輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

張軍偉，張衛(wèi)東，翟 樂，肖雪峰，韓 磊

（1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟(jì)南 250001；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255032）

0 引言

電力在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著舉足輕重的地位。輸電線路一旦遭到破壞，不僅會(huì)造成巨額的直接或間接損失，還會(huì)引發(fā)火災(zāi)等次生災(zāi)害，輸電塔作為電力系統(tǒng)輸電部分的重要組成設(shè)施，其健康狀況直接關(guān)系電力系統(tǒng)正常功能的實(shí)現(xiàn)［1］。以特高壓直流輸電線路為研究基礎(chǔ)，采用NI-CompactRIO系統(tǒng)和光纖光柵設(shè)備，基于小波理論、單元模態(tài)應(yīng)變能損傷指數(shù)法和支持向量機(jī)的損傷識(shí)別方法建立特高壓輸電線路健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 基于NI-CompactRIO的輸電塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)

輸電塔體系是由高聳的桿塔結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線連接組成的一種高柔度結(jié)構(gòu)，可歸結(jié)為張力索塔結(jié)構(gòu)。健康監(jiān)測(cè)包含結(jié)構(gòu)靜態(tài)監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)靜態(tài)監(jiān)測(cè)包含位移監(jiān)測(cè)、傾角監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)；結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)監(jiān)測(cè)為加速度監(jiān)測(cè)。

1.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)嵌入式機(jī)器控制和監(jiān)控應(yīng)用，NI cRIO-9074集成化系統(tǒng)將實(shí)時(shí)處理器、可重新配置FPGA結(jié)合于同一機(jī)箱，具有針對(duì)NI-C系列I/O模塊的8個(gè)槽，并集成了400MHz工業(yè)實(shí)時(shí)處理器、200萬(wàn)門FPGA；使用LabVIEW自動(dòng)生成自定義控制和信號(hào)處理電路［2］；此外，測(cè)量、控制等領(lǐng)域，還有其他多樣的工具包，以上的工具包可以令使用者得到其所想使用的多數(shù)功能。

1.3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)分別為L(zhǎng)abVIEWFPGA程序、LabVIEW Real-Time（RT）程序以及LabVIEW Host人機(jī)界面（上位機(jī)程序），如圖1所示。系統(tǒng)人機(jī)界面部分由上位機(jī)程序完成：其核心思想是采用狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，在程序運(yùn)行時(shí)，循環(huán)每迭代一次，循環(huán)結(jié)構(gòu)就從“任務(wù)隊(duì)列”中取出一個(gè)任務(wù)，然后由條件結(jié)構(gòu)根據(jù)該任務(wù)的名稱選擇并進(jìn)入相應(yīng)的分支，執(zhí)行該任務(wù)，使用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，程序運(yùn)行更加高效，程序可移植性強(qiáng)［3］。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2 輸電桿塔損傷識(shí)別方法研究

2.1 無損檢測(cè)

無損傷檢測(cè)（Non Destructive Testing，NDT）是在不影響結(jié)構(gòu)正常使用功能的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)診斷。針對(duì)輸電角鋼鐵塔，是指判斷是否存在損傷以及對(duì)損傷的定位。

2.2 單元模態(tài)應(yīng)變損傷指數(shù)

式中：EI（x）為截面抗彎剛度；M（x）為截面彎矩；φ″為結(jié)構(gòu)橫向位移的二次導(dǎo)數(shù)。

梁上任意點(diǎn)的橫向位移都可以利用Hermite三次形狀函數(shù)，由兩端節(jié)點(diǎn)位移（φi，θi），（φj，θj）來描述：

對(duì)（2）式求兩次微分，并轉(zhuǎn)換成矩陣形式為

將（3）式帶入（1）式中，整理得到

其中

可以看出只被單元幾何尺寸這個(gè)元素約束。單元模態(tài)應(yīng)變損傷指數(shù)可以定義為

式（7）展現(xiàn)了一種方法，直接可以得到計(jì)算單元模態(tài)應(yīng)變能，而不需要通過計(jì)算模態(tài)曲率，有效地避免了傳統(tǒng)方法計(jì)算模態(tài)曲率時(shí)，所產(chǎn)生的數(shù)值微分誤差。通過測(cè)量振型位移值，再經(jīng)過泰勒展開，模態(tài)曲率經(jīng)整理后得到

