输电杆塔沉降状态感知技术研究

2021-04-28郑天堂黄新波赵隆朱超袁鹏

广东电力 2021年4期

郑天堂，黄新波，赵隆，朱超，袁鹏

(1.西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710100)

输电杆塔是电力网络的核心部分之一，其运行状态的安全至关重要。杆塔跨越地域广泛，不可避免地经过湿陷性黄土地区、煤炭采空区等地质易发生变化的地区，引发杆塔沉降、结构变形的事故时有发生。实验数据显示，在输电杆塔发生沉降、变形的初期，杆塔关键杆件的结构应力等一些重要参数已经发生改变[1-3]，如果此时能够及时监测到输电杆塔结构的异常状态，将为杆塔运维工作的开展赢得宝贵的时机，有效地遏制事故的进一步发展，保障电能安全高效的传输。

目前，国内外学者在输电杆塔倾斜沉降、结构异常等方面的监测已经取得一定的成果。例如基于深度学习网络[4]与卷积神经网络[5]的输电杆塔智能检测，采用光纤光栅传感器[6-7]、电阻式应变片[8]监测输电杆塔关键杆件部位应力变化，该方法监测精度高，能够达到实时监测输电杆塔形变形与沉降，但是受粘贴工艺、使用数量等限制，该方法在大范围实施、开展工程应用时有一定的难度。

从模态分析角度出发，输电塔线体系中杆塔健康监测受到研究学者的广泛关注。文献[9]基于 ANSYS 仿真平台，研究输电塔在基础沉降等多种载荷作用下的力学特性；文献[10]对输电塔线系统的风振特性进行了试验研究，结果表明单塔的一阶固有频率略高于塔线体系；文献[11]对输电杆塔模型进行风洞试验，随着输电线路总跨长增大，直线输电塔的模态参数逐渐收敛于单塔的模态参数；文献[12]研究发现塔线体系中杆塔结构失稳发生之前，其模态频率随着风速的增加呈现下降的规律；文献[13]在风激励下对户外塔线体系中的杆塔进行塔基沉降试验，发现输电塔的第三阶与第五阶自然频率减小明显，可用以监测输电塔是否沉降。

但是风洞、自然风等激励作用在输电塔的强度以及作用点不能被人为控制，而且在数据采集时受环境限制，数据波动大，检测不易，检测时间长。虽然一些学者[14-15]以一定的缩小比例在室内搭建输电塔线模型进行模态试验，得出的实验结论具有一定的参考价值，但是应用至运行中的输电杆塔时，受众多自然环境因素的影响，可能存在一定的偏差。

鉴于以上问题，基于模态分析理论，本文以西安工程大学110 kV输电线路中塔基可抬升的猫头型直线塔为研究对象，提出了输电杆塔沉降状态感知技术，对表征输电杆塔沉降的模态频率进行监测。当输电杆塔发生沉降时，模态频率发生变化，通过分析输电杆塔模态频率的变化可以确定杆塔的沉降量，反映其沉降状态。

1 杆塔动力学分析

输电杆塔在自然环境下会发生振动，但是自然环境中的激励条件有诸多不足，所以本文采用了自主设计的人工激励装置敲击输电杆塔，迫使输电塔发生微振动，通过采集振动信号分析输电塔的沉降。首先对输电塔进行动力学分析，建立其振动微分方程，分析输电杆塔发生位移之后模态频率的变化机理。为了有效地采集振动信号，本文使用ANSYS软件对研究对象在自然风激励下的模态振型进行计算，确定输电杆塔振动前5阶模态振型节点，以此为后续实验中选择振动传感器安装位置提供有效指导。

1.1 振动微分方程

从空间角度划分，输电杆塔属于多自由度振动系统。本文先对单自由度振动系统的振动原理进行简单分析，其物理参数模型为

(1)

将式(1)改写为正则形式，即

(2)

(3)

式(3)是典型的微分方程，求解方程得到解

λ1,2=σ±jω.

