超高压输电线路关键构件多通道疲劳裂纹实时监测系统

高汝武

(福建水利电力职业技术学院，福州 366000)

超高压架空输电线路在长期运行中，由于受各种气象条件的影响，关键构件容易出现疲劳损坏，引发事故。如在覆冰或冰雪混合物及风的作用下，导线会发生不同形式的振荡，这些振荡都可能导致导线、金具、绝缘子和铁塔构件的疲劳。疲劳的形成是一个渐变的过程。在交变应力的反复作用下，产生疲劳损伤在构件的裂纹敏感部位会形成疲劳裂纹，疲劳裂纹进一步扩展就会形成宏观裂纹并最终导致构件的失效，引起导线断股、绝缘子串掉串、线路倒塔等恶性事故［1－2］。

构件由于疲劳形成的失效是一个渐进过程，因此根据损伤容限分析原理可知，只要裂纹扩展速度较慢，在构件使用期间允许存在初始缺陷或出现一定程度的疲劳裂纹［3－5］。但为了保证构件的绝对安全，有必要在构件工作时对裂纹敏感部位进行实时监测，尤其是针对某些恶劣工作环境下的裂纹敏感部位进行监控。

1 实时监测系统的仿真设计

1.1 仿真设计思想

在疲劳裂纹的实时监测中有两方面问题必须进行分析。

一是关于监测的物理量参数对象。根据信号传感原理，若在被测单元片(模拟构件的裂纹敏感部位)两端加直流恒压源，一旦在被测单元片上有裂纹出现，其两端的输出电压就会因裂纹电阻的变化而发生改变。这种改变是非常微小的，但是通过信号放大单元可以将这种电压的微弱变化放大到采集单元的采集范围内，经输送之后由电脑终端采集并按照要求对信号进行处理与诊断。本文通过基于Simulink仿真设计的程序将采集到的电压信号转换成对应的裂纹长度值，并将该值与预置的裂纹长度预警值进行比较。如果采集值大于预警值，程序报警;否则属于安全范围。与此同时，系统会以文本格式将监测时间和对应的监测裂纹长度值记录下来，以备后用。

二是关于疲劳裂纹长度的诊断原理。本文分析了两种不同的仿真思想:第1种仿真思想需要首先建立裂纹长度与对应电压关系的数据库。根据裂纹产生过程的特点可知，随着裂纹的扩展，单元片上的电阻丝栅逐个断裂，其电阻也逐渐增加，单元片两端的电压也随之增大。在不受外力的情况下，在理论上单元片两端的电压与单元片电阻丝栅的个数是一一对应的，通过电压即可判断单元片上电阻丝栅的个数，即裂纹通过单元片的长度，从而测算裂纹长度。但是这需要对电阻丝栅断裂时的电压进行标定，并建立起相应的数据库，最终获得具有不同断裂电阻丝栅单元片两端电压的适用范围。比如实测某型绝缘子，当单元片没有裂纹时其两端电压一般在0.4 mV左右，断裂一根电阻丝栅时，电压为0.62 mV，两者电压相差较大，即可分别给其标定各自范围，在0～0.5 mV范围内可认为电阻丝栅断裂个数为0，在0.51～0.7 mV范围内可判断断裂电阻丝栅个数为1，以此类推。这种仿真思想仅适用于被测单元片不受外力或所受外力较小，输出电阻变化较小的情况，而且标定范围的确定需要大量数据支撑，需要耗费大量各类构件的裂纹单元片样本，费时费力。

第2种仿真思想的诊断原理流程如图1所示。单元片贴于被测关键构件表面后，如果给构件加载，构件受力会产生应变，单元片也会有相应的变形。这种变形会使得单元片的电阻丝栅发生变形而引起电阻变化，因此这种情况下单元片两端的电压与在不受力情况下标定的单元片电压不符，所测电压会超出标定电压范围。如果仍旧使用查表法查找此时对应的裂纹长度就会与实际裂纹长度有所偏差，引起误判。针对这种情况本文制定了第2种仿真思想。单元片在受应力变形的时候其两端的电压变化是非常缓慢的，可以看做是一种连续变化，而单元片的电阻丝断裂时其电压变化是较大的，可以称之为发生了电压跳变。跳变发生时，断裂前的电压和断裂发生后的电压差至少在0.15 mV以上，而由于应力发生的电压变化一般为0.01 mV以下，因此可通过判断电压是否发生跳变来决定是否有电阻丝栅断裂。发生一次跳变裂纹就会增加一个单位长度。这种仿真思想无需建立庞大的“电压－裂纹长度”数据库，也就省去了对单元片电压的标定过程，节省了大量人力物力。同时单元片即使在粘贴在工件表面也可精确测试裂纹长度，因此更适合实际测试环境的需要。

