输电塔台风振动响应在线监测的新型传感器设计

彭 康， 吴新桥， 耿 力， 黄增浩， 张 陵

(1.西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080)

输电塔台风振动响应在线监测的新型传感器设计

彭 康1， 吴新桥2， 耿 力1， 黄增浩2， 张 陵1

(1.西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080)

输电线路塔线体系具有杆塔高、跨距大、柔性强等特点，对极端天气环境激励比较敏感。设计开发了用于输电塔实时在线振动监测的新型加速度传感器节点，使用该传感器对受2016年4号台风“妮妲”影响下的特高压输电塔进行了实时在线监测，获取了台风环境下输电塔的振动响应测试数据。实测结果不仅表明了这种新型传感器性能稳定、数据可靠，同时还验证了传感器的准确性。

输电塔线体系； 现场实验； 台风； 风振响应； 实时在线监测； 传感器节点

0 引 言

对于高压输电线路而言，强风、脱冰、地震等动态载荷对输电线路的安全构成严重威胁是毋庸置疑的事实，也是线路从设计到投入使用十分关注的重大问题。输电线路塔线体系具有杆塔高、跨距大、柔性强等特点。在极端天气条件下，输电线路塔线体系在风振等条件下容易引起跳闸停电、金具损坏、相间短路、杆塔倾斜倒塌、导线折断等严重事故，威胁输电线路的安全运行[1～4]。

迄今为止，国内在风振响应研究领域缺少与实际工况、尤其是恶劣气候环境条件下塔线真实动态特性的比对和验证。究其主要原因，是因为国内目前尚缺少足够恶劣环境下输电线路塔线耦合体系的风振响应实时监测数据[1～4]。因此，开展恶劣环境下输电塔线体系风振响应的现场实时监测，可为输电线路塔线耦合振动的安全性评价和分析提供较为可靠的实测数据支撑和设计参考依据。

1 实验方案

塔线体系的模态和风振响应现场实验是在有限元数值分析的基础上进行的。现场实验主要方案：在台风等恶劣天气出现之前，将传感器节点安装在实验塔的各个测点位置，对各测点的响应实时记录并保存；在测试之后，读取实验数据并进行相应的数据分析。在实验中，要求各传感器安装方便且牢固，能够防雨水，采集数据精确度高，工作时间长，数据存储容量大，并且在传感器安装过程中不会影响实际线路的正常运行。

2 传感器节点设计

在现场实验中使用加速度传感器节点进行实验测试。传统的加速度传感器在安装、数据采集、数据处理等方面都比较成熟，实验结果较为准确。但是传统的加速度传感器在安装时需要用导线将传感器和数据采集器连接，对于运行的输电线路现场环境来说，大量的导线安装固定比较困难，而且存在安全隐患。因此，需要采用无线加速度传感器。目前的无线加速度传感器绝大多数均采用无线ZigBee传输方式将采集的数据通过数据采集器传输到PC端。考虑到输电线路现场的电磁干扰、无线ZigBee传输的传输距离有限及现场供电困难等问题，本文自主设计了用于输电塔实时在线振动监测的大容量自存储加速度传感器节点，如图1所示。

图1 加速度传感器结构图实物图

2.1 微处理器

微处理器模块采用STM32F103处理器，属于意法半导体(ST)公司STM32F系列微控制器，其内核为Cortex—M3。由于实验数据存储量大，因此，使用SD卡对采集的数据进行存储，为节省空间采用16进制存储数据。

2.2 加速度传感器

加速度传感器模块采用MPU6050传感器。该传感器为9轴运动处理传感器，集成了三轴MEMS 陀螺仪、三轴MEMS加速度计。传感器加速度量程为±6gn，分辨率为6.1×10-5gn，采样频率为20 Hz。

2.3 电源管理单元

采用锂离子充电电池为电路提供能量。工作电压为5 V×(1±10 %)。功耗低，续航能力强，续航时间为60 h。

传感器外形为长方体，尺寸125 mm×90 mm×40 mm。采用DIN35 mm导轨安装，导轨用卡槽固定在传感器背面，具体试验中将导轨用尼龙扎带固定在输电塔的各测点，如图2所示。

图2 传感器节点安装示意图

3 传感器验证实验

为确定传感器的准确性和数据处理方法，对自主设计的大容量自存储加速度传感器节点进行实验验证测试图3所示。实验中将传感器节点安装在简支梁上，采用手敲打的方式激励，采集数据并对其进行相应分析，将分析结果同有限元分析结果对比，确定实验设备的准确性和数据处理方法。

