输电线路实时监测技术研究

张军伟，张卫东，翟 乐，肖雪峰，韩 磊

（1.国核电力规划设计研究院，北京 100095；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；3.国网山东省电力公司建设公司，山东 济南 250001；4.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博 255032）

0 引言

电力在国民经济建设中有着举足轻重的地位。输电线路一旦遭到破坏，不仅会造成巨额的直接或间接损失，还会引发火灾等次生灾害，输电塔作为电力系统输电部分的重要组成设施，其健康状况直接关系电力系统正常功能的实现［1］。以特高压直流输电线路为研究基础，采用NI-CompactRIO系统和光纤光栅设备，基于小波理论、单元模态应变能损伤指数法和支持向量机的损伤识别方法建立特高压输电线路健康实时监测系统。

1 基于NI-CompactRIO的输电塔监测系统

1.1 系统监测目标

输电塔体系是由高耸的杆塔结构和导线连接组成的一种高柔度结构，可归结为张力索塔结构。健康监测包含结构静态监测和结构动态响应监测。结构静态监测包含位移监测、倾角监测和应力监测；结构动态响应监测为加速度监测。

1.2 健康监测系统构成

为实现嵌入式机器控制和监控应用，NI cRIO-9074集成化系统将实时处理器、可重新配置FPGA结合于同一机箱，具有针对NI-C系列I/O模块的8个槽，并集成了400MHz工业实时处理器、200万门FPGA；使用LabVIEW自动生成自定义控制和信号处理电路［2］；此外，测量、控制等领域，还有其他多样的工具包，以上的工具包可以令使用者得到其所想使用的多数功能。

1.3 健康监测系统功能

监测系统的软件架构分别为LabVIEWFPGA程序、LabVIEW Real-Time（RT）程序以及LabVIEW Host人机界面（上位机程序），如图1所示。系统人机界面部分由上位机程序完成：其核心思想是采用状态机架构，在程序运行时，循环每迭代一次，循环结构就从“任务队列”中取出一个任务，然后由条件结构根据该任务的名称选择并进入相应的分支，执行该任务，使用状态机结构，程序运行更加高效，程序可移植性强［3］。

图1 监测系统软件架构

2 输电杆塔损伤识别方法研究

2.1 无损检测

无损伤检测（Non Destructive Testing，NDT）是在不影响结构正常使用功能的前提下，对结构的健康状况进行检测诊断。针对输电角钢铁塔，是指判断是否存在损伤以及对损伤的定位。

2.2 单元模态应变损伤指数

式中：EI（x）为截面抗弯刚度；M（x）为截面弯矩；φ″为结构横向位移的二次导数。

梁上任意点的横向位移都可以利用Hermite三次形状函数，由两端节点位移（φi，θi），（φj，θj）来描述：

对（2）式求两次微分，并转换成矩阵形式为

将（3）式带入（1）式中，整理得到

其中

可以看出只被单元几何尺寸这个元素约束。单元模态应变损伤指数可以定义为

式（7）展现了一种方法，直接可以得到计算单元模态应变能，而不需要通过计算模态曲率，有效地避免了传统方法计算模态曲率时，所产生的数值微分误差。通过测量振型位移值，再经过泰勒展开，模态曲率经整理后得到

式中：φ（xi-1）、φ（xi）和φ（xi＋1）为测点 xi-1、xi和 xi＋1振型位移，h为测点间距。式（8）的求解方法被称为中心差分法，因为有O（h2）的出线，在计算过程中会产生截断误差，这样的计算得到的φ″（xi）是一种近似。同时，还要保证测点间距h必须为定值，即间距相等：

式中：Δl为杆单元轴向长度变化；FN为轴力。

在线弹性范围内，由胡克定律

式中：EA为截面拉压刚度；l为杆长。最终可以得到杆单元模态应变能为

Δl采用杆单元两端节点位移计算得到，即Δl2＝（x2－x1）2＋（y2－y1）2＋（z2－z1）2，其中位移值为两端节点在模态下的坐标。

理论模型采用两跨连续梁，两跨均为1 000mm，总长2 000mm。在ANSYS中建立有限元模型进行模拟，为两跨连续简支梁，梁宽76.2mm，高6.35mm。应用3D线性梁单元Beam4对其进行建模。工况三损伤前后一阶振型值及其差值，只能判断结构发生损伤但无法对损伤位置进行准确定位。可见，直接基于振型的识别方法效果不甚理想。

