石青松

（三峡大学，湖北宜昌 443000）

引言

输电铁塔是电力输送系统的关键设备，承担着输电线路的安全与可靠运行的责任。在我国特高压输电线路工程建设中，输电铁塔不可避免地经过高海拔或环境恶劣地区，在极端天气（例如大风、导线覆冰等）条件下，可能会导致输电铁塔发生受力倾斜、变形、甚至倒塔事故，引起电力长时间中断，造成大量经济损失。为确保输电铁塔的正常稳定运行，现今，我国最常用的巡检方式包括人工检、视频监控技术、超声波回声测距等方式[1]，但这些方式存在一定的局限性，例如：人工巡检方式所获得的信息有限，不足以精确定位和排除故障；视频监控技术存在精确度问题；超声波测距存在成本高、易受干扰等问题。因此，发展新的、高效的输电铁塔检测技术非常有必要[2,3]。

伴随着智能材料、信号处理以及通信技术的发展[4]，利用在线监测技术对大型结构的运行稳定性能进行实时监测，并通过监测所得数据进行评估，可实现实时反映结构安全状态的目标。

通过研究在多种工况下输电铁塔稳定性能，结合相关结构稳定性判定依据，利用力学计算软件，计算出输电线路杆塔的薄弱杆件位置，并针对薄弱杆件设计相应的稳定性监测及预警方案，达到输电铁塔稳定性实时监测目的。

1 铁塔薄弱杆件分析

1.1 有限元模型

以试验场110 kV 1A3-DJ型铁塔为分析对象，该塔总高13.8 m，跟开2.85 m，导线采用LGJ-300/40型，地线采用JLB20A-100型。杆塔主材采用Q345角钢，其他采用Q235角钢。在建立的有限元模型中，铁塔主材、斜材及辅材均采用Beam188梁单元进行模拟，所建立的杆塔有限元模型如图1所示。

图1 110 kV1A3-DJ型杆塔对照图

1.2 荷载计算及稳定性分析

风、冰荷载是引起输电线路及杆塔发生事故的主要诱因，尤其是在强风地带、重冰区可能会引起导线（覆冰）舞动、导线覆冰过载，导致部分杆件或整体塔体结构发生严重变形甚至断裂事故。通过模拟分析风、冰荷载下的铁塔受力状态是分析实际铁塔稳定性能的重要手段之一。参考DL/T 514—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[5]，不同电压等级线路基本风速和设计冰厚的重现期，330 kV及以下气象重现期为30年。查阅当地近30年气象报告，选取30 m/s风速为当地最大设计风速，风向角垂直线路运行方向为最不利风攻角（90°）；覆冰厚度15 mm为当地最大设计覆冰厚度。

以AR法[6]模拟实际工况下动态风荷载的变化过程，图2为时间在200 s以内、风向角为90°、平均最大设计风速为30 m/s时的风荷载变化曲线。

图2 风荷载变化曲线

将动态风荷载作用过程用ANSYS软件进行瞬态受力分析模拟，最大应力杆件云图及应力变化趋势图如图3，4所示。

图3 最大应力杆件云图

图4 应力变化趋势

当无覆冰、平均最大风速为30 m/s时，在一定时间范围内，杆件轴向最大应力为84.1 MPa，受力杆件表现为轴向压弯。

当线路最大覆冰15 mm、平均最大风速分别为10 m/s、20 m/s、30 m/s时，在一定时间范围内，各工况下杆塔最大轴向应力杆件如图5所示。

图5 应力变化趋势

三种工况下，铁塔杆件最大应力点仍位于背风侧与塔腿相连的塔身第一层主材处，在平均风速为30 m/s、导线覆冰厚度为15 mm时，杆件最大应力的瞬时值可达248.6 MPa，远大于仅有风荷载作用下杆件最大应力，即导线覆冰荷载与风荷载共同作用下的铁塔危险性更高。

在外部荷载作用下输电铁塔结构发生整体性失稳现象主要是从单根构件局部失稳开始的。局部单根角钢构件的失稳现象将会引起整个结构的内力重新分布，对维持铁塔整体稳定性贡献减少，即系统整体稳定性能减小。因此，获取某一单根构件的稳定性能，是反映输电线路杆塔整体稳定性能的重要手段。对于单根轴向受力压弯或拉弯杆件存在着稳定性判定公式：