图1 诊断原理流程

1.2 监测系统的人机交界面板

Simulink平台为程序设计者提供了非常便于操作的人机交互界面，其前面板的设计给了设计人员很多的控件选择，可以设计出更美观、更实用的控制面板供客户使用。

图2为基于第2种仿真思想设计的人机交互界面。由于该种仿真思想无需通过“电压－裂纹长度”数据库查找对应裂纹长度，因此省去了单元片型号的选择。改变单元片型号时只需输入单元片型号对应的电阻丝间距即可。考虑到测试初期已经有初始裂纹，本研究添加了初始裂纹长度的输入，监控设备开启后即可在此初始裂纹长度的基础上输出新的裂纹长度。同时在软件中添加了数值输入控件，在该输入控件中输入监测裂纹的预警值。当系统采集信号转换的裂纹长度值超过了预警值时，系统设置的蜂鸣器就会报警，同时报警通道也会亮起红色报警灯。系统中添加的布尔型开关按钮控件可以控制数据的记录，记录的数据保存为TXT文本，文件路径则通过系统中的文件路径输入控件进行输入。图形显示控件可以根据需要选择16路通道中的实时裂纹扩展情况。

图2 监测系统的人机交互界面

1.3 程序框图设计

软件部分以Simulink作为Matlab环境下的可视化仿真组件，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作就可构造出复杂的系统。

Simulink程序框图的作用是运用图形化语言的形式实现仿真思想。程序框中包含了数据流和命令流的流动。每个节点都具备相应的功能，且都有输入或输出端口。

电压数据被分配到对应的通道后，需要将其转换成所需的裂纹长度，这就需要建立电压与裂纹长度的对应关系。而使用不同的单元片，其裂纹长度与电压的对应关系是不同的，所以需要建立不同型号的单元片的裂纹长度与电压间关系的数据库。因此，本文对3种单元片逐个进行标定，即将单元片按要求安装后，分别将单元片上的电阻丝一一切断，从而得到不同裂纹长度时所对应的电压值。实际采集时，通过得到的电压值即可找出对应的裂纹长度值。在Simulink软件中可以自制节点，使用本文自制的查找功能节点将数据库内的电压－裂纹长度值的对应关系输入节点内，就获得了具有通过电压查找裂纹长度的函数。

将采集电压转换为裂纹长度后，通过数据输出控件即可将监测裂纹显示在前面板上，同时可通过图表显示控件制成随时间改变的裂纹长度曲线。条件结构框则根据前后2次电压差ΔU的大小判断是否发生电压跳变而确定是否有新的电阻丝栅出现。使用条件结构将裂纹长度与预置的预警值进行比较，如果超过预警值即判断为真并报警。使用“打开/创建/替换文件”函数建立 TXT文本文件，将文件名设为创建日期+通道号，从文件名即可判断文件的记录日期和对应通道。将所测裂纹长度及对应时间写入该TXT文件。根据这些数据，还可以间接得到裂纹扩展速度等数据。

2 多通道监测系统的硬件支撑

架空超高压输电线路关键构件监测系统的硬件系统包括信号变送子系统、数据采集子系统、处理和诊断子系统三大部分［6］。图3为该多通道监测系统整体设计。

图3 多通道监测系统整体设计

2.1 信号变送子系统

包括在电气设备现场的被监测的构件、适用单元片、直流电压源、电压传感器等。

2.1.1 直流电压源

本项目选用TPR-1510系列15V/10A直流稳压电源，该新产品适用于教学实验、科研、电子生产线的产品的测试，其输入电压AC为(220±10%)V、50 Hz，稳压状态:电压稳定度小于等于(0.05%+2)mV，负载稳定度小于等于(0.5%+2)mV。

2.1.2 采样单元片

本文所用单元片的型号有3种:TK-09-CPA01-005/DP、TK-09-CPA02-005/DP 和 TK-09-CPC03-003/DP。当有裂纹穿过单元片时，单元片内的平行电阻丝将随着裂纹的扩展逐个被切断，使得单元片上的电阻丝断路引起单元片的电阻发生变化，从而引起单元片两端的电压，即所采集到的电压发生相应变化。所以只要分析单元片电阻、裂纹扩展长度和所测电压之间的具体关系就可以制定相应的仿真思想监控裂纹变化情况。CPA01和CPA02两种单元片的区别仅在于两者电阻丝间距不同，CPA01的电阻丝间距仅为CPA02的一半，它们均有20根电阻丝，因此CPA01具有更高的精确性。CPC型单元片的电阻值增量与断路电阻丝栅断裂数裂纹扩展方向电阻的数目有很好的线性关系，而且其测试长度更长，客户可根据实际需求选择合适的单元片型号。单元片CPA01、CPA02、CPC03电阻丝断裂数与电阻间的关系如图4所示。

图4 单元片CPA01、CPA02、CPC03电阻丝断裂数与电阻间的关系

2.1.3 电压传感器

主要作用是检测到疲劳裂纹导致的电压变化信息，并能将该信息按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足下环节对该项信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。应选用直流型电压传感器，采用模拟量输出模式。

