一种应力量测的输电铁塔在线安全监测系统及方法

摘要

本发明针对电力系统架空输电线路铁塔安全监控领域，提出了一种应力量测的输电铁塔在线安全监测系统及方法。首先在铁塔关键部位安装应力传感器，安装点可以通过有限元分析施加负载得出。应力传感器的测量值通过网络传到后台服务器，后台服务器针对每组数据，结合钢材的强度的均值和方差，实时计算出每段主材的可靠度，从而可以获得铁塔的整体可靠度。因此，本发明具有如下优点：1.解决了铁塔实时应力监控的问题，可以实时监测关键部位的应力分布情况。2实时评估出铁塔的安全状态，有效的预防倒塌等恶性事故的发生恶劣工况下的情况；3.研究结果适应性广，可直接应用于各类塔形。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统架空输电线路铁塔安全监控领域，具体涉及一种应力量测的输电铁塔在线安全监测系统及方法 

背景技术

由于最近几年电力线路断线、倒塔等事故频发，特别是在冬季线路覆冰较厚的线路上，断线、倒塔的概率更高。在极端灾害情况下，更是导致大量铁塔倒塌，对电网的安全运行造成极大的影响，如2008的冰灾就造成南方电网大面积崩溃。如何防止该类事故的发生一直是关注及研究的重点。对于输电塔线系统而言，铁塔的应力分布情况最直观的反映了塔系的安全状况，输电塔的倒塌或变形的原因根源于铁塔失效部位的应力超过了铁塔的钢材强度。同时，铁塔的应力不仅直接的反映了铁塔板材的载荷情况，同时也反映了包含导、地线等的塔系结构情况。 

由于塔材在受到外力的情况下，塔材本身会产生一定程度的受力变形。在通常情况下，该变形程度难以直接观测到，但可通过应力应变设备对这种微观上的变形量进行测量，进而确定该塔材的受力情况。通过对铁塔结构上关键部位的应变量测量，得到不同部位的受力情况，进而判断该铁塔的总体受力情况。通过对该铁塔受力情况的连续监测，可得到铁塔的受力变化情况，分析铁塔的受力峰值，并与铁塔的设计受力计算值比较，评估铁塔的实时安全性状况。 

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种实时显示铁塔的应力分布状态，以及各段主材的可靠度，并在界面上直观的显示的 一种应力量测的输电铁塔在线安全监测系统及方法。 

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种适应不同的塔形，鲁棒性好，具有很好的扩展性的一种应力量测的输电铁塔在线安全监测系统及方法。 

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种具有报警功能，当可靠度低于一定额度时，可以发出报警，便于运行人员处理的一种应力量测的输电铁塔在线安全监测系统及方法。 

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 

一种应力量测的输电铁塔在线安全监测系统，其特征在于，包括： 

若干应力传感器：设置在铁塔上，用于测量应力传感器所处的铁塔位置的受力情况； 

一个前端采集处理器：将应力传感器的数据进行采集处理，并进行校正，计算出应力后进行编码，并通过无线网络将编码后的数据传输出去； 

一个后台服务器：接收前端采集处理器传输的数据，并进行分析计算，并且当可靠度超过用户设定额度时，发出报警。 

一种使用应力量测的输电铁塔在线安全监测系统的方法，其特征在于， 

包括以下步骤： 

步骤1，后台服务器进行主材可靠度计算：输电铁塔的钢材屈服强度R的统计规律服从正态分布；对采集到的应力数据用相应的正态分布或对数正态分布作为它们的渐近正态分布,即将随机变量进行当量正态化；定义假设每隔一定时间，从N个主材上安装的应力传感器取得N组高速测量的数据，每组数据有M个，则针对每组数据求出其均值u_i和方差σ_i,为：(u₁,σ₁),(u₂,σ₂),…,(u_N,σ_N)。 

则任一段主材可靠度β_i由下式得出： 

$>{\beta }_i=\frac{u_Z}{{\sigma }_Z}=\frac{u_i-u_S}{\sqrt{{\sigma }_i^2+{\sigma }_S^2}}$>

步骤2，后台服务器进行铁塔可靠度计算：分别计算出各主材段的可靠度后，这N个可靠度中的最小值即为铁塔的可靠度，该可靠度值即为输电铁塔在线安全检测衡量值。 

在上述的一种使用应力量测的输电铁塔在线安全监测系统的方法，虚拟设置在铁塔三维实体有限元模型上的应力传感器的分部的具体方法包括以下步骤： 

步骤1，针对所监控的输电塔形结构参数，进行有限元力学建模，具体方式是根据该铁塔的CAD文件，以及建设铁塔时的设计资料，基于大型商用有限元ANSYS模块建立铁塔的三维实体有限元模型，模型各部分的尺寸按照设计资料中的参数，初始建模时的材料参数根据规范取值；其中，输电塔各杆件均采用自定义截面形状的BEAM188梁单元模拟； 