式中：N为杆件截面轴力标准值，单位为N；φ为受压杆件的稳定系数；mN为受压杆件的强度折减系数；A为杆件的毛截面面积，单位为mm2；M为截面弯矩，单位为N·mm；W为截面抵抗矩，单位为mm3；NEX为欧拉临界值；σ为杆件应力实际值，f为杆件强度设计值，单位为MPa。当σ与f的比值越接近于1则认为杆件的稳定性能越差，即为薄弱杆件，图6为110 kV 1A3-DJ型铁塔的各杆件编号，表1为分析工况在最大平均风速30 m/s、覆冰厚度15 mm时的各杆件的参数。

图6 杆件编号图

从表1可知，A1、A13号杆件所承受的轴向应力最大，表现为受力压弯，在相同材料属性的条件下，σ与f的比值比其他杆件的比值更接近于1，即A1、A13号杆件为薄弱杆件。

2 输电铁塔在线监测系统

输电铁塔监测系统由硬件和软件组成，能够实现对铁塔结构的稳定性监测，为杆塔日常维护和管理提供依据。铁塔监测系统包括监测数据采集单元、监测数据传输单元、监测数据终端部分和电源供电单元，总体结构框图如图7所示。

2.1 数据采集单元

输电铁塔数据采集单元是整个实时监测系统的重要部分，该单元由各种传感器和采集设备组成，主要完成杆塔实时监测数据的采集。该系统需满足：各类传感器和采集设备应同步采集；各类传感器和采集设备应长期稳定运行并易于更换等。

用于监测杆件应力的传感器采用DH1205型表面式应变传感器（电阻式）。该类传感器为带基座安装，可重复安装使用，灵敏度可达500 με/mV/V，量程达±3000 με，工作环境温度-20℃～80℃，输出为电压信号。

风速风向传感器采用SM5388M型风速风向一体式传感器，风速量程范围达30 m/s，风速分辨率可达0.1 m/s，风向范围为0～360°，供电范围为DC 6 V～24 V，工作环境温度为-30℃～80℃。

温度传感器采用SM63型百叶箱式气象站传感器，测量温度范围为-40℃～85℃，测量精度达±0.5℃；测湿范围为：0～100%RH，测量精度达±3%RH，供电单元范围为DC 6 V～24 V，采用电流信号输出形式，输出范围为4 mA～20 mA。

2.2 数据传输单元

监测数据传输单元包含数据处理、数据通信单元。数据处理单元主要负责接收各类传感器的输出信号，并传输至数据采集仪上，然后由数据采集仪将各类监测数据A/D转换、数据汇总，最后经由通信串口连接至数据通信单元上。

数据采集仪采用DH2002多功能实时数据采集系统。该系统能实现模拟信号调理、A/D信号转换和远程数据发送为一体的多通道采集-传输功能，并同步传输、不漏码、不死机，能够长时间数据传输。

数据通信单元采用USR-G780型4G-DTU发射模块。该模块通过SIM卡登入移动运营商的4G网络，初始化后获得移动内网的动态IP地址，然后将现场采集的信号通过DTU内部集成TCP/IP协议进行网络协议封装，最后通过4G网络传送至监控中心。

2.3 供电单元

由于铁塔所处的地理环境，远距离对监测系统单独铺设供电线路花费极大，考虑其适用性、经济性，采用太阳能电池板及锂电池供电，单元设计框图如图8所示。

图8 供电单元设计框图

3 试验及分析

利用ANSYS仿真软件进行受力分析，最终得到110 kV 1A3-DJ型杆塔的薄弱点位置，为薄弱杆件位置选取提供依据。在实际试验中，对试验场110 kV 1A3-DJ型杆塔的薄弱点位置及其他部位安装相应的传感器。

在试验过程中需排除环境温度对应力监测数据的影响。试验方法选用与杆塔塔材相同的单根角钢构件，放置于杆塔周围，使单根角钢与杆塔所处的环境相同。然后在该单根构件上安装一个应变传感器，用于测量实际温度变化对应变传感器的影响，实际杆件应力值为测量值减去温漂效应所产生应力测量值。

图9为试验场110 kV 1A3-DJ型输电铁塔在一定时间范围内，杆件的应力监测数据效果图。图9中为4个传感器的监测数据，其中2号传感器为图6中A1杆件（薄弱杆件）应力监测数据，1、3、4号传感器为对照组试验，分别位于D1、A2、B1处。实测最大应力杆件位置与利用ANSYS分析得到的最大应力杆件位置相同，因此，可通过监测其位置处应力变化来反映铁塔的稳定性能。

4 结论

本文以110 kV型铁塔为例，计算分析了各工况下的铁塔的受力状态，结合结构稳定理论，得到了铁塔的受力薄弱位置。然后针对受力薄弱位置设计了稳定性在线监测系统方案，并通过户外试验场进行相关试验，试验效果较好，可为输电铁塔的日常维护与检修提供有效手段。