式膨胀节分析模块；
步骤七：根据膨胀节、固定支撑杆、滑动支撑杆及管母线的材料属性，在有限元分析软件中设置材料的相关参数，包括弹性模量、泊松比、密度及热膨胀系数；
步骤八：根据分析对象的类型，法兰盘采用三维实体单元，波纹管和管母线筒体采用二维板壳单元，拉杆、滑动支撑杆和固定支撑杆采用一维梁单元，划分网格，对模型中应力集中部位进行网格细化；
步骤九：对普通膨胀节分析模块和自平衡膨胀节分析模块，膨胀节分析模块的两端创建刚性区域作为接口节点，拉杆和法兰盘的连接点区域根据实际情况进行节点自由度耦合处理，波纹管与法兰盘的连接区域根据实际情况采用多点约束方法（MPC）进行节点自由度连接；
步骤十：对于固定支撑杆+管母线分析模块和滑动支撑杆+管母线分析模块，在模块的两端创建刚性区域作为接口节点，固定支撑杆与管母线的连接处采用节点合并的方式实现固定连接，滑动支撑杆与管母线的连接处根据实际情况耦合自由度，以实现管母线相对滑动支撑杆的滑动，固定支撑杆和滑动支撑杆的地面固定点均实现全约束；
步骤十一：在普通膨胀节和自平衡膨胀节有限元模型的基础上，对其进行刚度分析，先施加内压，再约束模型左端自由度，对其右端分别施加力及弯矩，计算得到膨胀节的径向刚度、轴向刚度及弯曲刚度；
步骤十二：按照GIS设备整体结构形式，根据实际参数依次生成若干段固定支撑有限元模型和若干段滑动支撑有限元模型，利用各部分模型两端的接口节点实现各段模型的连接，创建GIS设备有限元三维整体模型，其中普通膨胀节和自平衡膨胀节并不在整体模型中体现，而是采用若干弹簧单元模拟普通膨胀节和自平衡膨胀节的径向刚度、轴向刚度及弯曲刚度，从而降低GIS设备三维整体有限元模型的计算规模；
步骤十三：考虑自重及管母线内压，施加整体安装温度和现场环境温度的边界条件，对GIS设备整体进行有限元分析，确定整体结构受力分布情况，判断管母线整体及固定支撑杆、滑动支撑杆是否满足实际工程要求，并与现场实测值进行对比分析；
步骤十四：通过对比分析位移实测值，将膨胀节区域的位移实测值施加于普通波纹管膨胀节和自平衡式波纹管膨胀节的有限元模型中，获得两种膨胀节局部受力分布情况，判断其是否满足实际工程要求，并确定其薄弱环节，为GIS设备关键承载结构的设计和运行维护提供理论依据。
进一步的，步骤一中，调整工业相机使得GIS设备的位移处于工业相机的焦平面上，以测量此处的X、Y两向位移。
进一步的，步骤一中，在GIS设备需要重点监测位移处安装两台工业相机，使它们的焦平面互相垂直来测量此处的X、Y、Z三向位移。
进一步的，步骤二中，通过网络将用户需要设定的参数发送给工业相机。
本发明具有的技术效果如下：本发明通过非接触式位移摄影测量技术测量GIS设备位移，然后通过位移反演应力方法求解出GIS设备的应力状态和关键部位的受力大小，克服了常规的接触式装置测量GIS设备有一定的难度且容易损坏测量装置的缺陷，从而方便进一步对GIS设备进行实时在线监测和安全评估。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法的流程图。图2为本发明GIS设备有限元模型建立过程和应力反演计算过程流程图。
具体实施方式
如图1所示的一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法，其步骤如下：
步骤一：在GIS设备需要测量位移处安装移动目标靶，距离移动目标靶合适位置处安装用于非接触位移测量的工业相机，位于工业相机视场范围内的基础或固定钢结构支撑上安装固定目标靶；调整工业相机使得GIS设备的位移处于工业相机的焦平面上测量此处两向位移；在GIS设备需要重点监测位移处安装两台工业相机，使它们的焦平面互相垂直来测量此处的X、Y、Z三向位移。