(4)

则阻尼模态频率

(5)

结构的形变量与刚度k之间的关系为

k=F/δ.

(6)

式中：F为作用于结构的力；δ为由于力而产生的形变。由此可知，当结构发生形变之后，其刚度减小。由式(5)可知单自由度结构在发生形变之后的阻尼模态频率减小。

输电杆塔为格构式塔架，属于典型的多自由度阻尼振动系统[9，16]，在塔基沉降之后塔材发生形变，模态频率减小[13]。

1.2 振型节点计算

振型节点是杆塔振动过程中模态振型与原始结构的交点，所以振型节点处的振幅始终为零，并且每个振型节点位置都不同。因此使用振动传感器采集输电杆塔振动数据，传感器安装位置须避开振型节点才能有效地采集到振动信息。一般需要借助有限元分析软件对输电杆塔进行模态振型的分析，得到结构的振型节点。

本文以西安工程大学110 kV猫头型输电塔为计算实例建立模型如图1所示，呼高15 m，总高度为19 m。该塔的主材、斜材和辅材分别为Q345、Q235等边角钢。将输电铁塔杆件的中心轴线交点连接处作为模型节点，两节点间的角钢简化为模型单元。采用ANSYS命令流进行模态分析,运用自底向上的方式，采用Beam188单元模拟输电铁塔结构。

图1 猫头型输电塔Fig.1 Cat-head shaped transmission tower

铁塔在正常运行情况下，塔脚与混凝地桩通过地脚螺栓相连接，三者之间的抗压和摩擦力，使铁塔和地桩成刚性连接，所以需要将4个塔腿节点的6个自由度全部约束[9,16]。输电铁塔承受的风载以面载荷的形式施加，考虑脉动风的影响，作用在铁塔结构单位面积上的风荷载计算表达式为[16-19]

W=βcμsμzμrwo.

(8)

式中：W为作用在杆塔结构单位面积上的风荷载，单位为N/m2；wo为基本风压，单位为N/m2；μr为重现期调整系数，一般高耸结构可采用1.0，重要的结构采用 1.1；μz为风压高度变化系数，取值为3.12；μs为风荷载体型系数，取值为1.3；βc为铁塔风荷载调整系数，取值为 1.0。

输电铁塔在风荷载作用下，其承受荷载大小和方向比较复杂，为了准确而恰当地模拟表示铁塔杆件与风速的关系，本文参考铁塔所处环境运行参数，选取风速15 m/s[20]，风向与铁塔基础纵向垂直。依据式(8)，并根据架空输电线路杆塔结构设计技术规定[21]，可计算得到分段荷载F。具体见表1。

表1 输电杆塔各段塔材风载荷分布Tab.1 Wind load distribution of each part of the transmission tower

输电塔结构失去稳定前，低阶模态频率随风速的增大而减小[10]，而且低阶模态频率变化大于中高阶模态频率变化。因此，在ANSYS仿真中，计算输电杆塔的前5阶模态振型，如图2所示，从振型图中得到输电塔每一阶的振型节点。

图2 输电塔前5阶振型图Fig.2 The first order to the fifth order vibration modes of the transmission tower

输电塔是一个复杂的桁架结构，所以从图2中可以看到输电塔的振型节点出现在塔身的某一局部区域(每一幅图中矩形框的区域)。避开前5阶模态振型节点，将振动传感器安装在如图3矩形框所示的位置。

2 杆塔沉降状态感知系统

2.1 感知系统设计

杆塔沉降状态感知系统主要包括物联网感知节点、边缘节点和后台监控3个部分，如图4所示。其中感知节点的主要作用是采集激励装置敲击杆塔时的激励信息与杆塔的振动响应信息。边缘节点对采集的激励与响应数据进行滤波处理，里面嵌入最小二乘复频域模态算法，并将计算的模态频率通过ZigBee网络发送至后台监控的计算机，计算机通过4G同步云端的历史数据，建立台账信息。