图3 实验装置

实验采集的数据如图4所示。

图4 采集的数据

在Matlab中对采集的数据进行频谱分析和PSD法求功率谱。频谱分析结果如图5所示。

图5 频谱分析结果

由频谱分析可以得出简支梁的前四阶频率分别为：21.48，76.17，197.27，311.52 Hz。通过有限元建模并对该简支梁进行模态分析，得到简支梁的前4阶模态为：19.42，77.64，174.71，310.5 Hz。有限元分析和试验分析的结果进行对比，可以说明实验采集的数据是可靠、可信的，实验设备及数据处理方法选择是正确的。

4 现场实验与数据分析

实验针对南方电网广东省能盘线45#塔和湛霞线6#塔进行现场试验。分别在台风(能盘线45#塔)和微风(湛霞线6#塔)环境下进行相应实验。

实验在环境风激励下进行。实验之前需对实验塔进行有限元模态分析，以确定实验中加速度传感器的最佳安装位置和安装数量，如图6所示。实验主要通过现场测试获得输电塔各测试点的加速度数据。根据输电塔上加速度传感器节点的数据以及现场风环境数据进行数据处理分析，进而对输电塔风振开展安全性评价和分析。

台风环境下的实验选在广东省深圳市，实验塔为能盘线45#塔，位于2016年4号台风“妮妲”登陆地大鹏半岛上。微风环境下的实验选在广东省湛江市，实验塔为湛霞线6#塔。根据确定的实验方案进行现场实验，实验中各加速度传感器节点依次安装。

实验现场将加速度传感器节点依次用尼龙扎带固定在输电塔上各测点位置，记录各加速度传感器节点的安装位置以及开始测试的时间；各测点布置方案是在有限元模态分析的基础上得到的，如图6所示[7]。根据现场条件，微风环境实验实际测试时间为2.5 h，台风环境实验实际测试时间为40 h。

图6 实验测点位置

实验塔均为双回路直线塔，测点布置方案一致。针对台风和微风环境下地线横担、中横担和塔身最顶端三个测点即测点2、测点6、测点9进行对比分析。对测得的数据进行初步处理后得到各测点的响应进行分析。

台风环境下能盘线45#塔测点2、测点6、测点9的x方向(垂直导线方向)响应分别如图7所示。

图7 能盘线45#塔在不同测点响应结果

微风环境下湛霞线6#塔测点2、测点6、测点9的x方向(垂直导线方向)响应如图8所示。

图8 湛霞线6#塔不同测点响应结果

对比图7和图8可以看出：在风环境下同一输电塔的不同测点的响应虽幅值存在差异，但形态基本保持相同，且曲线形态与台风风速大小保持一致。对于同位置测点而言，微风环境下塔身的风振响应较小且比较平稳，而台风环境下的塔身风振响应曲线前半程与微风环境下的响应相比要高出一个数量等级，其后半程与微风环境下的响应相比则在同一数量等级，幅值略大于微风环境的响应。

5 结 论

为了对输电线路塔线体系实时监测与评估，本文设计开发了新型加速度传感器节点对输电线路塔线体系进行现场风环境响应的实时监测，得到了环境激励下的加速度响应。通过实验室验证传感器采集数据的正确性和准确性。并且在运行的输电线路进行现场实验，初步分析现场实验数据合理，可用于输电线路风振响应分析。该传感器节点在输电线路现场实验中能够得到很好的应用。本设计已获得了国家实用新型专利[8]。

致 谢:

本文由南方电网科学研究院有限责任公司支持完成。

[1] 李春祥，李锦华，于志强.输电塔线体系抗风设计理论与发展[J].振动与冲击，2009，28( 10):15-25，222-223.

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[3] 李宏男，白海峰．高压输电塔-线体系抗灾研究的现状与发展趋势[J]．土木工程学报，2007，40(2)：39-46．

[4] 郭 勇．大跨越输电塔线体系的风振响应及振动控制研究[D]．杭州：浙江大学，2006．

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[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，杜晓峰，田万军，等．500 kV淮蚌线淮河大跨越输电塔振动测试与模态识别[J]．中国电力，2009，42(2)：30-33．

[8] 吴新桥，彭 康，程建伟,等.加速度传感器检测设备:中国,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，硕士研究生，主要研究方向为输电线路塔线体系结构分析。

张 陵(1957-)，男，通讯作者,教授,主要从事机械系统非线性动力学与控制、工程结构抗震与控震实用技术研究工作，E—mail：zhangl@mail.xjtu.edu.cn。