高压电塔倾斜动态监测装置的设计与实现

2018-08-10朱庆伟刘明明

西安科技大学学报 2018年4期

朱庆伟，刘明明，崔娟

(1.西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西西安 710054；2.西北有色地质矿业集团有限公司，陕西西安 710054)

0 引言

高压输电线路是国民经济发展和国家建设的生命线，其中高压输电线铁塔是高压输电线路上最重要的设施。高压电塔重心高、基础面积较小，因此比较容易发生倾斜。其主要破坏特征表现为电塔歪斜、位移及由此引起的导线距地表安全距离变化和导线张力变化等等。同时，它的移动变形要受到基础和高压线的约束。煤矿区采动影响下高压输电线铁塔因地表移动变形使基础沉降、塔身变形倾覆失稳，进而导致输电线路各设施发生变形如线路档距、近地距离变化，悬垂绝缘子串偏斜等问题[1-9]。

全站仪技术在目前测量工作中已经得到了广泛应用[10-15]。在施工放样、地形图测绘及摄影测量布设像控点等工程测量技术领域，目前所使用的主要设备是全站仪和实时动态差分法测量(Real-timekinematic，简称RTK)[16-23]。目前高压电塔的下沉倾斜变化的变形监测，一般都是应用RTK或全站仪实施变形监测。由于在高压电塔下会产生强大的电磁场，因此，会对GPS的信号有干扰，若使用RTK测量高压电塔倾斜，会增加误差的来源；高压电塔与人之间在垂直方向和水平方向上均需保持一定的安全距离，在高压电塔下工作以及监测高压电塔倾斜会对人体造成一定的危害。另外，对于不便架设棱镜的地方，用全站仪免棱镜时存在一定的误差，并且只能应用于没有遮挡物遮挡监测点的情况下才可行。

文中针对提及的设计思路所解决的技术问题，在于上述现有技术中的不足，提供一种高压电塔倾斜动态监测装置，采用“自动监测倾角+自动报警倾斜”其中自动监测部分采用“精度放大机构+刻度显示装置”，利用铅块自重带动测量箱旋转且保持测量箱停止在稳定状态，利用摆球自重带动齿轮传动，进而带动指针偏转动态测量高压电塔倾斜，同时设置倾斜报警机构提示高压电塔倾斜危险，使用安全可靠且不受高压电塔电磁场干扰，通过大量实验验证表明，此装置便于推广使用。

1 基本原理与结构

1.1 基本原理

如图1所示，AB为水平面，其中O为中心点，A1B1是倾斜α角度后的AB.在O点处固定一段有重球的圆杆，倾斜α角度后重球受到了重力作用，重力是一个矢量，它可以分为2个矢量，通过受力分析可知将重力G分解为F1和F2：F1=Gcosα，F2=Gsinα.其中F1为平行于圆杆方向的力；F2为垂直于圆杆方向的力。

图1 重力分解示意图Fig.1 Schematic of gravity decomposition

在重力的作用下重球有沿着力F2方向的运动趋势。为了能自动监测高压电塔的倾斜值，设计了一个利用重力加速度为动力源的一个机械装置和监测方法(图2)。该装置包括载荷平板、自转机构和测量箱，测量箱包括箱体、刻度盘、倾斜测量机构和倾斜报警机构，自转机构包括转杆、铅块、万向球。

图2 监测装置示意图Fig.2 Monitoring device front view

1.2 结构设计

载荷平板通过4个支架固定在4支塔脚，整个装置处在高压电塔中心，通过在转杆的一端设置铅块，当塔身倾斜时，利用铅块自重带动测量箱旋转且保持测量箱停止在稳定状态(图2)；通过在测量箱内的摆杆一端设置摆球，利用摆球自重带动齿轮传动，进而带动指针偏转动态测量高压电塔倾斜(图3)。

图3 测量箱内部结构示意图Fig.3 Schematic of measuring box internal structure

摆杆通过连接杆带动转杆转动，转杆带动转杆齿轮转动，转杆齿轮与转轴齿轮啮合，转轴齿轮带动转轴和指针同时从初始状态开始转动，刻度盘指示高压电塔倾斜显示角度。

其中精度放大结构，是由大、小齿轮组成，大齿轮半径是小齿轮半径的40倍，通过计算得出可以使塔身倾斜的角度放大40倍，提高了刻度盘上的精确度。

报警机构主要由小转盘、滑轮、三角支架、短杆、推杆、凹槽、GPS定位器、电源等组成，其中，小转盘为绝缘体，滑轮和凹槽均为金属构成。报警机构的数量为2个，2个所述倾斜报警机构分别对称的设置在转轴的两侧(图3)。

