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1、传感器监测铁塔倾斜的理实对比分析传感器监测铁塔倾斜的理实对比分析王德贺1,甘凤林2（1.南方电网贵州电力职业技术学院，贵阳市 550000;1.中国大唐集团科学技术研究院，北京 100032）摘要摘要：在输电线路中经常会由于外部工况的变化导致输电铁塔的塔腿失稳而导致倒塔事故的发生，而铁塔失稳必然会引起铁塔主材内力的变化，为了对此类原因导致的倒塔事故进行提早预测，本文提出利用安装在铁塔主材处类似包角钢形状的一种特制的应变式传感器来反映铁塔主材的受力状态，根据传感器的输出值来判断铁塔内力是否即将要达到失稳的临界状态，以此来达到对倒塔进行智能预警的目的，保证输电线路的正常安全运行。关键词关键词：传感
2、器；倒塔预警；塔腿失稳；试验研究引言引言在我国中西部尤其是湖北、山西地区地表结构比较特殊，地表土体受采空区影响容易导致土体沉陷，土体的沉陷不易用肉眼观察。输电铁塔塔腿处地表土体下沉导致该塔腿处于悬空状态，在受强风等外界工况影响下，易导致倒塔断线等电力事故的发生1。为了避免由此种因素造成的倒塔事故，现提出一种新方案：由于塔腿悬空状态下，该塔腿的塔腿主材应力会发生规律性的变化，通过在塔腿处加装定制的应变式传感器，对塔腿主材应力进行监控，从而达到对塔腿土体沉陷的预警作用，避免了倒塔事故的发生。目前最常用的拟合直线计算方法有理论直线法、端点直线法和最小二乘直线法2。最小二乘直线法虽不能保证m 为最小，
3、但它的拟合精度最高，可以保证在满量程范围内的总体误差为最小，尽量减小使用时的测量误差，这也是处理实验数据最为常用的直线拟合方法3。本文就采用最小二乘法对结果数据进行直线拟合，方程式为：V=a0+K2P（1）本次试验研究分室内试验和室外铁塔试验两部分。通过室内和室外两部分试验，得出主材应力值与传感器输出值之间的一元线性回归方程，并针对两部分试验得出的方程做对比分析，验证理论分析和试验验证的正确性。1.21.2 基于材料非线性和几何非线性的双重非线性杆基于材料非线性和几何非线性的双重非线性杆单元刚度矩阵的推导单元刚度矩阵的推导对于杆单元的几何非线性问题，文献5中已经推导出基于 UL 法的杆单元在
4、t 时的刚度矩阵，如下：(2)KKLKNtT(3)KLVBL DTBL dVtTTKNVBL DTBNBL DTBLdVtttVB DBTNTNdVt(4)KL为线性刚度矩阵，KN为非线性几何BDB刚度矩阵，T为线弹性矩阵，L、N分别式中：为线性应变矩阵和非线性应变矩阵。文献6指出，对于双重非线性问题，几何非线性描述的单元增量平衡方程依然成立，只需要在刚度epDT代替线弹性矩阵DT，矩阵中用弹塑性矩阵又因为弹塑性矩阵可以理解为弹性矩阵与塑性矩阵epp的叠加，即D D D TTT，则有pepKLtVBLDTBL dVTtKLtVBLDTBL dVpTt(5)pepeptKBDB BD VNLTN
5、LTBL dVTTttVBNDTBN dVepTtTp1 1 输电塔的输电塔的非线性非线性有限元建模理论有限元建模理论1.11.1 非线性描述方法的选择非线性描述方法的选择对于物体的非线性描述主要是UL 和 TL（TotalLangrange）两种方法，不同之处在于TL 法以 t0 时刻的构型为参照构型，而 UL 法则取 t 时刻的构型为参考构型。同时，TL 法适用于“中等程度转动”，而 UL 法在合适的加载步长下，即使对于大转动问题，也仍然能够得到非常精确的结果4。所以，本文采用 UL 法对结构进行非线性描述。KNtV(BLDTBNBLDTBLpTBNDTBN)dVptT(6)pD式中：TD
6、TffDT，Dp为塑TTh fDTfT性矩阵，为材料常数，h为塑性模量，fffffffTxyzxyyzzx所以，基于 UL 法的杆单元 t 时刻的双重非线性的刚度矩阵为：ttttttKpKpLKpNKLKNKP(7)式中：KL为线性刚度矩阵，KN为非线性几何刚度矩阵，KP为塑性矫正矩阵，其表达式如下tKtTpTPV(BLDTBLBLDpTBNBTDpTtLTBLBNDpTBN)dV(8)同理可得基于 UL 法的梁单元双重非线性的刚度矩阵的表达式，在此不予赘述。1.31.3 非线性有限元平衡方程的建立及求解非线性有限元平衡方程的建立及求解根据 UL 描述法，在整体坐标系下的，从 t 时刻到 t+