2.3 输电塔模型

在现实中，对输电塔结构的健康情况进行诊断，可只计算主柱单元EMSDI指数差。按杆单元模态应变能计算，将斜杆划分为杆单元，此时共有40个单元，单元37发生损伤。图2为模型示意图。

图2 输电塔截断模型有限元模型

2.4 工程应用价值

试验表明，在处理单处损伤问题时，单元模态应变能损伤指数法可以达到较好的效果，而在处理多处损伤问题时，尤其是当多处损伤位置比较接近的情况下，则无法取得比较好的效果。

3 角钢塔健康监测及损伤识别模型试验

3.1 试验内容

利用光纤光栅应变传感器监测角钢塔架结构主材、斜材构件关键部位在正弦信号等激励作用下的应变响应，判别结构是否处于健康状态，同时探讨利用光纤光栅传感器对输电塔结构进行健康监测的可行性；模拟结构损伤的方法为在模型主材构件上切口或将斜材拆除，并采集振动过程中的加速度信号。

试验工况：A完好，B杆件g7失效，C杆件g8失效，D杆件Ⅴ损伤，E杆件Ⅵ损伤，F杆件Ⅴ、Ⅵ同时损伤。为得到与结构基频相近的激振力状态下的结构响应，每种结构状态下进行13～18 Hz频率下的正弦激振试验，此时识别效果较好。模型结构各杆件编号如图3所示。试验工况以结构状态+激振频率命名，例如结构状态为B，激振频率15.4 Hz的工况名为B15.4，其他工况以此类推。

图3 试验模型单元划分

3.2 工程应用价值

应用光纤光栅应变传感器及焊接支座的安装方式能够有效监测角钢塔模型主材、斜材、横材的应变监测，监测结果可用于评价结构的变形，并对结构损伤情况进行判定。采集加速度传感器的响应曲线，应用单元模态应变损伤指数法对结构进行损伤识别。

4 基于OTDR的输电导线断股检测

4.1 OTDR测试原理

光纤的损耗机理如图4所示。光纤传输的损耗，是由于材料会部分吸收在其内部传输光波所具有的能量、本身的结构或制作缺陷所致。

图4 光纤的损耗机理

式中：L为光纤长度；P1、P0分别为光纤输入端、输出端的光功率值；α表示当光在光纤中传播距离为1 km时，光产生的衰减量，dB。

4.2 高压输电导线断股、损伤检测试验

断股、损伤模拟系统如图5所示。

图5 断股、损伤模拟系统

在模拟试验中，钢管表面牢固地粘贴测试用传感光纤，光纤并与两段钢管的连接平面成一定的角度。针对3种不同的损伤扩展方式，分别进行3种损伤模拟试验：轴向拉伸、水平错动一和水平错动二，如图 6 所示［4］。

图6 三种损伤扩展试验

图7 试验前后OTDR测试曲线

如图7所示，应用OTDR技术可以检测损伤模拟系统的损伤测。随着输电导线两端所受的拉力的增加，损伤处的缝隙宽度不断增大，引起相应部位测试光纤的弯折程度变大，测得的光损耗也随之上涨是产生这种现象的主要原因［5］。

5 结语

重点研究结构健康监测系统如何保证输电线路运行的可靠性与安全性，以及其对结构的监测效果，得到研究成果及结论。输电线路是由高耸的杆塔结构和导线连接组成的一种高柔度结构，可归结为张力索塔结构；输电塔损伤识别模型和理论是保证输电塔健康监测系统准确提供输电线路运行信息的可靠保证；针对输电杆塔杆件众多，结构复杂、损伤模式千差万别，如何选取一种有效的输电杆塔损伤识别方法是输电线路健康监测的关键和核心；对现有的检测高压输电导线断股、损伤技术所产生的不完善的地方进行了简要分析，另外还对输电导线产生断股、损伤的原因进行了论述，寻找一种切实可行的、能大面积推广的输电导线断股、损伤的检测方法在未来的研究工作中。