輸變電工程受力繩索量化預警管控的研究與實踐

宋華松，楊泰朋，萬磊

（國網安徽省電力有限公司建設分公司，合肥230000）

1 引言

鋼絲繩索在使用過程中會根據使用方式產生不同的力，如張力、拉力等，當繩索受力超過其承受的極限值時，繩索將出現斷裂。隨著現代傳感器以及計算機技術的發展，可以通過更多的方式測量繩索的受力，如電磁法等，此外，將傳感器直接固定在繩索上也是一種常用的檢測繩索受力的方式，但這種方式存在安裝困難、維護困難和精度較低等缺陷，因此，研發一種新型的受力繩索量化檢測裝置，對保障輸變電工程中的施工安全具有重要意義。

2 設計原理

輸變電工程中繩索的受力結構如圖1 所示。

圖1 輸變電工程中鋼絲索的受力結構

圖1 中，T為繩索受到的推力；F為繩索受到的拉力，繩索在這3 個力的作用下達到受力平衡。∠α 為繩索兩側拉力的夾角，當繩索不受推力T，僅受拉力F時，∠α 為0°。此時，繩索的狀態為吊裝完畢但尚未開始工作，而推力T則為繩索開始吊裝人員或設備時受到的力，繩索在推力T的作用下開始彎曲，并形成索夾角∠α。基于力學中的受力平衡等理論，繩索受到的推力T的大小應與拉力F的大小成正相關關系，而拉力F過大時，繩索將在拉力的作用下出現延伸變形，如果此時的拉力F繼續增大，則繩索將在拉力的作用下斷裂。

由于拉力F作用在繩索上，因此，通過布置傳感器的方式難以直接測量其數值，以往的通過測量拉力F的數值的方式也被證明實用性不強，存在精度較低的缺陷。但由于推力T與拉力F成正相關關系，因此，可以通過測量推力T的大小，經過反算得到拉力F的大小，而推力T的方向與繩索垂直，且T的方向是α 的角平分線方向，因此，容易測量，通過在推力T所在位置安裝傳感器的方式，并將相應的反算算法植入顯示儀器中，即可實現實時顯示拉力F的數值，同時還可在F過高時進行預警。

根據受力平衡的計算方式，推力T、拉力F與索夾角∠α之間的關系應為T=2Fcos(α/2)，當∠α 固定時，推力T的大小與拉力F的大小成正比，此時拉力F的計算公式為F=T/[2cos(α/2)]，將此公式寫入力傳感器的顯示算法中，即可通過測量推力T來顯示拉力F的數值。

3 裝置構成

本裝置主要為2 部分，由固定式的測量裝置和便攜式的外部顯示器構成（見圖2）。

圖2 固定式測量裝置結構圖

3.1 固定測量裝置

在實際的使用過程中，將該裝置固定在繩索上，操作人員通過旋轉手輪的方式使推索輪與繩索緊密固定，從而將裝置牢固固定在繩索上。當繩索開始受力時，裝置上的傳感器便可以測量推力的數值，同時通過裝置內部芯片中的反算算法計算F的值，并顯示在面板上。

測量裝置除檢測繩索受力的大小外，還可以設定判定程序，以便在繩索受力過大時進行預警。此操作由操作人員在操作面板上完成。操作人員根據所用繩索的受力參數，將其最大受力值輸入測量裝置中，當測量裝置檢測到繩索的拉力F大于最大受力值時，便可以在顯示面板上對操作人員進行聲光預警，從而及時停止操作防止繩索因受力過大導致斷裂[1]。

3.2 嵌入式顯示器

嵌入式顯示器搭載有傳感器接頭，可以與固定在繩索上的力學傳感器拼接并讀取其數據，同時，在繩索受力過大時進行報警，滿足大型輸變電工程中對繩索的臨時測量需求。此外，該傳感器還有以下附加功能：（1）具有USB 接口，可將數據等導出，方便后續的存檔和數據分析工作；（2）可以隨意設置報警界限值和報警方式，并實現在限內和限外的報警；（3）可以在常見的受力單位之間進行換算和顯示，滿足多種數據顯示需求；（4）搭載嵌入式傾斜傳感器，可以在測量繩索受力的同時測量其與地面的相對角度；可以與電腦配套的軟件協同工作，實現數據的存儲、傳遞和測試等。

4 技術關鍵點

本裝置研發以及相關技術使用的過程中，存在以下關鍵點和難點：（1）根據施工單位對數據顯示單位的要求，在幾種常見的力學單位之間進行換算，并將換算后的數據實時顯示在顯示器上；（2）在嵌入式顯示器中搭載水平傳感器，同時利用傳感器實現繩索對地和其他參考平面的夾角的測試，以滿足輸變電施工中的日常檢查等需求；（3）測量繩索的直徑，一般輸變電施工中常用的繩索的直徑在10～22mm，便攜式顯示器應具備測量繩索直徑的功能并將其顯示在顯示器上；（4）通過設定測量裝置的界限值，使其在達到最大受力值時發出聲光報警，同時在顯示屏上進行提示；（5）裝置應有適配的電腦配套軟件，裝置與軟件連接后應當實現數據的傳輸、管理、存檔、分析、報表自動生成以及打印等管理所需的功能；（6）嵌入式顯示器的大小和重量應當控制在普通手機的范圍內，便于攜帶；（7）測量裝置的最大測量范圍應當為100kN，測量精度應不大于6%。

5 實際應用

在完成對所設計裝置的制造、測試以及部署工作后，在金皋線500kV 該輸變電工程中使用所開發的裝置，并檢測該裝置能夠通過實際使用的測試。裝置的部署在金皋線部分作業環境較為復雜的區域進行，通過收集輸變電工程作業中使用的繩索規格以及其受力參數后，將相關參數導入到裝置中，完成裝置的設置并協同操作人員將其部署在繩索上。在部署裝置并進行實際的測驗后，裝置可以實時反映繩索的受力情況，并在繩索達到最大受力值時進行預警。同時裝置的附加功能如單位轉換以及報表顯示等也可以正常工作。

6 結語

本文設計了一種輸變電工程繩索受力預警和管理裝置，通過測量工作中繩索受到的推力的方式反推其受到的拉力，并實現在受力達到最大值時進行預警。經過實際測試，裝置能夠發揮正常作用，滿足輸變電工程中對繩索受力的分析需求。