高压电塔倾斜远程报警：当高压电塔开始发生倾斜时，转轴和指针同时从初始状态开始转动，当转轴转动过程中未接触短杆时，小转盘不转；当转轴转动到接触短杆并推动短杆时，小转盘转动，若高压电塔继续发生倾斜时，滑轮向凹槽滑动靠近但未落入凹槽内时，刻度盘指示高压电塔倾斜显示角度，GPS定位器不能工作；若高压电塔继续发生倾斜时，滑轮向凹槽滑动靠近并落入凹槽内时，此时，高压电塔倾斜达到高压电塔倾斜刻度盘报警角度显示值γ，刻度盘指示高压电塔倾斜显示角度，同时，滑轮、凹槽、GPS定位器、电源形成闭合电路，GPS定位器接通电源向监测终端远程发射报警信息，同时推杆与所述短杆分离，如图4所示。

图4 报警机构示意图Fig.4 Schematic of alarm mechanism

图5 推杆、转盘和短杆的几何关系Fig.5 Geometric relation of push rod，turntable and short rod

根据塔型建筑物对倾斜极为敏感这一特性，设计了机械自动测量和报警装置，结合GPS定位技术与远程GPS监控系统，实现了高压电塔倾斜的安全预警(图6)。

图6 工作原理示意图Fig.6 Schematic of working principle

2 特性分析

1)文中提供了一种高压电塔倾斜动态监测装置及监测方法，其设计新颖合理，利用摆球自重带动齿轮传动，进而带动指针偏转动态测量高压电塔倾斜；

2)通过在测量箱内的倾斜测量机构上设置倾斜报警机构，倾斜报警机构利用转轴的转动带动推杆转动，进而推动转盘转动，通过滑轮落入凹槽作为报警提示，提示高压电塔倾斜危险，使用安全可靠且不受高压电塔电磁场干扰；

3)采用转轴齿轮和转杆齿轮的啮合，转杆齿轮的半径与转轴齿轮的半径之比为40∶1，运用齿轮的传动原理，使得高压电塔的倾斜值放大40倍，提高了测量的精度，保证刻度盘的显示角度的精度。利用刻度盘的显示角度与高压电塔倾斜实际角度的转换计算实际倾斜角度；

4)在装置的底座的自转机构中，采用铅块自重带动测量箱旋转且保持测量箱停止在稳定状态，使得测量箱可以监测高压电塔任意方向的倾斜；

5)该装置固定在高压电塔塔脚中心处，倾斜测量机构固定在封闭的测量箱内部，为机构提供了干扰小的工作环境。

3 实验监测结果

文中选择对某煤矿开采沉陷区的高压电塔进行实验监测，所测高压电塔高度为40 m，通过装置自动监测倾斜角度，结合几何关系计算得出高压电塔的倾斜量见表1.

为了检验装置的正确性，利用传统变形监测测量方法对同一高压电塔进行监测，通过用全站仪对高压电塔进行观测测量，仪器采用徕卡公司生产的 TC802型全站仪，仪器标称精度为：测距精度±(2 mm+2 ppm),测角精度±2″.选择前方交会法进行此高压电塔的倾斜变形观测，前方交会即在已知控制点上设站观测水平角，根据已知坐标和观测角值，计算待定点坐标的一种控制测量方法。

表1 自动监测实验成果Table 1 Experimental results of automatic monitoring

在实地勘察后在高压电塔外围的一条地基稳定的道路上选取2点A、B作为观测基准点，以此2点为基本已知控制点观测电塔顶端中心处O和底端中心O′，读取观测水平角，通过前方交会公式计算观测中点O和O′处的坐标，根据上下中心点处的坐标变化来确定相对位移的变化，其就是电塔的倾斜变化量。为了提高测角精度，采用4个测回进行观测，且实验过程中充分考虑影响测角精度的各项误差影响，各项操作严格按照规范要求进行，观测结果表明测回间的2C互差均在13″内，各测回的2C值大致都在7″～10″之间，3次实验结果表明各测回测角中误差都在±1.5″左右，符合《建筑变形测量规范》中对DJ2型仪器水平角观测规范要求，通过前方交会公式计算结果表明，观测点O和O′ 和坐标中误差均不大于10 mm，符合《建筑变形测量规范》中位移观测三级限差±10 mm.通过实验(见表2)结果对比表明，此装置及自动监测方法可以满足传统变形监测测量的要求。