式中：φ（xi-1）、φ（xi）和φ（xi＋1）為測(cè)點(diǎn) xi-1、xi和 xi＋1振型位移，h為測(cè)點(diǎn)間距。式（8）的求解方法被稱為中心差分法，因?yàn)橛蠴（h2）的出線，在計(jì)算過程中會(huì)產(chǎn)生截?cái)嗾`差，這樣的計(jì)算得到的φ″（xi）是一種近似。同時(shí)，還要保證測(cè)點(diǎn)間距h必須為定值，即間距相等：

式中：Δl為桿單元軸向長(zhǎng)度變化；FN為軸力。

在線彈性范圍內(nèi)，由胡克定律

式中：EA為截面拉壓剛度；l為桿長(zhǎng)。最終可以得到桿單元模態(tài)應(yīng)變能為

Δl采用桿單元兩端節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算得到，即Δl2＝（x2－x1）2＋（y2－y1）2＋（z2－z1）2，其中位移值為兩端節(jié)點(diǎn)在模態(tài)下的坐標(biāo)。

理論模型采用兩跨連續(xù)梁，兩跨均為1 000mm，總長(zhǎng)2 000mm。在ANSYS中建立有限元模型進(jìn)行模擬，為兩跨連續(xù)簡(jiǎn)支梁，梁寬76.2mm，高6.35mm。應(yīng)用3D線性梁?jiǎn)卧狟eam4對(duì)其進(jìn)行建模。工況三損傷前后一階振型值及其差值，只能判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷但無法對(duì)損傷位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。可見，直接基于振型的識(shí)別方法效果不甚理想。

2.3 輸電塔模型

在現(xiàn)實(shí)中，對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)的健康情況進(jìn)行診斷，可只計(jì)算主柱單元EMSDI指數(shù)差。按桿單元模態(tài)應(yīng)變能計(jì)算，將斜桿劃分為桿單元，此時(shí)共有40個(gè)單元，單元37發(fā)生損傷。圖2為模型示意圖。

圖2 輸電塔截?cái)嗄Ｐ陀邢拊Ｐ?/p>

2.4 工程應(yīng)用價(jià)值

試驗(yàn)表明，在處理單處損傷問題時(shí)，單元模態(tài)應(yīng)變能損傷指數(shù)法可以達(dá)到較好的效果，而在處理多處損傷問題時(shí)，尤其是當(dāng)多處損傷位置比較接近的情況下，則無法取得比較好的效果。

3 角鋼塔健康監(jiān)測(cè)及損傷識(shí)別模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

利用光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)角鋼塔架結(jié)構(gòu)主材、斜材構(gòu)件關(guān)鍵部位在正弦信號(hào)等激勵(lì)作用下的應(yīng)變響應(yīng)，判別結(jié)構(gòu)是否處于健康狀態(tài)，同時(shí)探討利用光纖光柵傳感器對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的可行性；模擬結(jié)構(gòu)損傷的方法為在模型主材構(gòu)件上切口或?qū)⑿辈牟鸪⒉杉駝?dòng)過程中的加速度信號(hào)。

