输电线路铁塔破坏机理在线监测系统及监测方法
【专利摘要】本发明新型公开的输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，包括线路监测运行工况模块，线路监测运行工况模块分别与光纤应力传感器、ANSYS仿真软件模块连接；光纤应力传感器依次与A/D转换器、微处理器连接，微处理器通过3G单元与监控中心连接，监控中心与ANSYS仿真软件模块连接。本发明还公开了上述在线监测系统的监测方法，将在线监测与仿真软件的输电线路铁塔应力进行综合分析，得到输电线路铁塔构件应力变化规律，利用光纤应力传感器在线监测的输电铁塔构件应力值，判断出是何种工况引起的破坏。本发明的在线监测系统及监测方法实现了输电线路铁塔破坏机理模型的载荷工况-铁塔应力变化规律-光纤应力传感器-载荷工况的闭环功能。
【专利说明】输电线路铁塔破坏机理在线监测系统及监测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于输电线路在线监测设备【技术领域】，具体涉及一种输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，本发明还涉及输电线路铁塔破坏机理在线监测系统的监测方法。
【背景技术】
[0002]在输电线路的长期运行中，输电线路铁塔承受输电导线覆冰载荷、塔基松动、输电导线舞动这些外界环境的作用，不但对输电线路的安全运行有巨大的影响，而且输电线路铁塔因外界载荷的作用导致其承受不平衡张力，当达到一定程度时就会造成输电线路铁塔的破坏及导线、地线的断裂，给社会和人们的生活带来极大的经济损失。
[0003]随着输电线路对电压等级的要求越来越高，对输电线路铁塔的高度设计及大跨越档距也有一定的严格要求，这样造成了输电线路铁塔破坏事故发生也越来越频繁，一旦大范围的输电线路受到了破坏，就会导致电网无法安全运行，因此迫切需要一种能够监测输电线路铁塔破坏机理的监测装置。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于提供一种输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，能够对输电线路铁塔破坏现象进行准确的分析。
[0005]本发明的另一目的在于提供输电线路铁塔破坏机理在线监测系统的监测方法。
[0006]本发明所采用的第一种技术方案是，输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，包括有线路监测运行工况模块，线路监测运行工况模块分别与光纤应力传感器、ANSYS仿真软件模块连接；光纤应力传感器通过485通信线与A/D转换器连接，A/D转换器通过串行口与微处理器连接，微处理器通过串口与3G单元连接，3G单元与监控中心连接；监控中心与ANSYS仿真软件模块连接。
[0007]本发明第一种技术方案的特点还在于:
[0008]线路监测运行工况模块内集成有覆冰工况模型、塔基松动工况模型、导线舞动工况模型。
[0009]ANSYS仿真软件模块内集成有ANSYS仿真软件软件。
[0010]微处理器采用的是MSP430单片机。
[0011 ] 3G单元采用的是TD-SCDMA。
[0012]本发明所采用的第二种技术方案是，输电线路铁塔破坏机理在线监测系统的监测方法，具体按照以下步骤实施:
[0013]步骤1、将光纤应力传感器安装于输电线路铁塔上承受应力最大的构件部位，利用线路监测运行工况模块内的导线舞动工况模型、塔基松动工况模型及覆冰工况模型与光纤应力传感器配合进行输电线路铁塔三种工况下的应力在线监测，得到应力模拟信号；
[0014]步骤2、光纤应力传感器通过485通信线将经步骤I得到的应力模拟信号输送至A/D转换器，A/D转换器将应力模拟信号转换为应力数字信号后输送至微处理器；[0015]步骤3、微处理器将经步骤2得到的应力数字信号转换成实际应力监测数据，并通过控制3G单元向监控中心发送实际应力监测数据；
[0016]步骤4、将线路监测运行工况模块内的导线舞动工况模型、塔基松动工况模型及覆冰工况模型分别编制生成ANSYS命令流语言，导入ANSYS仿真软件模块中，由ANSYS仿真软件进行三种工况下输电线路铁塔应力变化曲线绘制，最后输出导线舞动工况模型、塔基松动工况模型及覆冰工况模型各自对应的输电线路铁塔应力变化规律曲线；
[0017]步骤5、将经步骤3得到的实际应力监测数据与经步骤4得到的导线舞动工况模型、塔基松动工况模型及覆冰工况模型下各自对应的输电线路铁塔应力变化规律曲线进行对比，一旦输电线路铁塔发生破坏，通过输电线路铁塔应力变化曲线来判断是何种工况引起的铁塔破坏，具体按照以下方式判断:
