輸電塔臺風振動響應在線監測的新型傳感器設計

彭 康， 吳新橋， 耿 力， 黃增浩， 張 陵

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2.南方電網科學研究院有限責任公司，廣東 廣州 510080)

輸電塔臺風振動響應在線監測的新型傳感器設計

彭 康1， 吳新橋2， 耿 力1， 黃增浩2， 張 陵1

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2.南方電網科學研究院有限責任公司，廣東 廣州 510080)

輸電線路塔線體系具有桿塔高、跨距大、柔性強等特點，對極端天氣環境激勵比較敏感。設計開發了用于輸電塔實時在線振動監測的新型加速度傳感器節點，使用該傳感器對受2016年4號臺風“妮妲”影響下的特高壓輸電塔進行了實時在線監測，獲取了臺風環境下輸電塔的振動響應測試數據。實測結果不僅表明了這種新型傳感器性能穩定、數據可靠，同時還驗證了傳感器的準確性。

輸電塔線體系； 現場實驗； 臺風； 風振響應； 實時在線監測； 傳感器節點

0 引 言

對于高壓輸電線路而言，強風、脫冰、地震等動態載荷對輸電線路的安全構成嚴重威脅是毋庸置疑的事實，也是線路從設計到投入使用十分關注的重大問題。輸電線路塔線體系具有桿塔高、跨距大、柔性強等特點。在極端天氣條件下，輸電線路塔線體系在風振等條件下容易引起跳閘停電、金具損壞、相間短路、桿塔傾斜倒塌、導線折斷等嚴重事故，威脅輸電線路的安全運行[1～4]。

迄今為止，國內在風振響應研究領域缺少與實際工況、尤其是惡劣氣候環境條件下塔線真實動態特性的比對和驗證。究其主要原因，是因為國內目前尚缺少足夠惡劣環境下輸電線路塔線耦合體系的風振響應實時監測數據[1～4]。因此，開展惡劣環境下輸電塔線體系風振響應的現場實時監測，可為輸電線路塔線耦合振動的安全性評價和分析提供較為可靠的實測數據支撐和設計參考依據。

1 實驗方案

塔線體系的模態和風振響應現場實驗是在有限元數值分析的基礎上進行的。現場實驗主要方案：在臺風等惡劣天氣出現之前，將傳感器節點安裝在實驗塔的各個測點位置，對各測點的響應實時記錄并保存；在測試之后，讀取實驗數據并進行相應的數據分析。在實驗中，要求各傳感器安裝方便且牢固，能夠防雨水，采集數據精確度高，工作時間長，數據存儲容量大，并且在傳感器安裝過程中不會影響實際線路的正常運行。

2 傳感器節點設計

在現場實驗中使用加速度傳感器節點進行實驗測試。傳統的加速度傳感器在安裝、數據采集、數據處理等方面都比較成熟，實驗結果較為準確。但是傳統的加速度傳感器在安裝時需要用導線將傳感器和數據采集器連接，對于運行的輸電線路現場環境來說，大量的導線安裝固定比較困難，而且存在安全隱患。因此，需要采用無線加速度傳感器。目前的無線加速度傳感器絕大多數均采用無線ZigBee傳輸方式將采集的數據通過數據采集器傳輸到PC端。考慮到輸電線路現場的電磁干擾、無線ZigBee傳輸的傳輸距離有限及現場供電困難等問題，本文自主設計了用于輸電塔實時在線振動監測的大容量自存儲加速度傳感器節點，如圖1所示。

圖1 加速度傳感器結構圖實物圖

2.1 微處理器

微處理器模塊采用STM32F103處理器，屬于意法半導體(ST)公司STM32F系列微控制器，其內核為Cortex—M3。由于實驗數據存儲量大，因此，使用SD卡對采集的數據進行存儲，為節省空間采用16進制存儲數據。

2.2 加速度傳感器

加速度傳感器模塊采用MPU6050傳感器。該傳感器為9軸運動處理傳感器，集成了三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS加速度計。傳感器加速度量程為±6gn，分辨率為6.1×10-5gn，采樣頻率為20 Hz。

2.3 電源管理單元

采用鋰離子充電電池為電路提供能量。工作電壓為5 V×(1±10 %)。功耗低，續航能力強，續航時間為60 h。

傳感器外形為長方體，尺寸125 mm×90 mm×40 mm。采用DIN35 mm導軌安裝，導軌用卡槽固定在傳感器背面，具體試驗中將導軌用尼龍扎帶固定在輸電塔的各測點，如圖2所示。

圖2 傳感器節點安裝示意圖

3 傳感器驗證實驗

為確定傳感器的準確性和數據處理方法，對自主設計的大容量自存儲加速度傳感器節點進行實驗驗證測試圖3所示。實驗中將傳感器節點安裝在簡支梁上，采用手敲打的方式激勵，采集數據并對其進行相應分析，將分析結果同有限元分析結果對比，確定實驗設備的準確性和數據處理方法。

圖3 實驗裝置

實驗采集的數據如圖4所示。

圖4 采集的數據

在Matlab中對采集的數據進行頻譜分析和PSD法求功率譜。頻譜分析結果如圖5所示。

圖5 頻譜分析結果

由頻譜分析可以得出簡支梁的前四階頻率分別為：21.48，76.17，197.27，311.52 Hz。通過有限元建模并對該簡支梁進行模態分析，得到簡支梁的前4階模態為：19.42，77.64，174.71，310.5 Hz。有限元分析和試驗分析的結果進行對比，可以說明實驗采集的數據是可靠、可信的，實驗設備及數據處理方法選擇是正確的。

