输电线路铁塔破坏机理在线监测系统及监测方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104006981 A (43)申请公布日 2014.08.27 CN 104006981 A (21)申请号 201410225059.0 (22)申请日 2014.05.26 G01M 99/00(2011.01) (71)申请人 西安工程大学 地址 710048 陕西省西安市碑林区金花南路 19 号 (72)发明人 黄新波 刘磊 宋栓军 张斌 赵隆 (74)专利代理机构 西安弘理专利事务所 61214 代理人 罗笛 (54) 发明名称 输电线路铁塔破坏机理在线监测系统及监测 方法 (57) 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。

2、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。

3、功能。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104006981 A CN 104006981 A 1/2 页 2 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 (1)、 ANSYS 仿真软件模块 (7) 连接 ； 所述光纤应力传感器 (1) 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。

4、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 (8)。 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 。

5、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 (1) 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(1)配合进行输电线路铁塔三种工。

6、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(1)通过485通信线将经步骤1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。

7、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 (1) 监测得到的实际应力监测数据。

8、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 (1) 监测得到的实际应力监测数据大小在 80MPa 360MPa 之间， 且 权 利 要 求 书 CN 104006981 A 2 2/2 页 3 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 (1) 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。

9、显， 属于导线舞动工况引起的破 坏。 权 利 要 求 书 CN 104006981 A 3 1/5 页 4 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。

10、、 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。

11、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 MSP4。

12、30 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 1 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。

13、送至微处理器 ； 说 明 书 CN 104006981 A 4 2/5 页 5 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、。

14、 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38MPa175MPa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80MPa360MPa之间， 且 计算出的结果与。

15、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25MPa175MPa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。

16、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。 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。

17、/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。 说 明 书 CN 104006981 A 5 3/5 页 6 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 1 通过 485 通信线与 A/D 转换器 3 连接， A/D 转换器。

18、 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、 。

19、将光纤应力传感器1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1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1通过485通信线将经步骤1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。

20、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。

21、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 1 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 1 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。

22、器监测得到的实际应力监测数据大小在25MPa175MPa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 说 明 书 CN 104006981 A 6 4/5 页 7 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。

23、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1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 1 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 1 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 1 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 1 监。

24、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。

25、规律 ； 另外通过光纤应力传感器 1 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 1 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 1 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 1 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， 。

26、而应力与应变的关系具体按照以 下算法实施所示 ： 0053 E(1+2)/2 (1) ； 0054 式(1)中， 为弹性基体的应力， 单位为MPa ； E为弹性模量， 单位为N/mm2； 1、 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)10-3 (2) ； 0057 W zszw0F (3) ； 0058 式 (2) 中， b- 输电导线覆冰厚度， 单位 ： mm ； 。

27、d- 输电导线外径， 单位 ： mm ； 说 明 书 CN 104006981 A 7 5/5 页 8 0059 式 (3) 中， w0- 基本风压， 单位 ： kN/m2； z- 风压调整系数 ； s- 输电线路铁塔结构 风载体型系数 ； z- 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。

28、， 将光纤应力传感器 1 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。 说 明 书 CN 104006981 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104006981 A 9 2/2 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104006981 A 10 。