[0018]若光纤应力传感器监测得到的实际应力监测数据大小在38MPa?175MPa之间，且在24小时范围内输电线路铁塔应力曲线随覆冰厚度变化速度缓慢或者不发生变化时，属于不同覆冰载荷工况引起的破坏；
[0019]若光纤应力传感器监测得到的实际应力监测数据大小在80MPa?360MPa之间，且计算出的结果与输电线路铁塔采用的角钢型号构件的屈服强度345MPa接近，属于塔基松动工况下引起的破坏；
[0020]若光纤应力传感器监测得到的实际应力监测数据大小在25MPa?175MPa之间，且在24小时范围内输电线路铁塔应力曲线变化速度非常明显，属于导线舞动工况引起的破坏。
[0021]本发明的有益效果在于:
[0022]1.本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统中建立的覆冰工况模型、塔基松动工况模型及导线舞动工况模型与实际工程结构模型十分接近；
[0023]2.本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统是利用光纤应力传感器在线监测与ANSYS仿真软件综合分析得出铁塔应力变化规律；然后，再通过光纤应力传感器监测得到的应力来判断是何种工况引起的铁塔破坏，从而形成了一个闭环分析系统，得到的监测结果准确。
【专利附图】

【附图说明】
[0024]图1是本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统的结构示意图；
[0025]图2是本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统处于覆冰工况模型下铁塔应力曲线图；
[0026]图3是本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统处于塔基松动下输电线路铁塔应力曲线图；
[0027]图4是本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统处于导线舞动下输电线路铁塔应力曲线图。
[0028]图中，1.光纤应力传感器，2.线路监测运行工况模块，3.A/D转换器，4.微处理器，5.3G单元，6.监控中心，7.ANSYS仿真软件模块，8.导线舞动工况模型，9.塔基松动工况模型，10.覆冰工况模型。【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0030]本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，如图1所示，包括有线路监测运行工况模块2，线路监测运行工况模块2分别与光纤应力传感器1、ANSYS仿真软件模块7连接；光纤应力传感器I通过485通信线与A/D转换器3连接，A/D转换器3通过串行口与微处理器4连接，微处理器4通过串口与3G单元5连接，3G单元5与监控中心6连接，监控中心6与ANSYS仿真软件模块7连接。
[0031]线路监测运行工况模块2内集成有覆冰工况模型10、塔基松动工况模型9、导线舞动工况模型8。
[0032]ANSYS仿真软件模块7内集成有ANSYS仿真软件软件。
[0033]微处理器4采用的是MSP430单片机。
[0034]3G单元5采用的是TD-SCDMA。
[0035]本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统的监测方法，具体按照以下步骤实施:
[0036]步骤1、将光纤应力传感器I安装于输电线路铁塔上承受应力最大的构件部位(塔头)，利用线路监测运行工况模块2内的导线舞动工况模型8、塔基松动工况模型9及覆冰工况模型10与光纤应力传感器I配合进行输电线路铁塔三种工况下的应力在线监测，得到应力模拟信号；
[0037]步骤2、光纤应力传感器I通过485通信线将经步骤I得到的应力模拟信号输送至A/D转换器3，A/D转换器3将应力模拟信号转换为应力数字信号后输送至微处理器4 ；
[0038]步骤3、微处理器4将经步骤2得到的应力数字信号转换成实际应力监测数据，并通过控制3G单元5向监控中心6发送实际应力监测数据；
[0039]步骤4、将线路监测运行工况模块2内的导线舞动工况模型8、塔基松动工况模型9及覆冰工况模型10分别编制生成ANSYS命令流语言，导入ANSYS仿真软件模块7中，由ANSYS仿真软件进行三种工况下输电线路铁塔应力变化曲线绘制，最后输出导线舞动工况模型8、塔基松动工况模型9及覆冰工况模型10各自对应的输电线路铁塔应力变化规律曲线.[0040]步骤5、将经步骤3得到的实际应力监测数据与经步骤4得到的导线舞动工况模型
