輸電線路桿塔不平衡張力及傾斜監測裝置的研究

羅晶，陸佳政，李波，趙純，張紅先

(1．湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007;2．國家電網公司輸變電設備防冰減災重點實驗室，湖南長沙 410007)

正常工況下，鐵塔兩側的導線張力基本保持平衡。但在鐵塔兩側導線不均勻時 (如覆冰的情況下)，受力平衡狀態被破壞，鐵塔兩側產生張力差，鐵塔會向張力大的一側發生傾斜、彎曲，在超過一定允許值后，鐵塔桿件發生拉、壓破壞，導致鐵塔折斷、倒塌〔1〕。從調研和統計資料看，2008年湖南輸電線路90%左右的倒塔都是由于不均勻覆冰以及不均勻脫冰產生的縱向不平衡張力造成的。目前，國內外為對抗冰災已經成功研制了一系列的融冰裝置。但同時又出現了新的問題，融冰過程中，由于線路較長，導線各處的融冰不平衡，導致導線脫冰不均勻并引起舞動，桿塔所承受的拉力等明顯變化，不平衡現象加劇。因此加強輸電線路桿塔不平衡張力監測裝置和桿塔傾斜監測裝置的研究，對防災和實時監控可起到很大的預警作用。

1 監測原理及系統構成

1.1 系統結構

監測系統主要分現場采集部分和監控服務器2個部分。

現場采集部分:由安裝在輸電線路桿塔上的傳感器采集裝置，包括不平衡張力傳感器、角度傳感器和采集箱組成。不平衡張力傳感器安裝在絕緣子和桿塔的U型掛環之間，取代了原來的球頭掛環，不平衡張力傳感器由一個六方向的角度傳感器結合拉力傳感器組成，用來測量鐵塔受力的大小和受力的方向;桿塔傾斜傳感器主要安裝在桿塔的塔腰和橫檔上，桿塔的塔腰安裝了2個雙軸角度傾角傳感器，用來測量桿塔塔腰的扭動和傾斜度，安裝在橫檔上的2個雙軸角度傾角傳感器用來測量桿塔受到不平衡張力的作用時，塔腰以上部分的傾斜度和扭曲度。采集裝置主要由低功耗的嵌入式系統構成，通過太陽能給系統供電，以無線公網GPRS方式將采集到的角度值發送到服務器端。

監控部分:監控服務器由1臺PC機構成。PC機上安裝了1套桿塔傾斜及不平衡張力的監測軟件，軟件的主要作用是將現場的傳感器數據進行收集和判斷，給出預警值，并向輸電線路運行值班人員報警。

圖1 監測系統結構圖

1.2 不平衡張力監測硬件設計

在架空線路的耐張段中有大高差、大小檔距的不利組合，當氣象條件惡化程度發生變化時，因檔距中架空線的應力變化不相等而產生不平衡張力〔2〕，這是一種普遍存在的現象，不管是平原山地，只要有高差、檔距的不同便會產生不平衡張力，當遇到耐張段中有高差、檔距的不利組合時便有較大的不平衡張力產生，氣象條件發生變化如大風引起的不平衡張力，輸電線路出現不均勻覆冰都會對桿塔造成不平衡張力。不平衡張力的測量采用基于應變片的應力傳感器，并且在應力傳感器上安裝了一個角度傳感器，測量力的大小和方向。應變片種類繁多，其基本結構大體相似，以金屬絲繞式應變片結構為例說明，如圖2所示。將金屬電阻絲粘貼在基片上，上面覆蓋一層薄膜，使它們變成一個整體，這就是電阻絲應變片的基本結構。