图3 振动传感器安装位置Fig.3 Installation position of vibration sensor

图4 感知系统框架Fig.4 Sensing system framework

2.2 感知节点设计

a)激励装置。本文设计了一款用于敲击输电塔振动的激励装置，如图5所示。该装置主要由固定架、螺线管、弹性板、敲击锤4个部分组成。驱动电路受驱动信号控制产生大电流，在螺线管产生电磁斥力，弹性板受到斥力的作用向下弯曲带动敲击锤向下运动，锤头敲击塔材，使得输电塔发生振动。锤头击杆塔的同时，锤头的上端固定有激励信号传感器采集激励信号。

图5 激励装置Fig.5 Excitation device

b)振动传感器。本文选用ICP型振动传感器对输电杆塔系统的低阶模态频率进行提取。该传感器的轴向灵敏度系数为503.5 mV/(m·s-2)，振动加速度测量范围为0～10 m/s2，使用的频率范围为0～2 500 Hz。由于本文分析的是杆塔的低阶模态频率，故振动传感器的采样频率设定为200 Hz。传感器的附加质量会使得结构的模态频率减小[22-23]，所以为了减小对输电杆塔模态频率的影响，本文选用的振动传感器主体材料为轻质铝材，底部为磁力底座，使得振动传感器牢牢吸附在塔材上，从而有效拾取输电塔的振动信息。

2.3 边缘节点设计

a)硬件设计。边缘节点主要由DSP、存储器和ZigBeePro S1网关等主要部分组成，如图6所示。DSP的DMA功能将经A/D变换后的激励与振动数字信号保存在SRAM中,数据采集结束后再读入RAM，通过模态分析算法计算输电杆塔的模态参数,然后把分析结果保存在FLASH存储器。边缘节点通过网关连接ZigBee网络，与监控主机通信，接收上位机的命令并把分析结果送到上位机，上位机通过4G通信将数据保存至云端数据库。RTC为每次测量提供实时时钟。为了降低边缘节点的功耗，采用TMS320C54系列增强型DSP。

图6 边缘节点原理框图Fig.6 Edge node principle block diagram

b)软件流程。图7为输电塔沉降状态感知系统的感知技术流程图，感知节点与边缘节点全部上电后，监控中心上位机向边缘节点发送通信校时命令，在通信成功后进行校时，当通信失败之后上位机告警通信失败的终端ID，通知运维人员进行检修。校时成功后，上位机向边缘节点请求数据，边缘节点向激励装置发出驱动信号，边缘节点采集激励与振动信息并进行处理分析，分析完毕之后向上位机发送数据，上位机接收到数据之后核验数据是否符合采集预设的数据长度以及校验位，若数据有效，感知节点与边缘节点进入休眠模式。上位机将模态频率与历史数据进行对比并展示，若频率变化异常，则发出报警。

图7 感知方法流程Fig.7 Sensing method flow chart

3 试验及数据分析

3.1 搭建实验平台

以西安工程大学三塔两档距的输电塔线中ZM-110 kV猫头型塔为实验对象，对塔脚不做任何处理，使用液压千斤顶将D塔基抬升不同的高度，来模拟杆塔正常运行状况和单塔基纵向位移工况(如图8所示)，并且根据1.2节中的结论，在图3中所示的位置安装振动传感器(如图9所示)，使用激励装置敲击输电铁塔使其发生振动，采集杆塔顺线方向的振动信号。

3.2 实验与数据分析

3.2.1 模态频率提取方法

本文使用最小二乘复频域法识别输电塔的模态频率，过程如图10所示。

图8 D塔基位移Fig.8 D tower foundation displacement

图9 实验测试系统示意图Fig.9 Schematic diagram of experimental test system

图10 最小二乘复频域模态算法Fig.10 Polymax modal algorithm

计算结果如图11所示，图中频率为横坐标、模型阶次为纵坐标。随着数学模型阶次的增加，杆塔结构的稳定点呈现纵列分布的特点(图中竖线已标出)，称为稳定轴，其所对应横坐标为杆塔的某一阶模态频率。自左向右，图中出现6条稳定轴，即杆塔的第一阶至第六阶模态频率，本文对前5阶进行分析。