8、塔基松动工况模型9及覆冰工况模型10下各自对应的输电线路铁塔应力变化规律曲线进行对比，一旦输电线路铁塔发生破坏，通过输电线路铁塔应力变化曲线来判断是何种工况引起的铁塔破坏，具体按照以下方式判断:
[0041]若光纤应力传感器I监测得到的实际应力监测数据大小在38MPa?175MPa之间，且在24小时范围内输电线路铁塔应力曲线随覆冰厚度变化速度缓慢或者不发生变化时，属于不同覆冰载荷工况引起的破坏；
[0042]若光纤应力传感器I监测得到的实际应力监测数据大小在80MPa?360MPa之间，且计算出的结果与输电线路铁塔采用的角钢型号构件的屈服强度(其值大小为345MPa)非常接近，属于塔基松动工况下引起的破坏；
[0043]若光纤应力传感器监测得到的实际应力监测数据大小在25MPa?175MPa之间，且在24小时范围内输电线路铁塔应力曲线变化速度非常明显，属于导线舞动工况引起的破坏。
[0044]本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统中各部件的作用:
[0045]线路监测运行工况模块2内集成有覆冰工况模型10、塔基松动工况模型9及导线舞动工况模型8 ;覆冰工况模型10、塔基松动工况模型9及导线舞动工况模型8分别按照其各自的实际工程运行环境下进行载荷工况模型建立的，覆冰工况模型10、塔基松动工况模型9及导线舞动工况模型8分别从覆冰机理、模型自由度及导线舞动机理进行验证，且与工程实际模型十分吻合。
[0046]利用光纤应力传感器I与线路监测运行工况模块2进行输电线路铁塔应力的在线监测，获得输电导线铁塔在不同工况下的应力数据大小，具体是将光纤应力传感器I安装在输电线路铁塔上承受应力最大的构件部位(塔头)；利用光纤应力传感器I测应力原理在于:利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化而形成的，光纤应力传感器I的安装位置是依据输电导线铁塔构件所能承受的最大应力分布情况而定，即承受的外界载荷工况频率较高的输电导线铁塔塔头部位。
[0047]485通信线用于将光纤应力传感器I监测得到的所有应力模拟信号传递给A/D转换器3。
[0048]通过A/D转换器3将应力模拟信号转换为应力数字信号供微处理器4处理。
[0049]微处理器4处理后的实际应力监测数据通过3G单元5发送至监控中心6。
[0050]ANSYS仿真软件模块7中集成有ANSYS仿真软件，预先将覆冰工况模型10、塔基松动工况模型9、导线舞动工况模型8编写成参数化语言导入到ANSYS仿真软件中，ANSYS仿真软件模块7能仿真出输电线路铁塔中构件应力的分布情况，综合监控中心6与ANSYS仿真软件模块7得出输电线路铁塔中构件应力变化规律；另外通过光纤应力传感器I监测得到的实际应力监测数据用于判断是三种工况中的何种工况导致输电线路铁塔破坏，从而形成了载荷工况-输电线路铁塔中构件应力变化规律-光纤应力传感器-载荷工况的闭环工作系统。
[0051]光纤应力传感器I的工作原理如下:
[0052]当输电线路铁塔承受覆冰载荷、塔基松动、输电导线舞动这些外界载荷时，会导致输电线路铁塔的构件产生弯矩，进一步引起光纤应力传感器I上弹性体上、下表面的应变偏移量大小相等且方向相反，采用对光纤应力传感器I的弹性基体上的2个应变片测量结果采用求均值的方法可有效地减小偏载造成的测量误差，而应力与应变的关系具体按照以下算法实施所示:
[0053]ο = Ε( ε j+ ε 2)/2 (I)；
[0054]式(I)中，σ为弹性基体的应力，单位为MPa ;Ε为弹性模量,单位为N/mm2 ； ε ε 2为弹性基体的应变，单位为mm/m ；
[0055]此外，输电线路铁塔经常承受覆冰载荷、风载荷、塔基松动及输电导线舞动这些外界环境的作用， 其中输电导线单位长度覆冰重量和输电线路铁塔结构风载荷分别按照以下算法实施:
[0056]Qb = 27.73b (b+d) X 10-3 (2)；
[0057]W = β ζ μ s μ zw0F (3)；
[0058]式(2)中，b-输电导线覆冰厚度,单位:mm ;d_输电导线外径,单位:mm ;[0059]式(3)中，Wtl-基本风压，单位:kN/m2 ;βζ_风压调整系数；μ3-输电线路铁塔结构风载体型系数；μ ζ-风压高度变化系数；F-输定线路铁塔结构垂直于风向的投影面积，单位:m2。