7、t 时刻的荷载步中，结构的非线性增量平衡方程为：tKduttRtF(9)t式中：K为 t 时刻结构的总的切线刚度矩阵，du为结构从t时刻到t+t时刻的节点位移增量，ttR为结构在 t+t 时刻的节点荷载力向量，tF为 t 时刻单元应力的等效节点荷载力向量。根 据 文 献5分 析，非 线 性 方 程 组 采 用Newton-Raphson 迭代求解更能体现 UL 法的优点，故本文采用此方法求解方程组。有限元计算过程中变形对结构刚度的影响由 Ansys 软件中的大变形效应和应力刚化效应考虑。1.41.4 建立铁塔有限元模型建立铁塔有限元模型材料为各向同性硬化材料，符合 V.Mises 初始屈服条件
8、和流动法则，且为相关流动；结构为大位移小变形运动；节点为理想空间刚节点或理想的空间铰接点；不计构件加工、安装误差及材料初始缺陷；在 ANSYS 软件中，辅材采用 Link8 杆单元，仅受轴力，主材和横隔采用Beam188 梁单元，该单元为考虑切应变且不考虑截面翘曲的 Timoshenko 梁单元。2 2 室内主材试件拉、压力试验室内主材试件拉、压力试验把传感器与内包铁角钢、主材角钢连接在一起，组成室内试验试件，以模拟传感器加装至铁塔塔腿处主材的真实试验场景。室内试验组装如图 1 所示。室内试验包括试件的拉力试验和压力试验，以便更好的模拟铁塔塔腿悬空时主材的受力情况。拉、压力试验为静力加载，每次
9、荷载增加值为8KN，等速率负荷控制 5KN/S，保持时间 40S，最大加载值为 80KN7。加载至每一子步时记录传感器读数，分别进行多组试验，每组试验后对螺栓重新紧固8。2.12.1 试件压力试验试件压力试验将试件固定在试验台上，进行压力试验，如图所示 1。图图 1 1 试件压力试验组装试件压力试验组装Fig.1 Pressure test以传感器输出值为 x（单位：N）轴，试件所受应力为 y（单位：Pa）轴，得出 2T-7395和 2T-7398传感器输出值与试件所受应力的数据如表 1、表 2关系曲线如图 2、图 3 所示。由最小二乘法得出一元线性回归关系式分别为：y1=891.67x1+2
10、0267（10）y2=891.78x2+22203（11）表 12T-7395传感器输出与主材应力数据表实验加载值传感器受主材应力传感器频次（KN）力值(N)值(Pa)输出值（N）000001840001639344154521680003278689355732412000491803355374321600065573777464540200008196721935664824000983606611214756280001147541012985864320001311475414700972360001475409816350108040000163934431815918000000
11、)a16000000P(值14000000算12000000计论10000000理8000000材6000000主4000000200000005000100001500020000传感器输出值(N)图图 2 2T-73952 2T-7395 压力试验关系曲线图压力试验关系曲线图Fig.22T-7395pressure sensor test curve表 22T-7398传感器输出与主材应力数据表实验加载传感器主材应力传感器频值受力值值(Pa)输出值次（KN）(N)（N）0000018400016393441542216800032786893554324120004918033553043
