CN114676609B - 一种杆塔应力形变及风响应研究装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杆塔应力形变及风响应研究装置及方法，其中装置包括设备盒，设备盒分别设置在若干个铁塔上，设备盒上设置有供电组件，设备盒内设置有信号处理组件，供电组件与信号处理组件电连接，信号处理组件与监控中心通讯连接，监控中心与移动终端通讯连接；铁塔上布置有若干个用于监测铁塔不同部位应力变化的光纤光栅应力传感器，铁塔上还布置有用于结合不同部位应力变化综合判断铁塔状态的辅助监测组件。通过在铁塔关键部位布置光纤光栅应力传感器实时监测应力变化值，同时各项数据实时传输至监控中心，根据当前铁塔模型以及运行参数进行铁塔运行状况分析，从而高效准确实现铁塔安全状态的实时监测。

Description

一种杆塔应力形变及风响应研究装置及方法

技术领域

本发明涉及输电线路杆塔状态监测技术领域，特别是涉及一种杆塔应力形变及风响应研究装置及方法。

背景技术

输电线路既是电网系统极其关键的设施，也是电网安全可靠运行的大动脉，其中输电铁塔对导、地线起着重要的支撑作用，铁塔的安全是电网可靠运行的基础。然而，随着电网规模的增大，线路电压等级的提升，电网的运行工况也会随之变得更加复杂，输电铁塔经常运行在覆冰、风载、导线舞动等恶劣条件下，极易造成铁塔塔身倾斜、塔基下沉、塔材变形等故障。铁塔故障属于典型的“隐形故障”，输电线路人工正常巡视时，往往不能及时发现，当发现铁塔故障时，输电线路已处于危险状态，严重威胁线路的可靠运行。

目前在输电铁塔安全监测方面应用最为广泛的是基于倾角传感器设计的输电铁塔倾斜度在线监测系统，通过采集铁塔顺线方向和横线方向的倾斜角度，建立铁塔倾斜模型，计算得到铁塔在横线方向和顺线方向的倾斜度以及综合倾斜度，通过获取铁塔倾斜信息，虽然能够在一定程度上起到预知铁塔的安全状态，但是仅仅通过倾角传感器获取的铁塔倾斜状态，准确度较低，进行预测铁塔安全状态时存在一定的误差，不利于整体线路调度、检修计划安排。

发明内容

针对目前仅仅利用倾角传感器监测输电铁塔倾斜度判断铁塔倾斜状态，准确度较低，预测铁塔安全状态时存在一定的误差的技术问题，本申请公开了一种杆塔应力形变及风响应研究装置及方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本申请提出了一种杆塔应力形变及风响应研究装置，包括设备盒，所述设备盒分别设置在若干个铁塔上，所述设备盒上设置有供电组件，所述设备盒内设置有信号处理组件，所述供电组件与所述信号处理组件电连接，所述信号处理组件与监控中心通讯连接，所述监控中心与移动终端通讯连接；所述铁塔上布置有若干个用于监测铁塔不同部位应力变化的光纤光栅应力传感器，所述铁塔上还布置有用于结合不同部位应力变化综合判断铁塔状态的辅助监测组件，所述光纤光栅应力传感器和所述辅助监测组件均与所述信号处理组件电连接。

优选地，所述供电组件包括太阳能电池板、MPPT控制器、PWM控制器、电流变换器以及蓄电池，所述太阳能电池板与所述电流变换器电连接，所述电流变换器与所述蓄电池电连接，所述蓄电池与所述信号处理组件电连接，所述MPPT控制器与所述太阳能电池板的出线侧电连接，所述MPPT控制器与所述PWM控制器电连接，所述PWM控制器与所述电流变换器电连接。

优选地，所述信号处理组件包括光纤光栅解调器和应力状态监测器，所述光纤光栅解调器与所述光纤光栅应力传感器电连接，所述光纤光栅解调器与所述应力状态监测器电连接，所述应力状态监测器通过光纤与所述监控中心通讯连接；所述应力状态监测器与所述辅助监测组件电连接。

