输电铁塔稳定性及其在线监测分析探讨

中国电建集团重庆工程有限公司 蒋炳林

输电铁塔是电力系统的重要组成部分，在输电铁塔工作时，其会受到气候、地质等因素的影响，这些因素都不利于输电铁塔的稳定工作。除此之外，人为因素也会给输电铁塔带来影响，例如市政施工导致输电铁塔的根部受到影响，不利于输电铁塔的正常服务。基于此，本文对输电铁塔稳定性和在线监测展开分析。工作时分别对铁塔的基本情况、稳定性进行研究，再对在线监测展开分析，从而提高输电铁塔的可靠运行，满足相关行业的健康发展。

1 输电铁塔的一般概述

1.1 铁塔介绍

输电铁塔是一种铁质塔形的构筑物，其基础为混凝土灌注桩基础或独立混凝土基础，上部结构主要为钢结构。在工作时，输电铁塔会承担架空输电线路的承载和架空地线的承载，同时要保证输电铁塔的稳定性及输电线路各导线之间、导线与地线之间的安全距离。通过对输电铁塔的稳定性监测，使其满足电力行业电能安全运输的需求，保证电力行业的稳定发展。表1所示为某输电铁塔的在线监测系统详情[1]。

表1 某输电铁塔的在线监测系统

1.2 输电铁塔的分类

一是送电塔。所谓送电塔又被称为输电塔，其在工作时，主要完成对输电线路的承载，满足送电塔的稳定工作。另外，输电塔在工作时可根据线路的长度和电压等级的不同，可对输电铁塔的高度和结构展开控制，再完成区分工作，提高送电塔的服务能力。

二是变电塔。变电塔主要是负责将高压电转换成低压电，并完成分配和控制。在变电塔工作时，可按照电压等级，分为500kV、220kV、66kV 和35kV。按照电压等级，能保障变电塔保持稳定工作水平。

工作时，还可按照输电铁塔的结构，将输电铁塔进行分类，详细情况分析如下。

一是直线塔。所谓直线塔，是一种基本的电力塔结构，其在应用时，一般会选择钢铁构造，而且其还有结构相对简单、质量相对不重，施工相对简单等特点。

二是角钢塔。这种结构的电力塔，也是一种常见的电力塔类型。其在工作时增加了横担和挂点等组件，能保障角钢塔在服务时发挥相应作用。其在应用时，有适用范围广、强度相对较高，还有稳定性相对较好等特点。

三是桁架塔。输电铁塔在工作时，桁架塔是一种相对复杂的结构类型，其具有较大的承载力。虽然优势相对明显，但是在制造时，难度相对较大，还要进行设计、制造和施工的精细化管理，经过管理，能提高桁架塔的功用[2]。

后续在分类时，还可以通过材料进行划分，能划分为钢铁塔、混凝土塔、合成材料塔等类型。还可以按照形状完成分类，能分为直线型电力塔、斜拉线电力塔等类型。

2 输电铁塔的稳定性研究

2.1 分析方法

静力分析方法。这种稳定性分析方法，主要根据力的平衡条件与力矩平衡条件，分析时，需要对输电铁塔的垂直度、水平度和倾斜度参数展开分析，要保障输电铁塔的稳定性能得到控制。

动力分析方法。这种方法在应用时，在外部风荷载、雪荷载、覆冰荷载和自振荷载的前提下，能完成铁塔对外界的响应进行分析。

2.2 影响因素

一是外部因素。在输电铁塔工作时，输电铁塔会受到外界因素的影响。因为外界因素具有一定的不可控性，所以在分析外界因素时，需要注意对外界因素的监测和及时反应。外界因素主要包括：风、雨、雪、冰等自然条件。这些因素都会影响输电铁塔的稳定性。

二是地质环境因素。这类因素也是影响输电铁塔的主要因素，地质环境因素包括：基础形式、地基土质、地下水位、地形条件、边坡形式等因素。

三是铁塔自身的因素。输电铁塔自身的因素也会给稳定性带来影响。有应力集中、受力不均、过早腐蚀等，自然就影响了输电铁塔的稳定性[3]。

2.3 控制措施

一是基础的控制。在输电铁塔工作时，想要提升输电铁塔的稳定性，应对输电铁塔的基础进行控制。在输电铁塔建设时，需要先做好前期设计，并在设计前，展开前期翔实勘察工作，通过前期勘察，能保障设计水平的提升。从而确保基础设计的可靠性，通过基础的控制，能保证输电铁塔的稳定性。

二是提高铁塔本身的稳定性。在输电铁塔工作时，要对输电铁塔自身的稳定性进行控制。例如，在设计时对输电铁塔的结构形式和材料进行优选，保障结构和材料处于较好的工作水平，从而提高输电铁塔的服务作用。

三是针对输电铁塔所处的自然环境，要对输电铁塔所处的自然环境进行研究，主要借助设计提供的区域气象水文资料和实地调查。先明确区域气候的基本情况，再以气候变化为基础，提高输电铁塔的服务作用。工作中，可针对可变气候，采取适宜的控制措施。例如，应对自然环境中的大风天气时，可根据自然环境中的风，设计时考虑输电线路项间距、弧垂、垂摆等因素，采取适宜的防风减振措施，通过对防风减振措施的应用，降低风对输电线路和输电铁塔带来的影响，提高输电铁塔的安全服务能力[4]。

