羅晶，陸佳政，李波，趙純，張紅先

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

正常工況下，鐵塔兩側(cè)的導(dǎo)線張力基本保持平衡。但在鐵塔兩側(cè)導(dǎo)線不均勻時 (如覆冰的情況下)，受力平衡狀態(tài)被破壞，鐵塔兩側(cè)產(chǎn)生張力差，鐵塔會向張力大的一側(cè)發(fā)生傾斜、彎曲，在超過一定允許值后，鐵塔桿件發(fā)生拉、壓破壞，導(dǎo)致鐵塔折斷、倒塌〔1〕。從調(diào)研和統(tǒng)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(chǎn)生的縱向不平衡張力造成的。目前，國內(nèi)外為對抗冰災(zāi)已經(jīng)成功研制了一系列的融冰裝置。但同時又出現(xiàn)了新的問題，融冰過程中，由于線路較長，導(dǎo)線各處的融冰不平衡，導(dǎo)致導(dǎo)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(xiàn)象加劇。因此加強輸電線路桿塔不平衡張力監(jiān)測裝置和桿塔傾斜監(jiān)測裝置的研究，對防災(zāi)和實時監(jiān)控可起到很大的預(yù)警作用。

1 監(jiān)測原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)主要分現(xiàn)場采集部分和監(jiān)控服務(wù)器2個部分。

現(xiàn)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(huán)之間，取代了原來的球頭掛環(huán)，不平衡張力傳感器由一個六方向的角度傳感器結(jié)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(tǒng)構(gòu)成，通過太陽能給系統(tǒng)供電，以無線公網(wǎng)GPRS方式將采集到的角度值發(fā)送到服務(wù)器端。

監(jiān)控部分:監(jiān)控服務(wù)器由1臺PC機構(gòu)成。PC機上安裝了1套桿塔傾斜及不平衡張力的監(jiān)測軟件，軟件的主要作用是將現(xiàn)場的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和判斷，給出預(yù)警值，并向輸電線路運行值班人員報警。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 不平衡張力監(jiān)測硬件設(shè)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(dāng)氣象條件惡化程度發(fā)生變化時，因檔距中架空線的應(yīng)力變化不相等而產(chǎn)生不平衡張力〔2〕，這是一種普遍存在的現(xiàn)象，不管是平原山地，只要有高差、檔距的不同便會產(chǎn)生不平衡張力，當(dāng)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(chǎn)生，氣象條件發(fā)生變化如大風(fēng)引起的不平衡張力，輸電線路出現(xiàn)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(yīng)變片的應(yīng)力傳感器，并且在應(yīng)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(yīng)變片種類繁多，其基本結(jié)構(gòu)大體相似，以金屬絲繞式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)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(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)。

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

1.3 桿塔傾斜監(jiān)測硬件設(shè)計

圖2 電阻絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)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(rèn)桿塔傾斜監(jiān)測的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)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(yīng)用的加速度傳感器SCA100T－D02為主要構(gòu)成元件，配合各種保護(hù)電路、供電單元，以達(dá)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(tǒng)及專家系統(tǒng)設(shè)計

采集基站數(shù)據(jù)功能:將數(shù)據(jù)通過GPRS技術(shù)采集到控制中心服務(wù)器，完成對基層硬件的管理控制，完成數(shù)據(jù)處理分析功能和基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)發(fā)布功能。

數(shù)據(jù)處理分析功能:對采集到的各種參量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。其中包括桿塔實時受力監(jiān)測分析和桿塔傾斜角度監(jiān)測及分析。

桿塔實時受力監(jiān)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(tài)數(shù)學(xué)模型，實時分析數(shù)據(jù)，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(jiān)測絕緣子傾角和風(fēng)向、風(fēng)速等，應(yīng)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(yīng)關(guān)系。

基于B/S信息瀏覽模式:整個系統(tǒng)均采用了B/S模式構(gòu)建，方便整個系統(tǒng)的信息傳達(dá)，應(yīng)用該模式，在系統(tǒng)的廣域網(wǎng)中，不同權(quán)限用戶均可以通過電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)查詢給基站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、圖像，并且可以通過后臺軟件處理用戶自行選擇的數(shù)據(jù)和進(jìn)行分析。同時，通過系統(tǒng)客戶端軟件連接控制各基站系統(tǒng)，為系統(tǒng)信息的公布提供有效平臺。運用B/S模式構(gòu)建的瀏覽系統(tǒng)簡潔易用，用戶可以方便地通過IE瀏覽器獲取現(xiàn)場狀況和實時的監(jiān)測分析結(jié)果，并且可以設(shè)置各類使用者的瀏覽權(quán)限，突出用戶自己關(guān)注的重點。

3 現(xiàn)場使用

該套裝置在湖南柘泉線233號桿塔進(jìn)行了實際應(yīng)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(shù)據(jù)見表1。

數(shù)據(jù)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(yán)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(jiān)測設(shè)備完整地反映了覆冰過程，并且得到了原始數(shù)據(jù)，為今后的工作奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

通過桿塔不平衡張力及桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)、研制和試運行，日常運行中監(jiān)測采集了大量桿塔受力和絕緣子傾斜角度數(shù)據(jù)，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(jìn)一步促進(jìn)了輸電線路防災(zāi)技術(shù)的發(fā)展。

表1 桿塔的不平衡張力變化數(shù)據(jù)表

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

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

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