优选地，所述辅助监测组件包括微气象传感器，所述微气象传感器设置在铁塔上，所述微气象传感器通过RS485通讯总线与所述应力状态监测器电连接。

优选地，所述辅助监测组件包括倾角传感器，所述倾角传感器设置在铁塔上，所述倾角传感器通过RS485通讯总线与所述应力状态监测器电连接。

优选地，所述辅助监测组件包括红外热成像摄像头，所述红外热成像摄像头设置在所述铁塔上，所述红外热成像头摄像头与所述应力状态监测器电连接。

本申请还提出了一种杆塔应力形变及风响应研究方法，包括以下步骤：

S1、建立塔线体系有限元模型，确定铁塔关键杆件分布；

S2、根据历年倒塔或受损杆塔数据，建立故障杆塔数据库；

S3、根据故障杆塔数据库，结合当前输电线路设计标准和输电杆塔的防风设计等级，计算风荷载极限下的杆塔及拉线参数；

S4、根据风荷载极限下的杆塔及拉线参数，获取杆塔在风作用下的极限效应和受损的边界条件；

S5、获取铁塔不同位置处应力变化参数；

S6、根据铁塔不同位置处应力变化参数，结合塔线体系有限元模型及杆塔在风作用下的极限效应和受损的边界条件，判断铁塔状态。

优选地，所述步骤S5中应力变化参数的获取方法包括在铁塔关键杆件部位安装光纤光栅应力传感器，利用光纤光栅应力传感器获取固定安装位置处的应力变化值。

与现有技术相比，有益效果在于：

1、通过在铁塔关键部位布置光纤光栅应力传感器实时监测应力变化值，同时各项数据实时传输至监控中心，根据当前铁塔模型以及运行参数进行铁塔运行状况分析，从而高效准确实现铁塔安全状态的实时监测；

2、通过对线路铁塔应力参数的实时监测，并通过远程4G通信方式，将数据实时远程传输至监控中心，并结合从电网主站系统传输来的线路输送容量，进行线路动态健康数据分析，为线路调度人员提供科学测量数值，不仅能使系统操作人员在用电高峰时抓住时机提高线路的输电能力，还可以避免出现意外情况时进行不必要的减负荷操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的整体工作原理框图。

图2是本发明的工作流程图。

附图标记说明如下：

具体实施方式

以下结合附图1-2，对本发明的技术方案作进一步阐释：

实施例一

如图1所示，本申请公开了一种杆塔盈利形变及风响应研究装置，包括设备盒，所述设备盒分别设置在若干个铁塔上，所述设备盒上设置有供电组件，所述供电组件包括太阳能电池板、MPPT控制器、PWM控制器、电流变换器以及蓄电池，所述太阳能电池板与所述电流变换器电连接，所述电流变换器与所述蓄电池电连接，所述蓄电池与所述信号处理组件电连接，所述MPPT控制器与所述太阳能电池板的出线侧电连接，所述MPPT控制器与所述PWM控制器电连接，所述PWM控制器与所述电流变换器电连接。也就是说，利用供电组件为整体装置提供电能，其中通过太阳能电池板和电流变换器将太阳能转换成电能存储在蓄电池，同时供电组件内还配置有MPPT控制器和PWM控制器，MPPT控制器为最大功率点跟踪控制器是光伏发电系统中一项核心技术，可以根据外界不同的环境温度、光照强度等特性来调节光伏阵列的输出功率，使得光伏阵列始终输出最大功率，在工作时，MPPT控制器不断检测光伏阵列的电流电压变化，并根据其变化对电流变换器的PWM控制器驱动信号占空比进行调节。