12、21600065573777458540200008196721935964824000983606611211756280001147541012985864320001311475414693972360001475409816346108040000163934431815318000000)16000000aP(14000000值算12000000计力10000000应材8000000主6000000400000020000000500010000传感器输出值(N)1500020000图图 3 2T-73983 2T-7398 压力试验关系曲线图压力试验关系曲线图Fig.32T-739
13、8pressure sensor test curve根据试件压力试验得出的关系曲线，可以得出在试件受压时，传感器输出值与试件所受应力之间有良好的线性关系，压力试验设计合理。2.22.2 试件拉力试验试件拉力试验将试件固定在试验台上，进行拉力试验，如图所示 4。图图 4 4 试件拉力试验组装图试件拉力试验组装图 Fig.4 Tensile testing同压力试验相同，以传感器输出值为x（单位：N）轴，试件所受应力为y（单位：Pa）轴，得出三组传感器输出值与试件所受应力的关系曲线如图5、图 6、图 7 所示。由最小二乘法得出一元线性回归关系式分别为：y3=979.83x3-1E+06（12）y
14、4=961.8x4+300435（13）y5=950.54x5-1E+06（14）25000000)aP20000000(值算计15000000力应材10000000主50000000500010000150002000025000-5000000传感器输出值(N)图图 5 5T5 5T 传感器拉力试验关系曲线图传感器拉力试验关系曲线图Fig.5 5T tension force sensor test curve25000000)a20000000P(值算计15000000力应材10000000主5000000050001000015000传感器输出值(N)2000025000图 6 2T
15、2T 传感器拉力试验关系曲线图传感器拉力试验关系曲线图Fig.62T tension force sensor test curve2500000020000000150000001000000050000000表 3主材应力计算值(Pa)1 位置外加传感器荷载输出值(kN)（N）理论应力值（MPa,初 始 力120N）-3.5902 位置传感器输出值（N）-10192理 论 应 力值（MPa,初始力120N）-3.630500010000150002000025000-50000000-9212传感器输出值(N)图 7 5T5T 传感器应变仪拉力试验关系曲线图传感器应变仪拉力试验关系曲线图F
16、ig.75T strain gauge tension force sensor test curve根据试件拉力试验得出的关系曲线，可以得出在试件受拉时，传感器输出值与试件所受应力之间有良好的线性关系，拉力试验设计合理。以室内拉、压力试验为参照，可以将传感器加装至铁塔塔腿处主材上进行铁塔试验，进行铁塔主材受力与传感器输出值之间关系的研究，并与室内试验作对比分析，验证理论的可行性和试验的正确性。3 3室外铁塔试验室外铁塔试验为了模拟出由输电铁塔塔腿悬空给铁塔主材应力造成的影响，现对试验基地一基铁塔进行单侧加载，铁塔塔身沿线路方向有结构位移，使得塔腿处主材主要受到轴向拉压作用，从而较为准确模拟了
17、塔腿悬空。本试验采用SJD-90终端转角塔为试验塔，该塔呼高 17 米，塔高 26.5 米，塔身主材为 16Mn125*10。拉压传感器四个，分别加装图图 8 8铁塔倾斜试验图铁塔倾斜试验图至铁塔塔腿处主材上，分别Fig.8 Tower tilt test用编号 1、2、3、4 表示，如图 8 所示。通过 ANSYS 软件对试验塔进行建模并按照试验方案及试验加载值对模型进行加载，得到安装传感器位置处的杆件应力理论计算值9。以传感器输出值为 x 轴(单位：N)，以主材应力计算值为 y 轴(单位：Pa),得到应力值与传感器输出值之间的关系曲线(数据如表 3、表 4)如下图所示：2-12074-5.