步骤2，载荷选取：针对铁塔所处的地理位置和工作环境，加上考虑风载荷作为载荷选取对象；，由于求出了三维实体有限元模型结构上各处的风荷载,结构计算就能够按静力方法进行； 

步骤3，针对步骤1建立的铁塔的三维实体有限元模型以及步骤2选取的载荷进行模态分析；在计算风振系数的经验公式中，需要知道脉动风荷载的背景分量因子，其中需要用到第1阶自振频率；采用Block Lanczos法对该塔整个结构进行模态分析，可获取结构的第1阶自振频率： 

输电塔风荷载计算公式： 

w＝β_zμ_sμ_zw₀

其中，β_z为考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响的风振系数；μ_s为体型系数，根据规范可查得；μ_z为风压高度变化系数,根据此公式可得出铁塔的风载荷分布。 

步骤4，根据步骤3得到的输电塔风荷载分析并计算极值应力：施加风荷载后，利用有限元ANSYS模块计算轴向应力以及Y、Z方向(单元局部坐标)的弯曲应力。然后按下面的方法组合出各每个单元的极值应力： 

应力一：截面Y向上部极值应力＝轴向应力+Y向上部弯曲应力； 

应力二：截面Y向下部极值应力＝轴向应力+Y向下部弯曲应力； 

应力三：截面Z向上部极值应力＝轴向应力+Z向上部弯曲应力； 

应力四：截面Z向下部极值应力＝轴向应力+Z向下部弯曲应力。 

步骤5，根据主材和斜材的应力分布情况确定应力传感器位置：具体是在步骤4得出的应力极值，分别对主材和斜材应力分布图中的应力值排序，获得前N个应力最大的点N的多少依据要安装的应力传感器个数而定，其中斜材由于不是主要承重结构，仅计算主材应力分布情况即可。 

因此，本发明具有如下优点：：1.可以实时显示铁塔的应力分布状态，以及各段主材的可靠度，并在界面上直观的显示；2.适应不同的塔形，鲁棒性好，具有很好的扩展性；3.具有报警功能，当可靠度低于一定额度时，可以发出报警，便于运行人员处理。 

附图说明

附图1是本发明的一种系统结构原理示意图。 

附图2是本发明的应力传感器安装示意图。 

附图3是本发明涉及的输电塔钢结构有限元模型图。 

附图4是本发明实施例中主材应力云图。 

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 

实施例： 

一、首先介绍本发明所涉及的系统以及方法： 

(1)系统体系架构。 

系统由应力传感器、前端采集处理器以及后台服务器构成。前端采集处理器负责将应力传感器的数据进行采集处理，结合温度等因素进行校正，计算出应力后进行编码，传到后台服务器。前端采集处理器采用DSP架构，使用GPRS/CDMA数据网络和后台服务器进行通信。整个系统架构如图1所示。 

数据采集器和数据集中处理器之间通过485接口进行连接通信。数据采集器将采集到的数据送交集中处理器处理，集中处理器将数据进行转换、按协议打包，发送给后台软件。同时，数据集中处理器接收后台的命令，进行相应的操作。数据集中处理器通过GPRS/CDMA DTU和后台进行通信，数据集中处理器输出的数据送往DTU modem的串口，然后经过DTU协议的封装后变成以太网数据，通过GPRS/CDMA数据网发给后台服务器。 

现场数据采集子系统器实现应力数据、温度数据的采集。该系统包括信号传感器单元、信号采集单元和电源供应单元组成。应力传感器采用振弦式传感器，测量精度为±0.1％FS,测量范围(拉伸/压缩，量纲为10-6)为1500/1700，自带温度校正功能。安装示意图如图2所示。 

后台软件实现3大功能，第一、完成和远端数据采集模块的通信及交互；二、数据的显示及存储；三、数据分析功能。数据库基于SqlServer平台，程序使用Java开发。 

由于系统需要不间断的在野外工作，因此系统前端采用太阳能供电，为了节省电力，系统工作在可工作在多种模式，包括定时传送方式状态，即每隔一段时间传输采集传输一次数据，不传输数据时系统处在休眠状态。 

(2)传感器安装点。 

根据铁塔的CAD文件，以及建设铁塔时的设计资料，利用有限元软件ANSYS建立铁塔的三维实体有限元模型，然后施加荷载，求出应力值较大的 点，即为候选安装点，具体在其它专利中另有说明。 