所述设备盒内设置有信号处理组件，所述供电组件与所述信号处理组件电连接，所述信号处理组件与监控中心通讯连接，所述监控中心与移动终端通讯连接；所述铁塔上布置有若干个用于监测铁塔不同部位应力变化的光纤光栅应力传感器，所述信号处理组件包括光纤光栅解调器和应力状态监测器，所述光纤光栅解调器与所述光纤光栅应力传感器电连接，所述光纤光栅解调器与所述应力状态监测器电连接，所述应力状态监测器通过光纤与所述监控中心通讯连接；所述应力状态监测器与所述辅助监测组件电连接。也就是说，利用光纤光栅解调器实时接收光纤光栅应力传感器反馈的应力信号，光纤光栅解调器将解调后的应力信号转发至应力状态监测器，应力状态监测器通过光纤将监测数据远程传输值监控中心。

所述铁塔上还布置有用于结合不同部位应力变化综合判断铁塔状态的辅助监测组件，所述光纤光栅应力传感器和所述辅助监测组件均与所述信号处理组件电连接，所述辅助监测组件包括微气象传感器，所述微气象传感器设置在铁塔上，所述微气象传感器通过RS485通讯总线与所述应力状态监测器电连接。也就是说，在铁塔上还布置有六参数微气象传感器，利用微气象传感器可监测铁塔周围环境温度、湿度、风速、风向、压强、雨量参数，便于后续搭建铁塔模型提供大量数据支撑。

在一些实施例中，所述辅助监测组件包括倾角传感器，所述倾角传感器设置在铁塔上，所述倾角传感器通过RS485通讯总线与所述应力状态监测器电连接。也就是说，在铁塔上还设置有倾角传感器，利用倾角传感器更加直观获取铁塔的倾斜状态，同时利用获取的倾角参数可结合应力参数综合分析判断铁塔安全状态，避免单一状态量误差较大。

在一些实施例中，所述辅助监测组件包括红外热成像摄像头，所述红外热成像摄像头设置在所述铁塔上，所述红外热成像头摄像头与所述应力状态监测器电连接。也就是说，在铁塔上还布置有红外热成像摄像头，利用红外热成像摄像头获取铁塔红外图像，便于铁塔模型在现有倾斜参数和应力参数的基础上，进行修改搭建模型，提高铁塔模型的准确性。

实施例二

如图2所示，本申请还公开了一种杆塔应力形变及风响应研究方法，包括以下步骤：

S1、建立塔线体系有限元模型，确定铁塔关键杆件分布。也就是说，首先通过ANSYS软件建立塔线体系有限元模型，研究不同工况下输电铁塔的应力特性，进而可确定铁塔关键杆件分布。

S2、根据历年倒塔或受损杆塔数据，建立故障杆塔数据库；也就是说，根据近年来倒塔或受损杆塔临界状态参数，建立关于不同强度风速、风向以及综合载荷数据库，研究不同高度位置与风速、风向以及综合载荷数据表，针对数据表。

S3、根据故障杆塔数据库，结合当前输电线路设计标准和输电杆塔的防风设计等级，计算风荷载极限下的杆塔及拉线参数。也就是说，根据故障杆塔的临界参数值，并且结合现有输电线路和输电杆塔的防风等级，计算杆塔在极限状态下的受力值和拉线参数；目前输电铁塔的风荷载由在静风荷载的基础上乘以风压调整系数来考虑，风压调整系数由式（1）计算：

（1）

式中,ξ为脉动增大系数;ν为脉动影响系数;ϕ _z为振型系数;μ_z为风压高度变化系数。除脉动增大系数ξ外,其余三个系数均由塔架的外形尺寸确定。 而要得到ξ就需要求得结构的自振周期。通常情况下 ,塔架的自振周期是根据经验公式得来的 ,而对于大跨越和特高压那类高度超过60 m的塔架 ,其自振频率与脉动风的频率接近 ,容易发生共振 ,需要更精确的自振周期以确定风压调整系数。

