黄金柱1 熊星发2 郭建伟3 马强 金瑜
国网宁夏电力有限公司固原供电公司 宁夏固原 756000
【摘要】特高压输电线路在建设的过程中，必然要经过煤矿、软土、山坡、河床等特殊区域，并受到地形、线路结构、线路等因素与自然灾害的影响。且曾发生过高塔发生歪斜、变形甚至倒塌等安全事故。所以，如何分析输电线路塔架的安全运行就成为一个亟待解决的问题。本文输电线路铁塔应力分析及在线监测技术进行研究。
关键词：输电线路；铁塔应力分析；在线检测技术
0.引言
伴随着工业自动化的发展工业中对电力需求越来越大。输电线路既是电网的重要设施，又是电网安全可靠运行的主要动力。在这些措施中，输电塔是接地线的重要支撑，其安全性是保证电网安全稳定运行的基础。但随着电网规模的扩大和电压等级的提高，其运行条件也变得越来越复杂。一般情况下，输电塔都是在严酷的环境中运行，如冰块、风荷载、电力线路等，这样很容易损坏铁塔，导致塔身倾斜，塔身下沉，塔身材料变形。一般情况下，在常规手工检查中不能及时发现。在塔机发生故障时，电路已处于危险状态，对电路的可靠运行构成严重威胁。
1.输电铁塔安全状态分析技术的现状
当前，国内外许多学者都在输电塔的基本理论和实验方面做了大量的研究，取得了显著的成果。对输变电设施的安全状况进行评估，一般认为在其操作台上安装在线监控系统是可行的。对输变电塔进行安全监测，主要是对输变电塔的倾角、倾角传感器、变电塔的变形和对输变电塔的监测。它们能取代传统的监控技术与机器人监控，但它只能对塔力和负载平衡产生间接反应，不能进一步分析塔体。目前测量方法以电子传感器为主，敏感信号易受恶劣环境干扰。
杨福耀等研究了我国角钢在输电线路上的应用及低温性能，对角钢Q235和Q345北方输电线路的低温性能进行了深入研究。对我国输电线角钢的发展与应用具有一定的参考价值。刘艳等人对高分辨率 SAR的目标特性和目标识别技术进行了研究，并应用峰值检测算法对特高压输电塔及其变形进行了有效识别。
利用 SAR目标识别技术周克宏等人对高压塔变形进行监测是可行的。基于倾角传感器，他们设计了在线监测输电塔倾角的系统。该倾角模型通过收集塔架的垂直角度和横向倾角，可计算出塔架水平向上和向前的倾角，并可计算出塔架综合倾角。通过计算分析，得出了解塔的倾角，并对解塔过程中可能出现的故障进行了分析，预测了解塔的安全性。
2.输电铁塔应力应变监测技术分析
铁塔在线监测技术是通过应力、应变、位移、角度等局部信号反映结构损伤的严重程度和位置，并对其组成特征进行分析。应力应变监测是最直接、有效的方法。塔体应力是钢筋受外力作用时产生的内力。它反映了杆的内力，从而直接反映出塔体的安全状态。因此，塔体应力应变监测一直是国内外研究的热点。随着传感器技术、通信技术和计算机的发展，应力应变监测技术得到了迅速发展。目前，应力测量主要有三种方法：电测、目测和光学测量。
2.1电学测量法
应变效应最早由英国物理学家于1856年提出，但直到第二次世界大战，美国科学家才成功研制出粘贴式电阻应变片。电阻应变片首先应用于航空工业，其性能优异，易于测量，在机械、汽车、民用、电子工程等领域得到了广泛的应用。但它仍存在许多缺陷：1)寿命短，易腐蚀，不能用于分布式测量。2)铺设过程和信号处理系统复杂。3)电路稳定性差，耐久性差，易受到电磁干扰。电阻应变计灵敏度高，属于接触式测量，但只能测量表面张力，测量精度受信赖度调节电路的影响，易受到电磁干扰，适用于一般场合。
2.2视觉测量法
计算机视觉起源于20世纪50年代统计模式识别领域，主要用于各种图像的字符识别、分析和解释。迄今为止，它已广泛应用于工业生产自动化、各种检测、人机交互等领域。视觉测量是计算机技术、图像采集技术和图像处理技术相结合的先进系统。例如，双目视觉测量方法利用CCD相机等图像采集装置捕捉不同视觉条件下物体的二维图像，获取特征点的三维坐标信息，利用计算机进行灰度处理、匹配分析和计算，最后利用有限元法。
应变计算方法得到应力和应变信息.然而，仍然存在一些紧迫的问题：1）如何迅速和准确地确定目标。2）如何设计一个稳定可靠的图像处理系统。3）如何构造一种可靠、快速、有效的辨识算法。外观检查是一种非接触式测量方法。测量系统可以移动，但测量精度将受到相机性能的影响。
2.3光学测量法