試驗(yàn)工況：A完好，B桿件g7失效，C桿件g8失效，D桿件Ⅴ損傷，E桿件Ⅵ損傷，F(xiàn)桿件Ⅴ、Ⅵ同時(shí)損傷。為得到與結(jié)構(gòu)基頻相近的激振力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，每種結(jié)構(gòu)狀態(tài)下進(jìn)行13～18 Hz頻率下的正弦激振試驗(yàn)，此時(shí)識(shí)別效果較好。模型結(jié)構(gòu)各桿件編號(hào)如圖3所示。試驗(yàn)工況以結(jié)構(gòu)狀態(tài)+激振頻率命名，例如結(jié)構(gòu)狀態(tài)為B，激振頻率15.4 Hz的工況名為B15.4，其他工況以此類推。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛦卧獎(jiǎng)澐?/p>

3.2 工程應(yīng)用價(jià)值

應(yīng)用光纖光柵應(yīng)變傳感器及焊接支座的安裝方式能夠有效監(jiān)測(cè)角鋼塔模型主材、斜材、橫材的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可用于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的變形，并對(duì)結(jié)構(gòu)損傷情況進(jìn)行判定。采集加速度傳感器的響應(yīng)曲線，應(yīng)用單元模態(tài)應(yīng)變損傷指數(shù)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別。

4 基于OTDR的輸電導(dǎo)線斷股檢測(cè)

4.1 OTDR測(cè)試原理

光纖的損耗機(jī)理如圖4所示。光纖傳輸?shù)膿p耗，是由于材料會(huì)部分吸收在其內(nèi)部傳輸光波所具有的能量、本身的結(jié)構(gòu)或制作缺陷所致。

圖4 光纖的損耗機(jī)理

式中：L為光纖長(zhǎng)度；P1、P0分別為光纖輸入端、輸出端的光功率值；α表示當(dāng)光在光纖中傳播距離為1 km時(shí)，光產(chǎn)生的衰減量，dB。

4.2 高壓輸電導(dǎo)線斷股、損傷檢測(cè)試驗(yàn)

斷股、損傷模擬系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 斷股、損傷模擬系統(tǒng)

在模擬試驗(yàn)中，鋼管表面牢固地粘貼測(cè)試用傳感光纖，光纖并與兩段鋼管的連接平面成一定的角度。針對(duì)3種不同的損傷擴(kuò)展方式，分別進(jìn)行3種損傷模擬試驗(yàn)：軸向拉伸、水平錯(cuò)動(dòng)一和水平錯(cuò)動(dòng)二，如圖 6 所示［4］。

圖6 三種損傷擴(kuò)展試驗(yàn)

圖7 試驗(yàn)前后OTDR測(cè)試曲線

如圖7所示，應(yīng)用OTDR技術(shù)可以檢測(cè)損傷模擬系統(tǒng)的損傷測(cè)。隨著輸電導(dǎo)線兩端所受的拉力的增加，損傷處的縫隙寬度不斷增大，引起相應(yīng)部位測(cè)試光纖的彎折程度變大，測(cè)得的光損耗也隨之上漲是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因［5］。

5 結(jié)語(yǔ)

重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如何保證輸電線路運(yùn)行的可靠性與安全性，以及其對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)效果，得到研究成果及結(jié)論。輸電線路是由高聳的桿塔結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線連接組成的一種高柔度結(jié)構(gòu)，可歸結(jié)為張力索塔結(jié)構(gòu)；輸電塔損傷識(shí)別模型和理論是保證輸電塔健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確提供輸電線路運(yùn)行信息的可靠保證；針對(duì)輸電桿塔桿件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、損傷模式千差萬(wàn)別，如何選取一種有效的輸電桿塔損傷識(shí)別方法是輸電線路健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵和核心；對(duì)現(xiàn)有的檢測(cè)高壓輸電導(dǎo)線斷股、損傷技術(shù)所產(chǎn)生的不完善的地方進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，另外還對(duì)輸電導(dǎo)線產(chǎn)生斷股、損傷的原因進(jìn)行了論述，尋找一種切實(shí)可行的、能大面積推廣的輸電導(dǎo)線斷股、損傷的檢測(cè)方法在未來的研究工作中。