输电线路杆塔不平衡张力及倾斜监测装置的研究

罗晶，陆佳政，李波，赵纯，张红先

(1．湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007;2．国家电网公司输变电设备防冰减灾重点实验室，湖南长沙 410007)

正常工况下，铁塔两侧的导线张力基本保持平衡。但在铁塔两侧导线不均匀时 (如覆冰的情况下)，受力平衡状态被破坏，铁塔两侧产生张力差，铁塔会向张力大的一侧发生倾斜、弯曲，在超过一定允许值后，铁塔杆件发生拉、压破坏，导致铁塔折断、倒塌〔1〕。从调研和统计资料看，2008年湖南输电线路90%左右的倒塔都是由于不均匀覆冰以及不均匀脱冰产生的纵向不平衡张力造成的。目前，国内外为对抗冰灾已经成功研制了一系列的融冰装置。但同时又出现了新的问题，融冰过程中，由于线路较长，导线各处的融冰不平衡，导致导线脱冰不均匀并引起舞动，杆塔所承受的拉力等明显变化，不平衡现象加剧。因此加强输电线路杆塔不平衡张力监测装置和杆塔倾斜监测装置的研究，对防灾和实时监控可起到很大的预警作用。

1 监测原理及系统构成

1.1 系统结构

监测系统主要分现场采集部分和监控服务器2个部分。

现场采集部分:由安装在输电线路杆塔上的传感器采集装置，包括不平衡张力传感器、角度传感器和采集箱组成。不平衡张力传感器安装在绝缘子和杆塔的U型挂环之间，取代了原来的球头挂环，不平衡张力传感器由一个六方向的角度传感器结合拉力传感器组成，用来测量铁塔受力的大小和受力的方向;杆塔倾斜传感器主要安装在杆塔的塔腰和横档上，杆塔的塔腰安装了2个双轴角度倾角传感器，用来测量杆塔塔腰的扭动和倾斜度，安装在横档上的2个双轴角度倾角传感器用来测量杆塔受到不平衡张力的作用时，塔腰以上部分的倾斜度和扭曲度。采集装置主要由低功耗的嵌入式系统构成，通过太阳能给系统供电，以无线公网GPRS方式将采集到的角度值发送到服务器端。

监控部分:监控服务器由1台PC机构成。PC机上安装了1套杆塔倾斜及不平衡张力的监测软件，软件的主要作用是将现场的传感器数据进行收集和判断，给出预警值，并向输电线路运行值班人员报警。

图1 监测系统结构图

1.2 不平衡张力监测硬件设计

在架空线路的耐张段中有大高差、大小档距的不利组合，当气象条件恶化程度发生变化时，因档距中架空线的应力变化不相等而产生不平衡张力〔2〕，这是一种普遍存在的现象，不管是平原山地，只要有高差、档距的不同便会产生不平衡张力，当遇到耐张段中有高差、档距的不利组合时便有较大的不平衡张力产生，气象条件发生变化如大风引起的不平衡张力，输电线路出现不均匀覆冰都会对杆塔造成不平衡张力。不平衡张力的测量采用基于应变片的应力传感器，并且在应力传感器上安装了一个角度传感器，测量力的大小和方向。应变片种类繁多，其基本结构大体相似，以金属丝绕式应变片结构为例说明，如图2所示。将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体，这就是电阻丝应变片的基本结构。

传感器安装在绝缘子与杆塔的连接处，取代1个球头挂环，传感器实物图如图3所示。

1.3 杆塔倾斜监测硬件设计

图2 电阻丝应变片的结构示意图

图3 不平衡张力传感器实物图

通过对以往的杆塔倾斜资料的分析，确认杆塔倾斜监测的主要监测数据是杆塔倾斜角度〔3〕。因此，在杆塔受力的2个典型位段安装4个双轴倾角传感器，从杆塔不同位置的倾斜变化来具体描述杆偏移角度和偏移值。倾角传感器采用得到广泛应用的加速度传感器SCA100T－D02为主要构成元件，配合各种保护电路、供电单元，以达到角度测量的目的。

倾角传感器采用附着式安装，分别在杆塔的塔腰与横档安装2个双轴倾角式传感器，传感器实物图如图4所示。

图4 杆塔倾斜传感器

2 通讯系统及专家系统设计

采集基站数据功能:将数据通过GPRS技术采集到控制中心服务器，完成对基层硬件的管理控制，完成数据处理分析功能和基于B/S架构的数据发布功能。

数据处理分析功能:对采集到的各种参量数据进行整合分析。其中包括杆塔实时受力监测分析和杆塔倾斜角度监测及分析。

杆塔实时受力监测、分析:通过安装在杆塔绝缘子串上方的拉力、双轴倾角传感器采集测量杆塔实时受力以及绝缘子偏移角度，建立杆塔受力的三维状态数学模型，实时分析数据，显示杆塔受力的实际变化，必要时给予报警。

杆塔倾斜角度测量及分析:通过监测绝缘子倾角和风向、风速等，应用后台软件和计算模型分析不同的自然条件下杆塔倾斜和线路电气距离、弧垂的对应关系。

基于B/S信息浏览模式:整个系统均采用了B/S模式构建，方便整个系统的信息传达，应用该模式，在系统的广域网中，不同权限用户均可以通过电力系统内网查询给基站系统的数据、图像，并且可以通过后台软件处理用户自行选择的数据和进行分析。同时，通过系统客户端软件连接控制各基站系统，为系统信息的公布提供有效平台。运用B/S模式构建的浏览系统简洁易用，用户可以方便地通过IE浏览器获取现场状况和实时的监测分析结果，并且可以设置各类使用者的浏览权限，突出用户自己关注的重点。

3 现场使用

该套装置在湖南柘泉线233号杆塔进行了实际应用，并且在2009年2月初该线路的覆冰过程中真实地反映了该线路的不平衡张力的变化情况。数据见表1。

数据显示，不平衡张力一般情况在1.0～1.2 t之间变化，最小值为0.9 t，最大值为1.8 t(严重覆冰)。而绝缘子的顺线方向偏移角 (X)一般在5.5°～ 6.5°之间变化，最大 7.65°，最小 3.45°;绝缘子垂直线方向偏移角 (Y)一般在2°～3.5°之间变化，最大值为9.15°，最小值为1.95°。通过安装的监测设备完整地反映了覆冰过程，并且得到了原始数据，为今后的工作奠定了基础。

4 结论

通过杆塔不平衡张力及杆塔倾斜在线监测系统的开发、研制和试运行，日常运行中监测采集了大量杆塔受力和绝缘子倾斜角度数据，观测到线路实际覆冰厚度和不平衡张力的综合变化，对杆塔受力分析具有十分重要的意义，进一步促进了输电线路防灾技术的发展。

表1 杆塔的不平衡张力变化数据表

〔1〕黄新波．输电线路在线监测与故障诊断〔M〕．北京:中国电力出版社，2008．

〔2〕严跃成，龚守远，邱秀云．输电线路覆冰对电力网的影响及危害分析〔J〕．水力发电，2008，34(11):95-97．

〔3〕李兴，赵华忠，李伟性．500 kV输电线路铁塔严重倾斜的快速修复〔J〕．南方电网技术2008，2(5):84-85．