3 输电铁塔的在线监测

3.1 监测主要参数

主要通过对输电铁塔以下参数变化情况进行监测：一是基础位移及沉降；二是边坡位移及沉降；三是接地电阻值变化；四是铁塔构件连接螺栓扭力变化；五是铁塔倾斜度变化；六是输电导线张力变化。通过监测到的参数变化情况，及时作出判断，进而采取措施消除潜在风险。

3.2 监测系统结构

主要对输电铁塔的在线监测展开分析，借助分析能得到监测系统的结构框图，再按照结构框图的基本情况，完成输电铁塔的监测工作。详细情况如图1所示。

图1 输电铁塔的监测系统结构框图

对上述监测系统结构框图进行研究，发现其主要包括监测数据采集单元、监测数据传输单元、数据终端和电源供电单元等部分，保障监测系统在工作时，能先对输电铁塔进行检测，提高输电铁塔的服务作用，再根据监测数据及时判断输电铁塔出现的问题，及时采取可靠措施对输电铁塔进行维护，确保输电铁塔稳定运行。

3.3 数据采集单元

数据采集单元是系统的重要组成部分，其主要是由传感器和设备采集设备的组成，能顺利实现输电铁塔的监测数据采集。

在输电铁塔工作时，想要对输电铁塔异常进行监测，可对各种传感器进行设计，其中可选DH1205型的表面式应变传感器，另外，传感器属于电阻式传感器。这类传感器带基础安装，还能实现重复使用，输电铁塔的传感器灵敏度能达到500με/mV/V，且量程要达到±3000με，还要对工作温度进行管控，工作温度可控制为-20℃～80℃，传感器在工作时，会输出电压信号，能满足输电杆塔的监测需求。至于风向传感器，可以选用SM5388M 型风速风向一体式传感器，其在工作时，风速的量程为30m/s，风速分辨率可控制为0.1m/s，至于风向范围，其可控制为0°～360°至于供电范围，其可控制为DC6V-24V，传感器在使用时，其工作环境的温度范围为-30℃～80℃。风速风向传感器在选择时，能按照上述方式完成选择。

还要对温度传感器进行选择，可选用SM63型百叶箱式气象站传感器，传感器在工作时，温度范围为-40℃～85℃，且测量精度也可被控制，可控制为±0.5℃，测湿范围为0～100%RH，还要对测量精度进行控制，其可被控制为±3%RH，至于供电范围可控制在DC6V～24V，并选择电流信号输出形式，满足电流信号的输出需求。对于输出范围，其可被控制为4～20mA，按照上述方式，能对温度传感器进行控制。

3.4 数据传输单元

在数据采集完成后，还要完成数据的传输工作，只有实现数据的顺利传输，才能满足监测系统的稳定运行。在数据传输单元中，其主要负责对各类传感器的输出信号传递，先将数据传递到采集仪上，然后再由数据采集仪，完成对监测数据A/D 转换、数据汇总等功能，最后将通信串口连接到数据通信单元上，从而满足数据传输的需求。

在数据采集仪应用时，可以选择DH2002多功能实时数据采集系统，该系统在使用时，能满足工作的需求。系统要实现模拟信号的调理、A/D 信号的转换，甚至能实现多头通道的采集、传输功能，并完成同步传输，避免出现死机、漏码等问题，提高数据传输的可靠性。

数据通信单元在选择时，可对USR-G780型4G-DTU 发射模块，这个模块在工作时，可借助SIM 卡登入移动运营的4G 网络，在初始化之后，先完成内网的动态IP 地址获取，再完成信号的通过，至于DTU 内部则要集成TCP/IP 协议实现网络协议的封装，最后再利用4G 网络实现信息的传递，满足信息传递的需求。

3.5 供电单元

在供电单元设计时，可按照图2所示设计框图展开设计。

图2 供电单元的设计框图

设计包括太阳能电池板、充放电控制器、直流蓄电池等内容，保障供电单元设计水平。

3.6 仿真分析

通过仿真分析，可对输电铁塔的薄弱点位置进行研究，需要对环境温度应力监测数据的影响进行控制。试验方法所选择的输电铁塔，需要保持环境相同，再对应变传感器进行设置。然后实测实际温度变化要应变传感器的影响，所得到的数据要减去温漂效应所产生的测量值，进而满足仿真分析的需求。

利用ANSYS 完成仿真分析，其中传感器在布置时，需要按照相应规范完成布置。通过仿真结果，能得到监测系统在工作中，可发现输电铁塔的问题，能保证输电铁塔的异常数据检查，再针对异常数据进行管控，提高输电铁塔的服务作用，降低干扰因素给输电铁塔带来的影响。

4 结语

本文以输电铁塔为研究对象，主要对输电铁塔的稳定性进行研究，首先分析了输电铁塔稳定性的基本情况，包括分析方法，影响输电铁塔稳定性的主要因素；然后针对影响因素，采取适宜控制措施，提高输电铁塔的工作水平，降低影响因素给输电铁塔带来的影响；最后在对输电铁塔在线监测系统的研究，针对输电铁塔监测系统的基本情况，提高对铁塔顺利监测，满足输电铁塔的功能和作用体现。