傳感器安裝在絕緣子與桿塔的連接處，取代1個球頭掛環，傳感器實物圖如圖3所示。

1.3 桿塔傾斜監測硬件設計

圖2 電阻絲應變片的結構示意圖

圖3 不平衡張力傳感器實物圖

通過對以往的桿塔傾斜資料的分析，確認桿塔傾斜監測的主要監測數據是桿塔傾斜角度〔3〕。因此，在桿塔受力的2個典型位段安裝4個雙軸傾角傳感器，從桿塔不同位置的傾斜變化來具體描述桿偏移角度和偏移值。傾角傳感器采用得到廣泛應用的加速度傳感器SCA100T－D02為主要構成元件，配合各種保護電路、供電單元，以達到角度測量的目的。

傾角傳感器采用附著式安裝，分別在桿塔的塔腰與橫檔安裝2個雙軸傾角式傳感器，傳感器實物圖如圖4所示。

圖4 桿塔傾斜傳感器

2 通訊系統及專家系統設計

采集基站數據功能:將數據通過GPRS技術采集到控制中心服務器，完成對基層硬件的管理控制，完成數據處理分析功能和基于B/S架構的數據發布功能。

數據處理分析功能:對采集到的各種參量數據進行整合分析。其中包括桿塔實時受力監測分析和桿塔傾斜角度監測及分析。

桿塔實時受力監測、分析:通過安裝在桿塔絕緣子串上方的拉力、雙軸傾角傳感器采集測量桿塔實時受力以及絕緣子偏移角度，建立桿塔受力的三維狀態數學模型，實時分析數據，顯示桿塔受力的實際變化，必要時給予報警。

桿塔傾斜角度測量及分析:通過監測絕緣子傾角和風向、風速等，應用后臺軟件和計算模型分析不同的自然條件下桿塔傾斜和線路電氣距離、弧垂的對應關系。

基于B/S信息瀏覽模式:整個系統均采用了B/S模式構建，方便整個系統的信息傳達，應用該模式，在系統的廣域網中，不同權限用戶均可以通過電力系統內網查詢給基站系統的數據、圖像，并且可以通過后臺軟件處理用戶自行選擇的數據和進行分析。同時，通過系統客戶端軟件連接控制各基站系統，為系統信息的公布提供有效平臺。運用B/S模式構建的瀏覽系統簡潔易用，用戶可以方便地通過IE瀏覽器獲取現場狀況和實時的監測分析結果，并且可以設置各類使用者的瀏覽權限，突出用戶自己關注的重點。

3 現場使用

該套裝置在湖南柘泉線233號桿塔進行了實際應用，并且在2009年2月初該線路的覆冰過程中真實地反映了該線路的不平衡張力的變化情況。數據見表1。

數據顯示，不平衡張力一般情況在1.0～1.2 t之間變化，最小值為0.9 t，最大值為1.8 t(嚴重覆冰)。而絕緣子的順線方向偏移角 (X)一般在5.5°～ 6.5°之間變化，最大 7.65°，最小 3.45°;絕緣子垂直線方向偏移角 (Y)一般在2°～3.5°之間變化，最大值為9.15°，最小值為1.95°。通過安裝的監測設備完整地反映了覆冰過程，并且得到了原始數據，為今后的工作奠定了基礎。

4 結論

通過桿塔不平衡張力及桿塔傾斜在線監測系統的開發、研制和試運行，日常運行中監測采集了大量桿塔受力和絕緣子傾斜角度數據，觀測到線路實際覆冰厚度和不平衡張力的綜合變化，對桿塔受力分析具有十分重要的意義，進一步促進了輸電線路防災技術的發展。

表1 桿塔的不平衡張力變化數據表

〔1〕黃新波．輸電線路在線監測與故障診斷〔M〕．北京:中國電力出版社，2008．

〔2〕嚴躍成，龔守遠，邱秀云．輸電線路覆冰對電力網的影響及危害分析〔J〕．水力發電，2008，34(11):95-97．

〔3〕李興，趙華忠，李偉性．500 kV輸電線路鐵塔嚴重傾斜的快速修復〔J〕．南方電網技術2008，2(5):84-85．