步骤二：初始化工业相机，通过网络将用户需要设定的参数发送给工业相机，实现工业相机的参数设置；
步骤三：将工业相机拍摄到目标靶的图像传输到图像处理系统中；在图像处理系统中，对图像进行预处理，降低图像噪声，减少工业相机标定的误差以及目标靶的误判率；
步骤四：对图像进行图像数据采集与图像降噪处理后，对目标靶图像识别和准确定位，计算出目标靶的圆心；
步骤五：通过对比移动目标靶圆心和固定目标靶的圆心相对位置以及在不同帧之间的变化，计算出移动目标靶的位移量，即GIS设备位移数据；
步骤六：在有限元分析软件中分别建立参数化的固定支撑杆+管母线分析模块、滑动支撑杆+管母线分析模块、普通膨胀节分析模块和自平衡式膨胀节分析模块；
步骤七：根据膨胀节、固定支撑杆、滑动支撑杆及管母线的材料属性，在有限元分析软件中设置材料的相关参数，包括弹性模量、泊松比、密度及热膨胀系数；
步骤八：根据分析对象的类型，法兰盘采用三维实体单元，波纹管和管母线筒体采用二维板壳单元，拉杆、滑动支撑杆和固定支撑杆采用一维梁单元，划分网格，对模型中应力集中部位进行网格细化；
步骤九：对普通膨胀节分析模块和自平衡膨胀节分析模块，膨胀节分析模块的两端创建刚性区域作为接口节点，拉杆和法兰盘的连接点区域根据实际情况进行节点自由度耦合处理，波纹管与法兰盘的连接区域根据实际情况采用多点约束方法（MPC）进行节点自由度连接；
步骤十：对于固定支撑杆+管母线分析模块和滑动支撑杆+管母线分析模块，在模块的两端创建刚性区域作为接口节点，固定支撑杆与管母线的连接处采用节点合并的方式实现固定连接，滑动支撑杆与管母线的连接处根据实际情况耦合自由度，以实现管母线相对滑动支撑杆的滑动，固定支撑杆和滑动支撑杆的地面固定点均实现全约束；
步骤十一：在普通膨胀节和自平衡膨胀节有限元模型的基础上，对其进行刚度分析，先施加内压，再约束模型左端自由度，对其右端分别施加力及弯矩，计算得到膨胀节的径向刚度、轴向刚度及弯曲刚度；
步骤十二：按照GIS设备整体结构形式，根据实际参数依次生成若干段固定支撑有限元模型和若干段滑动支撑有限元模型，利用各部分模型两端的接口节点实现各段模型的连接，创建GIS设备有限元三维整体模型，其中普通膨胀节和自平衡膨胀节并不在整体模型中体现，而是采用若干弹簧单元模拟普通膨胀节和自平衡膨胀节的径向刚度、轴向刚度及弯曲刚度，从而降低GIS设备三维整体有限元模型的计算规模；
步骤十三：考虑自重及管母线内压，施加整体安装温度和现场环境温度的边界条件，对GIS设备整体进行有限元分析，确定整体结构受力分布情况，判断管母线整体及固定支撑杆、滑动支撑杆是否满足实际工程要求，并与现场实测值进行对比分析；
步骤十四：通过对比分析位移实测值，将膨胀节区域的位移实测值施加于普通波纹管膨胀节和自平衡式波纹管膨胀节的有限元模型中，获得两种膨胀节局部受力分布情况，判断其是否满足实际工程要求，并确定其薄弱环节，为GIS设备关键承载结构的设计和运行维护提供理论依据。
本发明实施例采用的上述方案中，首先通过非接触式位移摄影测量技术测量GIS设备位移，然后通过位移反演应力方法求解出GIS设备的应力状态，最终为GIS设备安全状态的评估提供数据。
上述对本发明的实施方式做了说明。但本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明的宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (4)
1.一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法，其特征在于，包括：
步骤一：在GIS设备需要测量位移处安装移动目标靶，距离移动目标靶合适位置处安装用于非接触位移测量的工业相机，位于工业相机视场范围内的基础或固定钢结构支撑上安装固定目标靶；