[0060]本发明输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，利用ANSYS仿真软件模块7内的ANSYS仿真软件分析了输电线路铁塔在一定环境温度和风速条件下，输电线路铁塔在不同覆冰厚度下覆冰载荷、塔基松动、输电导线舞动这些外界载荷的作用下进行力学特性分析，将光纤应力传感器I监测的结果与ANSYS仿真软件模块7得出输电铁塔构件应力分布进行综合处理，得出三种载荷工况模型下输电铁塔构件承受的应力变化曲线。如图2所示，随着输电导线上覆冰后的不断增加，输电线路铁塔构件承受的应力也不断的增大；如图3所示，在输电导线相同覆冰厚度的情况下，输电线路铁塔塔腿松动的具体情况决定了铁塔构件承受的应力大小；图4说明输电线路铁塔构件承受的应力随时间变化非常显著。
[0061]本发明实现了输电铁塔破坏机理在线监测系统的闭环功能，从而为输电线路铁塔破坏机理在线监测系统提供了一种新的分析方法。
【权利要求】
1.输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，其特征在于，包括有线路监测运行工况模块(2)，所述线路监测运行工况模块(2)分别与光纤应力传感器(I)、ANSYS仿真软件模块(7)连接； 所述光纤应力传感器(I)通过485通信线与A/D转换器(3)连接，所述A/D转换器(3)通过串行口与微处理器(4)连接，所述微处理器(4)通过串口与3G单元(5)连接，所述3G单元(5)与监控中心(6)连接； 所述监控中心(6)与所述ANSYS仿真软件模块(7)连接。
2.根据权利要求1所述的输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，其特征在于，所述线路监测运行工况模块(2)内集成有覆冰工况模型(10)、塔基松动工况模型(9)、导线舞动工况模型⑶。
3.根据权利要求1所述的输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，其特征在于，所述ANSYS仿真软件模块(7)内集成有ANSYS仿真软件软件。
4.根据权利要求1所述的输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，其特征在于，所述微处理器(4)采用的是MSP430单片机。
5.根据权利要求1所述的输电线路铁塔破坏机理在线监测系统，其特征在于，所述3G单元(5)采用的是TD-SCDMA。
6.一种如权利要求 1所述的输电线路铁塔破坏机理在线监测系统的监测方法，具体按照以下步骤实施: 步骤1、将光纤应力传感器(I)安装于输电线路铁塔上承受应力最大的构件部位，利用线路监测运行工况模块(2)内的导线舞动工况模型(8)、塔基松动工况模型(9)及覆冰工况模型(10)与光纤应力传感器(I)配合进行输电线路铁塔三种工况下的应力在线监测，得到应力模拟信号； 步骤2、光纤应力传感器(I)通过485通信线将经步骤I得到的应力模拟信号输送至A/D转换器(3)，A/D转换器(3)将应力模拟信号转换为应力数字信号后输送至微处理器(4)； 步骤3、微处理器(4)将经步骤2得到的应力数字信号转换成实际应力监测数据，并通过控制3G单元(5)向监控中心(6)发送实际应力监测数据； 步骤4、将线路监测运行工况模块(2)内的导线舞动工况模型(8)、塔基松动工况模型(9)及覆冰工况模型(10)分别编制生成ANSYS命令流语言，导入ANSYS仿真软件模块(7)中，由ANSYS仿真软件进行三种工况下输电线路铁塔应力变化曲线绘制，最后输出导线舞动工况模型(8)、塔基松动工况模型(9)及覆冰工况模型(10)各自对应的输电线路铁塔应力变化规律曲线； 步骤5、将经步骤3得到的实际应力监测数据与经步骤4得到的导线舞动工况模型(8)、塔基松动工况模型(9)及覆冰工况模型(10)下各自对应的输电线路铁塔应力变化规律曲线进行对比，一旦输电线路铁塔发生破坏，通过输电线路铁塔应力变化曲线来判断是何种工况引起的铁塔破坏，具体按照以下方式判断: 若光纤应力传感器⑴监测得到的实际应力监测数据大小在38MPa~175MPa之间，且在24小时范围内输电线路铁塔应力曲线随覆冰厚度变化速度缓慢或者不发生变化时，属于不同覆冰载荷工况引起的破坏； 若光纤应力传感器(I)监测得到的实际应力监测数据大小在80MPa~360MPa之间，且计算出的结果与输电线路铁塔采用的角钢型号构件的屈服强度345MPa接近，属于塔基松动工况下引起的破坏； 若光纤应力传感器⑴监测得到的实际应力监测数据大小在25MPa~175MPa之间，且在24小时范围内输电线路铁塔应力曲线变化速度非常明显，属于导线舞动工况引起的破坏。
【文档编号】G01M99/00GK104006981SQ201410225059
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】黄新波, 刘磊, 宋栓军, 张斌, 赵隆 申请人:西安工程大学