2.2 数据采集子系统

包括信号预处理和数据采集两部分，一般在被监测构件附近，也可在电气设备现场。

2.2.1 信号预处理单元

其功能主要是对输入信号的电平作必要的调整和采取抑制干扰的措施，以提高信噪比。经测试，该系统正常工作时单元片两端的输出电压在10 mV以内，而数据采集卡的采集范围为－10～10 V。为了使得所采集的信号在采集卡的识别范围内，常用的方法是使用采样放大器来对采集信号进行放大。本项目使用的采样放大电路板的型号为XT-A1-VV16-H型16路信号放大端子板。该设备可以将0～10 mV范围的电压放大至0～10 V，其放大增益为1000倍，放大后的电压范围可以很好地满足数据采集的需要。

2.2.2 数据采集装置

数据采集的功能是对经过预处理的信号进行采集、A/D转换和记录。本项目所使用的数据采集装置选用美国NI公司的USB6211型数据采集卡。该型采集卡有16路采集通道，体积小巧，携带方便，并具有模拟输入、输出的功能和数字I/O功能。采集卡与计算机终端连接以后可根据需要设置采集设备的采集模式、通道、输入配置采样率和最大及最小输入闲置等参数。该采集卡的输入配置有3种，即差分测量系统、参考地端测量系统和无参考地端测量系统。选择差分输入系统有8路输入，选择单端输入则是16路输入。当输入信号为大于1 V的高电平且信号源距离采集端较近时(距离小于5 m时)，适合采用单端输入模式，并使用一个共同点作为参考点，否则以差分输入方式更为合适。选择差分输入方式时，由于输入信号有不同的参考端，因此可以有效抑制共模噪声，使得差分输入方法的采集精度大为提高。所以应该灵活地选择适合的输入方式，当必须选择差分输入方法且输入信号超过8路时，则需添加同种型号的数据采集卡，如无需使用差分方式，则单端输入即可满足16路输入信号以内的需求。由于本项目多通道力求16路模拟输入，在室内实验时可以选用单端输入的方法，如实际测量现场需要更高的精度和抗噪性能，可考虑使用差分输入，但应增加一个采集卡，以支撑16通道需要。

2.3 信号的传输

从数据采集子系统采集到的数据，最后应通过传输通道或远或近地送入计算机进行处理和诊断，这一过程涉及信号传送的方式、介质和抗干扰等问题。本项目为达理想的传送速度，选用并行的DMA方式，即直接存储器存取方式。USB6211型数据采集卡的采样率为200 kHz，即5 μs采一个字节，而DMA的动作周期仅1.26 μs，很好地适应了传送速率问题。为避免信号在传送过程中受其他信号干扰造成畸变或误动作，本监测系统采用“电－光纤－电”隔离技术。光纤信号的传输用单模光纤，其纤径小，带宽大，适于多通道容量信号传送。

2.4 数据处理和诊断子系统

该子系统实则由是一台或多台计算机和监测系统专用软件组成，位置在距现场约数十米至数百米的主控室内。其中，数据处理是对监测到的信号进行分析研究，以保证去伪存真并起由表及里的处理效果。目前，电气设备监测使用较多的是以幅频特性变化为主要特征的频谱分析法。诊断单元则是根据监测系统提供的信息，包括监测到的数据和数据处理的结果，对超高压线路关键构件的裂纹情况进行分析，判断是否报警，以确定应采取的运行技术措施。

3 结束语

针对超高压输电线路关键构件的疲劳裂纹监测，比较了两种不同的仿真思想，并基于Simulink虚拟仪器平台设计了虚拟仪器系统。第1种仿真思想是以查表的形式将所测电压引至电压－裂纹长度数据库中，查询此时裂纹长度的大小，这种方法仅适用于单元片不受外力或所受外力较小、单元片电阻变化较小的情况，而且标定范围的确定需要大量数据支撑，需要耗费大量单元片，费时费力。第2种仿真思想通过判断电压是否发生跳变从而确定是否有新的裂纹产生。由于该系统无需建立针对不同型号单元片的电压－裂纹长度数据库，省去了对单元片电压的标定过程，节省了大量人力物力，且加载前即可粘贴单元片，可精确测试裂纹长度，同时适用于载荷变化较大的情况，这使得新系统的测试更加便于操作，扩大了测试范围，适合实际测试环境的需要。架空超高压输电线路作为大型生命线工程，近年来由于关键构件疲劳裂纹引发的事故较多地发生。利用上述新型裂纹实时监测系统，对架空超高压输电线路的导线、金具、绝缘子和铁塔构件进行实时监测，实时掌握架空超高压输电线路关键构件的工作状态，对确保架空超高压输电线路的可靠运行具有重要的意义。

［1］郭应龙，李国兴，尤传永.输电线路舞动［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［2］王景文.风作用下输电线塔结构塑性疲劳破坏机理研究［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［3］王东方，尹明德，欧阳祖兴.表面疲劳裂纹监测系统研制［J］.南京航空航天大学学报，1998，30(5):578－583.

［4］高镇同，熊浚江.疲劳/断裂可靠性研究现状与展望［J］.机械强度，1995，9(3):61 －78.

［5］刘再兴.裂纹动态扩展速度特性的实验研究［J］.力学学报，1987，19:194 －198.

［6］王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断［M］.北京:清华大学出版社，2006.