随着测量技术的飞速发展，特别是光纤传感技术在20世纪70年代中期的应用，光学测量方法的应力应变监测已基本实现。在早期,光纤光栅传感器主要用于桥梁安全监测。近年来，光纤陀螺传感技术在电力系统中得到了广泛的应用。例如，利用马国明等人在华北电力大学开发的光纤光栅拉力角传感器对输电线路的结冰状态进行监测，基于该传感器的监测系统可实现准分布式测量，其测量范围可达 100km。在应变测量领域，美国海军成功地设计了一套光纤光栅传感器系统，用于监测船舶在电力系统中的轴承壳变形和疲劳损坏情况，取得了良好的效果。随着光纤的发展和光通信技术的应用，光纤传感技术在各行各业得到了广泛应用。应变测量是通过在主体表面或嵌入式结构表面安装光栅应变计来完成的。当物体在外力作用下变形时，应变计随测点位置的变化而变化，导致周期性和折射率的改变，反射光的波长也可以改变和解调。尽管光纤传感技术发展迅速，但仍然存在一些问题。温度和应变的交叉灵敏度以及它们如何分离直接影响应变测量的准确性。光纤传感信号的解调是制约光纤传感器发展的重要因素，因为传感器的体积主要受波长变化的影响。光纤光栅传感器作为全光无源器件，具有抗电磁干扰、结构简单、灵敏度高、可重复使用等特点。只要设计合理，光纤光栅解调系统具有传感器点的合理布置。基于光纤传感技术的测量是应力应变监测技术中一种很有前途的方法。
3.输电杆塔受力分析及研究现状
二十世纪八十年代中期，随着我国第一代输电铁塔应力计算软件的成功开发， 对变电塔的分析进入了一个新的时代。 该软件只需输入相应节点和极点的必要信息即可设计和计算，大大提高了工作效率。
在青海电网设计院， 采用有限元分析软件ANSYS对输电塔钢框架结 构模型和桁架混合模型的静强度和特性进行了分析。 分析表明，刚架模型的最大组合位移和应力的变化与桁架混合模型基本相同， 且均发生在90余度的强风条件下。
文献[5]研究了覆冰条件下输电杆件的失效模式和系统可靠性。 以输电杆塔的厚度为控制量，求得其破坏模式和冰厚度， 并对其不平衡张力进行数值计算，使最终的冰覆盖厚度接近设计值。 然后，利用随机有限元法得到失效模式下各单元的极限状态方程。 同时研究了输电杆件在顺风载荷和侧风载荷共同作用下的主要失效模式及其基本风压。 通过建立空间桁架有限元模型，建立了顺风和横风载荷的仿真模型。 用ANSYS建立了面向220kV双环紧凑型角塔的梁、桁架复合模型。 然后将仿真结果与实际位移和应力结果进行比较，确定了模型的可靠性。 利用ANSYS建立了1000kV超高压输电杆塔的有限元模型。 通过沉降、位移、倾角等因素分析了矿区输电塔内力的变化， 确定了不同工况下输电塔的基本变形值。 结果表明，在90°、60°大风、10mm覆冰条件下， 60°大风1000千伏输电杆塔的地基沉降、位移和倾斜度均为最小。
4.结束语
由于我国地域环境多变，超高压和特高压输电线路的建设过程中，输电线路跨度大、距离远,且大多位于山区野外。在恶劣的自然环境和外部条件的影响下，塔基容易发生倾斜、断裂和变形。从而造成塔基下沉,甚至倒塌和破裂。因此本文就输电铁塔安全状态分析技术的现状、应力应变监测技术、输电杆塔受力分析及研究现状进行分析，希望可以为行业提供参考，解决相应问题。
参考文献
[1]彭家宁，汤涛.基于ANSYS输电铁塔覆冰屈曲分析[J].广西电力，2012，35（05）：49-52.
[2]熊铁华，梁枢果，邹良浩.风荷载下输电铁塔的失效模式及其极限荷载[J].工程力学，2009，26（12）：100-104+111.
[3]龚靖，王永益，毛雨，等.紧凑型输电铁塔静力性能研究[J].水电能源科学，2011，29（12）：167-169.
[4]杨风利，杨靖波，韩军科，等.煤矿采空区基础变形特高压输电塔的承载力计算[J].中国电机工程学报，2009，29（01）：100-106.
[5]熊铁华，侯建国，安旭文，等.覆冰荷载下输电铁塔体系可靠度研究[J].土木工程学报，2010，43（10）：8-13.
[6] 杨富尧, 李现兵, 陈新, 等. 输电铁塔用角钢的应用及低温服役性能研究[J].中国电机工程学报, 2013, 33(1): 117-122.
[7] 刘艳, 胡毅, 王力农, 等. 高分辨率 SAR 卫星监测特高压输电铁塔形变[J]. 高电压技, 2009, 35(9): 2076-2079.
[8] 周柯宏, 张烨, 舒佳, 等. 输电线路杆塔倾斜度在线监测系统[J]. 广东电力,2013, 26(7): 57-60.