18、460-13054-5.5003.8-13789-7.140-14994-7.1905.7-15513-8.920-16395-8.9707.6-16366-10.700-17542-10.7009.8-17503-12.700-18483-12.80011.7-19130-14.500-20227-14.60013.8-20658-16.500-22128-16.50016-22070-18.500-23745-18.60017.8-23471-20.200-24843-20.30019.8-24794-22.100-26391-22.20021.9-26039-24.000-26911-2
19、4.10023.6-27136-25.600-28165-25.70020-24853-22.300-26470-22.30016-22070-18.500-23442-18.60012.2-17914-15.000-20854-15.1008.4-14641-11.400-17875-11.5004.4-11613-7.700-15611-7.7500-8614-3.590-7683-3.63012.1-17895-14.900-17895-15.00023.8-29841-25.800-28224-25.90012.3-16778-15.100-20874-15.1000-7987-3.5
20、90-7624-3.6304.2-11701-7.510-15033-7.5608-14318-11.100-18718-11.10012-17042-14.800-20590-14.90016-20551-18.500-23402-18.60020-25068-22.300-26048-22.30023.8-29919-25.800-28449-25.90019.8-24941-22.100-25921-22.20016-20384-18.500-23324-18.60012.1-16425-14.900-18875-15.0008-12995-11.100-18845-11.1004-10
21、378-7.330-14004-7.3800-8369-3.590-7291-3.630表 43 位置4 位置外加传感主材应力传感理论应力荷载器输值（MPa,器输值（MPa,(kN)出值初 始 力出值初 始 力（N）120N）（N）120N）0-3283-2.950-3675-2.9402-2332-1.610-2617-1.5903.8-902-0.395-951-0.3725.729600.88531070.9147.640772.17042042.2009.855663.65058513.69011.773894.93074684.98013.893206.35092616.400161
22、06137.830107807.89017.8108789.050122709.11019.81315210.4001388710.50021.91564111.8001571911.90023.61696413.0001713013.000201299510.5001318110.6001676547.83077427.89012.235085.27037535.3208.43922.7105882.7404.4-17350.009-17640.0340-1970-2.950-1980-2.94012.134505.20036555.25023.81400413.1001420013.200
23、12.330875.34034205.3800-2078-2.950-2636-2.9404.2353-0.125412-0.101822052.44025282.4701234695.13040775.1801673217.83078507.890201021210.5001102510.60023.81432813.1001487613.20019.8916310.400980010.5001659587.83059787.89012.119215.20020195.250815192.44016562.4704-794-0.260-1029-0.2370-1921-2.950-2332-
24、2.940)-400000a-30000-20000-100000.00E+00P(-5.00E+06值算计-1.00E+07论理力应-1.50E+07材主-2.00E+07-2.50E+07-3.00E+07传感器输出值(N)图图 9 9 主材主材 1 1 应力值与传感器输出值关系曲线图应力值与传感器输出值关系曲线图Fig.9main material 1 stress-sensor output value)a-30000-25000-20000-150000.00E+00-10000-5000P(-5.00E+06值算计-1.00E+07论理-1.50E+07力应材-2.00E+07主-
25、2.50E+07-3.00E+07传感器输出值(N)图图 1010 主材主材 2 2 应力值与传感器输出值关系曲线图应力值与传感器输出值关系曲线图Fig.10main material 2 stress-sensor output value1.60E+07)aP1.40E+07(值算1.20E+07计论1.00E+07理8.00E+06力应6.00E+06材主4.00E+062.00E+060.00E+00-5000-2.00E+0605000100001500020000-4.00E+06传感器输出值(N)图图 1111 主材主材 3 3 应力值与传感器输出值关系曲线图应力值与传感器输出值
26、关系曲线图Fig.11main material 3 stress-sensor output value1.60E+07)1.40E+07aP(1.20E+07值算1.00E+07计论8.00E+06理力6.00E+06应材4.00E+06主2.00E+060.00E+00-5000-2.00E+06100001500020000-4.00E+0605000传感器输出值(N)图图 1212 主材主材 4 4 应力值与传感器输出值关系曲线图应力值与传感器输出值关系曲线图Fig.12main material 4 stress-sensor output value应力值与传感器输出值之间的一元