S4、根据风荷载极限下的杆塔及拉线参数，获取杆塔在风作用下的极限效应和受损的边界条件；也就是说，根据不同风速、风向的条件下计算杆塔受力与风力关系如表1所示：

根据杆塔受力和风力关系表，可获取杆塔的受损极限效应和边界风速、风向以及荷载值。

S5、获取铁塔不同位置处应力变化参数，应力变化参数的获取方法包括在铁塔关键杆件部位安装光纤光栅应力传感器，利用光纤光栅应力传感器获取固定安装位置处的应力变化值。

S6、根据铁塔不同位置处应力变化参数，结合塔线体系有限元模型及杆塔在风作用下的极限效应和受损的边界条件，判断铁塔状态。也就是说，根据光纤光栅应力传感器实时获取不同杆件部位位置处的应力值以及风速、风向等参数，结合有限元模型以及杆塔的极限边界参数可判断杆塔当前状态变化，当应力变化参数逐渐接近极限受损边界条件时，可实现提前预警。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种杆塔应力形变及风响应研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立塔线体系有限元模型，确定铁塔关键杆件分布；

S2、根据历年倒塔或受损杆塔数据，建立故障杆塔数据库；

S3、根据故障杆塔数据库，结合当前输电线路设计标准和输电杆塔的防风设计等级，计算风荷载极限下的杆塔及拉线参数；

S4、根据风荷载极限下的杆塔及拉线参数，获取杆塔在风作用下的极限效应和受损的边界条件；

S5、利用杆塔应力形变及风响应研究装置获取铁塔不同位置处应力变化参数；

S6、根据铁塔不同位置处应力变化参数，结合塔线体系有限元模型及杆塔在风作用下的极限效应和受损的边界条件，判断铁塔状态；所述杆塔应力形变及风响应研究装置包括设备盒，所述设备盒分别设置在若干个铁塔上，所述设备盒上设置有供电组件，所述设备盒内设置有信号处理组件，所述供电组件与所述信号处理组件电连接，所述信号处理组件与监控中心通讯连接，所述监控中心与移动终端通讯连接；所述铁塔上布置有若干个用于监测铁塔不同部位应力变化的光纤光栅应力传感器，所述铁塔上还布置有用于结合不同部位应力变化综合判断铁塔状态的辅助监测组件，所述光纤光栅应力传感器和所述辅助监测组件均与所述信号处理组件电连接。

2.如权利要求1所述的杆塔应力形变及风响应研究方法，其特征在于，所述供电组件包括太阳能电池板、MPPT控制器、PWM控制器、电流变换器以及蓄电池，所述太阳能电池板与所述电流变换器电连接，所述电流变换器与所述蓄电池电连接，所述蓄电池与所述信号处理组件电连接，所述MPPT控制器与所述太阳能电池板的出线侧电连接，所述MPPT控制器与所述PWM控制器电连接，所述PWM控制器与所述电流变换器电连接。

3.如权利要求1或2所述的杆塔应力形变及风响应研究方法，其特征在于，所述信号处理组件包括光纤光栅解调器和应力状态监测器，所述光纤光栅解调器与所述光纤光栅应力传感器电连接，所述光纤光栅解调器与所述应力状态监测器电连接，所述应力状态监测器通过光纤与所述监控中心通讯连接；所述应力状态监测器与所述辅助监测组件电连接。

4.如权利要求3所述的杆塔应力形变及风响应研究方法，其特征在于，所述辅助监测组件包括微气象传感器，所述微气象传感器设置在铁塔上，所述微气象传感器通过RS485通讯总线与所述应力状态监测器电连接。

5.如权利要求4所述的杆塔应力形变及风响应研究方法，其特征在于，所述辅助监测组件包括倾角传感器，所述倾角传感器设置在铁塔上，所述倾角传感器通过RS485通讯总线与所述应力状态监测器电连接。

6.如权利要求4或5所述的杆塔应力形变及风响应研究方法，其特征在于，所述辅助监测组件包括红外热成像摄像头，所述红外热成像摄像头设置在所述铁塔上，所述红外热成像摄像头与所述应力状态监测器电连接。

7.如权利要求1所述的杆塔应力形变及风响应研究方法，其特征在于，所述步骤S5中应力变化参数的获取方法包括在铁塔关键杆件部位安装光纤光栅应力传感器，利用光纤光栅应力传感器获取固定安装位置处的应力变化值。