(3)可靠度的计算。 

铁塔由众多的主材、辅材和斜材等组成，由于在铁塔失效时主要是主材的屈服破坏，在研究中可简化为对主材杆件结构的屈服失效可靠度求解。正常运行情况下起主要作用的主材段数为3～5。由于每1个主材分段由4根主材组成，这四根主材处于对称分布，受同一极限状态方程控制，可以认为失效模式是一样的。因此，对于输电杆塔结构在正常运行情况下的失效模式数为3～5。其中任一主材段的失效都将导致整个结构体系的失效。即铁塔可靠度为最小的主材可靠度。即： 

$>P_s=P(\underset{1\le i\le N}{\min }{Z}_i>0)---\left(1\right)$>

上式中：Ps为铁塔可靠度，P(Zi)为第i个主材段的可靠度。 

4)主材可靠度计算过程。 

设输电杆塔某杆件的R与S是连续型随机变量,相互独立且服从正态分布，则Z也服从正态分布，其均值和标准差分别为： 

$>u_Z=u_R-u_S,{\sigma }_Z=\sqrt{{\sigma }_R^2+{\sigma }_S^2}$>

其分布密度函数为： 

$>F_Z\left(Z\right)=\frac{1}{{\sigma }_Z\sqrt{2\pi }}\underset{-\infty }{\overset{Z}{\int }}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{Z-u_Z}{{\sigma }_Z}\right)}^2]---\left(3\right)$>

结构的失效概率为 

$>P_f=P\{z<0\}=F_Z\left(0\right)=\Phi \left[\frac{Z-u_Z}{{\sigma }_Z}\right]---\left(4\right)$>

则结构的可靠度指标β可由下式得出： 

$>\beta =\frac{u_Z}{{\sigma }_Z}=\frac{u_R-u_S}{\sqrt{{\sigma }_R^2+{\sigma }_S^2}}---\left(5\right)$>

且P_f＝Φ[-β]，或β＝Φ^-1(1-P_f)   (6) 

该计算公式是基于R和S都为正态分布推导出。在本铁塔在线评估系统中，输电铁塔的钢材Q235及Q345的屈服强度R的统计规律可认为服从正态分布。对于铁塔量测应力值S的分布是否服从正态分布，目前并无相关研究定论，但S即便为非正态分布时,可用相应的正态分布或对数正态分布作为它们的渐近正态分布,即将随机变量进行当量正态化。 

(5)铁塔可靠度的结果。 

分别计算出各主材段的可靠度后，可以利用公式(1)求出铁塔的可靠度。这样就完成了在线评估。 

二、以下是采用上述方法的具体一个案例： 

步骤1、对铁塔进行有限元建模，施加特定载荷，求出铁塔的主材应力云图。图1为某猫头鹰塔的有限元模型，塔总高为48.5米，其主材用Q345钢，其余材料为Q235钢材，材料密度为ρ＝7850kg/m³，弹性模量E＝2.06×10⁵MPa，由荷载规范，钢结构的结构阻尼比ξ＝0.01。各杆件均为L型截面形式；y轴为竖向，z轴为挂导线方向。图2中所有单元均三维梁单元BEAM188。此模型具有513个节点数，1298个梁单元数，塔与基础固接，并假设材料处于弹性工作阶段。该塔场地条件为A类地貌，基本风速为v₀＝30m/s。 

步骤2、应力传感器安装点的确定。 

考虑风载荷，求出铁塔的应力云图，如图4所示。选取607单元层面、604单元层面、603单元层面作为监视对象。因为这3个层面受的拉压应力最大。每个层面对称安装4个应力传感器。应力传感器采用振弦式传感器，安装时对称安装在焊接在铁塔的四根主材上。 

步骤3、可靠度计算。 

假设每隔一定时间(如10分钟)，从12个主材上安装的应力传感器 取得12组数据，分别针对每组数据求出其均值u_i和方差σ_i,为：(u₁,σ₁),(u₂,σ₂),…,(u₁₂,σ₁₂)。由于这里只关心屈服失效，即只考虑测量值为负值的压应力。然后根据公式(5)计算。公式(5)中,钢材的屈服强度的均值和方差可由表1查出，则对于第i个主材，其可靠度为： 

$>{\beta }_i=\frac{u_i-u_S}{\sqrt{{\sigma }_i^2+{\sigma }_S^2}}$>

对于一组应力值，计算结果如表2所示。 

表1 Q345钢材的屈服强度统计参数 

表2 可靠度计算 

步骤4、求铁塔整体可靠度。 

从表2中可以得出，最小可靠度为4.24,根据“铁塔整体可靠度由其小主材可靠度决定”准则，此时刻铁塔系统整体可靠度为4.24。 

步骤5、每隔一段时间，如十分钟接收一次应力，重复步骤3.从而完成了输电铁塔的实时可靠度计算。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明 所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。