4 現場實驗與數據分析

實驗針對南方電網廣東省能盤線45#塔和湛霞線6#塔進行現場試驗。分別在臺風(能盤線45#塔)和微風(湛霞線6#塔)環境下進行相應實驗。

實驗在環境風激勵下進行。實驗之前需對實驗塔進行有限元模態分析，以確定實驗中加速度傳感器的最佳安裝位置和安裝數量，如圖6所示。實驗主要通過現場測試獲得輸電塔各測試點的加速度數據。根據輸電塔上加速度傳感器節點的數據以及現場風環境數據進行數據處理分析，進而對輸電塔風振開展安全性評價和分析。

臺風環境下的實驗選在廣東省深圳市，實驗塔為能盤線45#塔，位于2016年4號臺風“妮妲”登陸地大鵬半島上。微風環境下的實驗選在廣東省湛江市，實驗塔為湛霞線6#塔。根據確定的實驗方案進行現場實驗，實驗中各加速度傳感器節點依次安裝。

實驗現場將加速度傳感器節點依次用尼龍扎帶固定在輸電塔上各測點位置，記錄各加速度傳感器節點的安裝位置以及開始測試的時間；各測點布置方案是在有限元模態分析的基礎上得到的，如圖6所示[7]。根據現場條件，微風環境實驗實際測試時間為2.5 h，臺風環境實驗實際測試時間為40 h。

圖6 實驗測點位置

實驗塔均為雙回路直線塔，測點布置方案一致。針對臺風和微風環境下地線橫擔、中橫擔和塔身最頂端三個測點即測點2、測點6、測點9進行對比分析。對測得的數據進行初步處理后得到各測點的響應進行分析。

臺風環境下能盤線45#塔測點2、測點6、測點9的x方向(垂直導線方向)響應分別如圖7所示。

圖7 能盤線45#塔在不同測點響應結果

微風環境下湛霞線6#塔測點2、測點6、測點9的x方向(垂直導線方向)響應如圖8所示。

圖8 湛霞線6#塔不同測點響應結果

對比圖7和圖8可以看出：在風環境下同一輸電塔的不同測點的響應雖幅值存在差異，但形態基本保持相同，且曲線形態與臺風風速大小保持一致。對于同位置測點而言，微風環境下塔身的風振響應較小且比較平穩，而臺風環境下的塔身風振響應曲線前半程與微風環境下的響應相比要高出一個數量等級，其后半程與微風環境下的響應相比則在同一數量等級，幅值略大于微風環境的響應。

5 結 論

為了對輸電線路塔線體系實時監測與評估，本文設計開發了新型加速度傳感器節點對輸電線路塔線體系進行現場風環境響應的實時監測，得到了環境激勵下的加速度響應。通過實驗室驗證傳感器采集數據的正確性和準確性。并且在運行的輸電線路進行現場實驗，初步分析現場實驗數據合理，可用于輸電線路風振響應分析。該傳感器節點在輸電線路現場實驗中能夠得到很好的應用。本設計已獲得了國家實用新型專利[8]。

致 謝:

本文由南方電網科學研究院有限責任公司支持完成。

[1] 李春祥，李錦華，于志強.輸電塔線體系抗風設計理論與發展[J].振動與沖擊，2009，28( 10):15-25，222-223.

[2] 殷惠君，陳 波，瞿偉廉．輸電塔線體系振動的研究進展[J]．華中科技大學學報，2002，19(3)：79-82．

[3] 李宏男，白海峰．高壓輸電塔-線體系抗災研究的現狀與發展趨勢[J]．土木工程學報，2007，40(2)：39-46．

[4] 郭 勇．大跨越輸電塔線體系的風振響應及振動控制研究[D]．杭州：浙江大學，2006．

[5] Jos′e Antonio Vergara.Optimal sensor placement for structural health monitoring of power transmission tower-line systems[J].Conference Society for Experimental Mechanics Series,2013,67(2):415-422.

[6] Carden E P，Maguire J R.Dynamic performance and integrity assessment of an electricity transmission tower[M].New York:Springer,2011:227-236.

[7] 汪 江，杜曉峰，田萬軍，等．500 kV淮蚌線淮河大跨越輸電塔振動測試與模態識別[J]．中國電力，2009，42(2)：30-33．

[8] 吳新橋，彭 康，程建偉,等.加速度傳感器檢測設備:中國,201621048066.9[P].2017—01—04.

New type of sensor design for on-line monitoring of typhoon vibration response of transmission tower

PENG Kang1,WU Xin-qiao2, GENG Li1, HUANG Zeng-hao2, ZHANG Ling1

(1.State Key Laboratory for Mechanical Structural Strength and Vibration,Xi’an JiaoTong University,Xi’an 710049,China;2.China South Power Grid International Co Ltd,Guangzhou 510080,China)

Because transmission line tower-line system has high tower,large span,strong flexibility and so on,so it is sensitive to extreme weather conditions.A new type of acceleration sensor node for real-time on-line vibration monitoring of transmission tower is designed and developed.This sensor was used to monitor the UHV transmission tower in the typhoon“Nida”in 2016,and the vibration response test data of the transmission tower in the typhoon environment was obtained.The results of test not only show that this new type of sensor is stable and reliable,but also verifies the accuracy of the sensor.

transmission line system; field test; typhoon; wind-induced vibration response; real-time online monitoring; sensor node

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0099—03

2017—04—05

TH 825

B

1000—9787(2017)05—0099—03

彭 康(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為輸電線路塔線體系結構分析。

張 陵(1957-)，男，通訊作者,教授,主要從事機械系統非線性動力學與控制、工程結構抗震與控震實用技術研究工作，E—mail：zhangl@mail.xjtu.edu.cn。