3.2.2 不同位移量杆塔模态频率的提取

首先对输电杆塔在正常情况下的模态频率进行提取。在不对塔脚做任何处理时，激励装置敲击杆塔并采集杆塔的振动信号，进行模态频率识别并绘制稳态图，如图11(a)所示。然后使用液压千斤顶抬升D塔脚5 mm、10 mm、 15 mm、20 mm、25 mm、30 mm，采集杆塔振动信号和激励信号进行分析并作出模态频率稳态图，如图11(b)、 (c) 、(d)所示。

为了避免误差，将塔基在不同位移量时振动数据采集3次，并将提取的模态频率结果列于表2中。

3.3 数据分析

本文使用箱形图对D塔腿在不同位移时的模态频率进行绘制，如图12所示。

从图12中可以明显得知输电杆塔第一阶至第五阶的模态频率随着塔基位移量的增加均呈现下降趋势。图12(c)中，当位移量为20 mm时，第三阶模态频率的范围为30.3～31.3 Hz，将位移量为10 mm、15 mm、25 mm、30 mm的模态频率包含其中。同样的情况在第四阶模态频率中表现更加突出，当位移量为10 mm时，输电杆塔的第四阶模态频率的变化范围是34.19～34.58 Hz，包含了位移5～30 mm的模态频率，而且位移为5 mm、15 mm、20 mm时的模态频率相互重叠。图12(e)中，第五阶模态频率在不同位移时，波动范围相对第三、四阶小一些。这样在塔基发生沉降时，就很难从中分析得到沉降量以及塔基是否在持续发生沉降，不便于对输电塔的安全状态做出准确的评估。

图11 不同位移时杆塔模态频率稳态图Fig.11 Steady-state diagram of tower modal frequency at different displacements Natural frequency steady-state diagrams with different displacement

表2 不同位移量输电塔的模态频率Tab.2 Modal frequency of transmission tower at different displacements

图12 前5阶模态频率箱图Fig.12 Box diagrams of the first order to the fifth order mode frequency

与之相对，如图12(a)、(b)所示，输电杆塔的第一、二阶在不同位移量时的模态频率波动范围都比较小，而且随着位移的增大，模态频率以非常稳定的趋势在下降。

为了进一步分析前5阶模态频率的变化规律，对表2中每一阶的模态频率与位移量进行拟合，如图13所示，拟合函数见表3。

表3 前5阶拟合函数Tab.3 The first order to the fifth order fitting functions parameters

由表3可知，输电杆塔不同阶次的模态频率与位移量的拟合直线斜率不同，其中第一、二阶的斜率绝对值大于其他阶次，分别是0.089、0.083，说明杆塔第一、二阶模态频率比其他阶次对塔基的位移敏感，这样有利于对杆塔微位移的快速感知。

因此，综合杆塔在不同位移时模态频率的波动范围与拟合函数的斜率，选定第一阶与第二阶模态频率作为表征输电杆塔沉降的有效依据。

图13 频率与位移量的线性拟合Fig.13 Linear fitting of frequency and displacement

3.4 验证

为了确保第一阶与第二阶模态频率作为监测量可用来表征输电杆塔是否发生位移，抬升C塔基进行验证性试验，步骤与3.1、3.2节相似，对识别结果中的第一、二阶模态频率与位移量进行拟合，拟合结果如图14所示，并与3.3节中的第一、二阶次拟合函数进行对比，可知2次拟合结果中第一、二阶拟合函数的斜率相差分别为2.24%、4.81%，均小于5%。这表明第一、二阶模态频率可以用来表征输电杆塔的沉降。