27、线性回归方程为：y=1096.8x+5E+06（15）y=1131.1x+8E+06（16）y=814.23x+617284（17）y=793.12x+630061（18）在图 8 中 1、2 位置处传感器处于施加外荷载的一侧因而此两处的传感器一直是受压的，而3、4位置处传感器则随着外荷载的增大受力状态表现为由压到拉，当外荷载等于传感器上部铁塔自重时，此时传感器受力为零。由图 9、图 10 和图 11、图12 有明显的不同，后两图数据拟合曲线通过零点。由相应的关系式知，此种布置传感器受压与受拉得出的关系式的相关系数基本一致，但之间存在一定的误差，有必要进行进一步的误差分析。室内主材试件试验中，
28、受拉时主材应力与传感器输出值的相关系数大于受压时的相关系数；真塔试验中,受拉时主材应力与传感器输出值的相关系数小于受压时的相关系数。这是由于室外试验时，1、2 号主材受压，两段主材之间由于间隔只有 1cm，致使受压后相互抵消部分应力，使传感器输出的数值较小，从而相关系数偏大。采集系统，远程的实现对铁塔主材应力值变化情况的监控。参考文献：参考文献：1 马维青.输电线路铁塔倾斜智能监测系统的研究.山西电力,2008(5):22225.MA Weiqing.Study on inclinationintelligent monitoring system of transmission line p
29、ylon.ShanxiElectric Power.2008(5):22225.2龚瑞昆.改善传感器特性的软件处理方法.传感器世界，2001，2:43 一 47.3陈淑铭,乔田田.一个求解非线性最小二乘问题的新方法.烟台大学学报，2004，17(l):14 一 22.4陈栋，朱慈勉TL 法和 UL 法对几何非线性桁架问题的适用性J，成都：四川科学建筑研究，2000，26(3)：1-45 张志宏 大型索杆梁张拉空间结构体系的理论研究D，杭州：浙江大学博士论文，20036谢贻权弹性和塑性力学中的有限单元法M北京：机械工业出版社，19847 中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 8992004
30、.架空线路杆塔结构荷载试验，北京：中国电力出版社,20048 中华人民共和国水利部土木试验操作规程.2007.9 易伟建，张望喜.建筑结构试验.北京：中国建筑工业出版社，2005.4 4结论结论(1）传感器受压时与所对应的应力的线性相关性比受拉时要好，上述室内外试验得到的受拉与受压的相关系数平均值的比值为1.0869:1。(2）真塔试验中主材应力与传感器输出值的相关系数最小为受拉时 793.12，最大为受压时1131.1，在一定范围内变化。(3）在实际运用中，需要观测铁塔在正常运行状态下的传感器数值以确定铁塔主材应力值的变化范围，以此来作为判断铁塔处于不安全状态的依据。(4）利用本试验成果可以
31、在输电铁塔的主材变截面处安装类似定制的传感器，再设计配套的数据作者简介：作者简介：王德贺(1971-),汉族，安徽省亳州人，硕士，现就职于贵州电网公司培训与评价中心从输配电线路教学、培训、研究工作，邮编：550000。Theory and practice comparative analysis of Sensors monitorTheory and practice comparative analysis of Sensors monitortilted towertilted towerWANG De-he1,GAN Feng-lin2(1.Guizhou Electric Powe
32、r Vocational and Technical College of the Southern Power Grid,GuiYang 550000;2.China Datang Group Science and Technology Research Institute,Beijing 100032)ABSTRACT:In transmission lines,changes in external conditions often lead to instability of the iron leg,causingaccidents of the fall of the tower
33、.Besides,instability of the iron leg will definitely cause change of main materialforces of transmission tower.In order to predict in advance the causes of falling tower accidents,this essayproposes to utilize a specially designed strain sensor similar to the shape of package angle and the sensor in
34、stalledin the main material of the tower is used to reflect stress state of the towers main material.According to the outputvalue of sensor,we can determine whether the tower forces will reach the critical state of instability.In this way,we can obtain the goal of carrying out intelligence warning for the tower down so as to guarantee the normal andsafe operation of the transmission line.KEY WORDS:sensor;down-tower smart warning;instability of the iron leg;experimental analysis.