步骤二：初始化工业相机，将用户需要设定的参数发送给工业相机，实现工业相机的参数设置；
步骤三：将工业相机拍摄到目标靶的图像传输到图像处理系统中；在图像处理系统中，对图像进行预处理，降低图像噪声，减少工业相机标定的误差以及目标靶的误判率；
步骤四：对图像进行图像数据采集与图像降噪处理后，对目标靶图像识别和准确定位，计算出目标靶的圆心；
步骤五：通过对比移动目标靶圆心和固定目标靶的圆心相对位置以及在不同帧之间的变化，计算出移动目标靶的位移量，即GIS设备位移数据；
步骤六：在有限元分析软件中分别建立参数化的固定支撑杆+管母线分析模块、滑动支撑杆+管母线分析模块、普通膨胀节分析模块和自平衡式膨胀节分析模块；
步骤七：根据膨胀节、固定支撑杆、滑动支撑杆及管母线的材料属性，在有限元分析软件中设置材料的相关参数，包括弹性模量、泊松比、密度及热膨胀系数；
步骤八：根据分析对象的类型，法兰盘采用三维实体单元，波纹管和管母线筒体采用二维板壳单元，拉杆、滑动支撑杆和固定支撑杆采用一维梁单元，划分网格，对模型中应力集中部位进行网格细化；
步骤九：对普通膨胀节分析模块和自平衡膨胀节分析模块，膨胀节分析模块的两端创建刚性区域作为接口节点，拉杆和法兰盘的连接点区域根据实际情况进行节点自由度耦合处理，波纹管与法兰盘的连接区域根据实际情况采用多点约束方法进行节点自由度连接；
步骤十：对于固定支撑杆+管母线分析模块和滑动支撑杆+管母线分析模块，在模块的两端创建刚性区域作为接口节点，固定支撑杆与管母线的连接处采用节点合并的方式实现固定连接，滑动支撑杆与管母线的连接处根据实际情况耦合自由度，以实现管母线相对滑动支撑杆的滑动，固定支撑杆和滑动支撑杆的地面固定点均实现全约束；
步骤十一：在普通膨胀节和自平衡膨胀节有限元模型的基础上，对其进行刚度分析，先施加内压，再约束模型左端自由度，对其右端分别施加力及弯矩，计算得到膨胀节的径向刚度、轴向刚度及弯曲刚度；
步骤十二：按照GIS设备整体结构形式，根据实际参数依次生成若干段固定支撑有限元模型和若干段滑动支撑有限元模型，利用各部分模型两端的接口节点实现各段模型的连接，创建GIS设备有限元三维整体模型，其中普通膨胀节和自平衡膨胀节并不在整体模型中体现，而是采用若干弹簧单元模拟普通膨胀节和自平衡膨胀节的径向刚度、轴向刚度及弯曲刚度，从而降低GIS设备三维整体有限元模型的计算规模；
步骤十三：考虑自重及管母线内压，施加整体安装温度和现场环境温度的边界条件，对GIS设备整体进行有限元分析，确定整体结构受力分布情况，判断管母线整体及固定支撑杆、滑动支撑杆是否满足实际工程要求，并与现场实测值进行对比分析；
步骤十四：通过对比分析位移实测值，将膨胀节区域的位移实测值施加于普通波纹管膨胀节和自平衡式波纹管膨胀节的有限元模型中，获得两种膨胀节局部受力分布情况，判断其是否满足实际工程要求，并确定其薄弱环节。
2.根据权利要求1所述的一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法，其特征在于，步骤一中，调整工业相机使得GIS设备的位移处于工业相机的焦平面上，以测量此处的X、Y两向位移。
3.根据权利要求1或2所述的一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法，其特征在于，步骤一中，在GIS设备需要重点监测位移处安装两台工业相机，使它们的焦平面互相垂直来测量此处的X、Y、Z三向位移。
4.根据权利要求1或2所述的一种非接触测量GIS设备位移反演应力的方法，其特征在于，步骤二中，通过网络将用户需要设定的参数发送给工业相机。
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