高汝武

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 366000)

超高壓架空輸電線路在長期運行中，由于受各種氣象條件的影響，關(guān)鍵構(gòu)件容易出現(xiàn)疲勞損壞，引發(fā)事故。如在覆冰或冰雪混合物及風(fēng)的作用下，導(dǎo)線會發(fā)生不同形式的振蕩，這些振蕩都可能導(dǎo)致導(dǎo)線、金具、絕緣子和鐵塔構(gòu)件的疲勞。疲勞的形成是一個漸變的過程。在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，產(chǎn)生疲勞損傷在構(gòu)件的裂紋敏感部位會形成疲勞裂紋，疲勞裂紋進一步擴展就會形成宏觀裂紋并最終導(dǎo)致構(gòu)件的失效，引起導(dǎo)線斷股、絕緣子串掉串、線路倒塔等惡性事故［1－2］。

構(gòu)件由于疲勞形成的失效是一個漸進過程，因此根據(jù)損傷容限分析原理可知，只要裂紋擴展速度較慢，在構(gòu)件使用期間允許存在初始缺陷或出現(xiàn)一定程度的疲勞裂紋［3－5］。但為了保證構(gòu)件的絕對安全，有必要在構(gòu)件工作時對裂紋敏感部位進行實時監(jiān)測，尤其是針對某些惡劣工作環(huán)境下的裂紋敏感部位進行監(jiān)控。

1 實時監(jiān)測系統(tǒng)的仿真設(shè)計

1.1 仿真設(shè)計思想

在疲勞裂紋的實時監(jiān)測中有兩方面問題必須進行分析。

一是關(guān)于監(jiān)測的物理量參數(shù)對象。根據(jù)信號傳感原理，若在被測單元片(模擬構(gòu)件的裂紋敏感部位)兩端加直流恒壓源，一旦在被測單元片上有裂紋出現(xiàn)，其兩端的輸出電壓就會因裂紋電阻的變化而發(fā)生改變。這種改變是非常微小的，但是通過信號放大單元可以將這種電壓的微弱變化放大到采集單元的采集范圍內(nèi)，經(jīng)輸送之后由電腦終端采集并按照要求對信號進行處理與診斷。本文通過基于Simulink仿真設(shè)計的程序?qū)⒉杉降碾妷盒盘栟D(zhuǎn)換成對應(yīng)的裂紋長度值，并將該值與預(yù)置的裂紋長度預(yù)警值進行比較。如果采集值大于預(yù)警值，程序報警;否則屬于安全范圍。與此同時，系統(tǒng)會以文本格式將監(jiān)測時間和對應(yīng)的監(jiān)測裂紋長度值記錄下來，以備后用。

二是關(guān)于疲勞裂紋長度的診斷原理。本文分析了兩種不同的仿真思想:第1種仿真思想需要首先建立裂紋長度與對應(yīng)電壓關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)裂紋產(chǎn)生過程的特點可知，隨著裂紋的擴展，單元片上的電阻絲柵逐個斷裂，其電阻也逐漸增加，單元片兩端的電壓也隨之增大。在不受外力的情況下，在理論上單元片兩端的電壓與單元片電阻絲柵的個數(shù)是一一對應(yīng)的，通過電壓即可判斷單元片上電阻絲柵的個數(shù)，即裂紋通過單元片的長度，從而測算裂紋長度。但是這需要對電阻絲柵斷裂時的電壓進行標定，并建立起相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，最終獲得具有不同斷裂電阻絲柵單元片兩端電壓的適用范圍。比如實測某型絕緣子，當(dāng)單元片沒有裂紋時其兩端電壓一般在0.4 mV左右，斷裂一根電阻絲柵時，電壓為0.62 mV，兩者電壓相差較大，即可分別給其標定各自范圍，在0～0.5 mV范圍內(nèi)可認為電阻絲柵斷裂個數(shù)為0，在0.51～0.7 mV范圍內(nèi)可判斷斷裂電阻絲柵個數(shù)為1，以此類推。這種仿真思想僅適用于被測單元片不受外力或所受外力較小，輸出電阻變化較小的情況，而且標定范圍的確定需要大量數(shù)據(jù)支撐，需要耗費大量各類構(gòu)件的裂紋單元片樣本，費時費力。

第2種仿真思想的診斷原理流程如圖1所示。單元片貼于被測關(guān)鍵構(gòu)件表面后，如果給構(gòu)件加載，構(gòu)件受力會產(chǎn)生應(yīng)變，單元片也會有相應(yīng)的變形。這種變形會使得單元片的電阻絲柵發(fā)生變形而引起電阻變化，因此這種情況下單元片兩端的電壓與在不受力情況下標定的單元片電壓不符，所測電壓會超出標定電壓范圍。如果仍舊使用查表法查找此時對應(yīng)的裂紋長度就會與實際裂紋長度有所偏差，引起誤判。針對這種情況本文制定了第2種仿真思想。單元片在受應(yīng)力變形的時候其兩端的電壓變化是非常緩慢的，可以看做是一種連續(xù)變化，而單元片的電阻絲斷裂時其電壓變化是較大的，可以稱之為發(fā)生了電壓跳變。跳變發(fā)生時，斷裂前的電壓和斷裂發(fā)生后的電壓差至少在0.15 mV以上，而由于應(yīng)力發(fā)生的電壓變化一般為0.01 mV以下，因此可通過判斷電壓是否發(fā)生跳變來決定是否有電阻絲柵斷裂。發(fā)生一次跳變裂紋就會增加一個單位長度。這種仿真思想無需建立龐大的“電壓－裂紋長度”數(shù)據(jù)庫，也就省去了對單元片電壓的標定過程，節(jié)省了大量人力物力。同時單元片即使在粘貼在工件表面也可精確測試裂紋長度，因此更適合實際測試環(huán)境的需要。

圖1 診斷原理流程

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)的人機交界面板

Simulink平臺為程序設(shè)計者提供了非常便于操作的人機交互界面，其前面板的設(shè)計給了設(shè)計人員很多的控件選擇，可以設(shè)計出更美觀、更實用的控制面板供客戶使用。

圖2為基于第2種仿真思想設(shè)計的人機交互界面。由于該種仿真思想無需通過“電壓－裂紋長度”數(shù)據(jù)庫查找對應(yīng)裂紋長度，因此省去了單元片型號的選擇。改變單元片型號時只需輸入單元片型號對應(yīng)的電阻絲間距即可。考慮到測試初期已經(jīng)有初始裂紋，本研究添加了初始裂紋長度的輸入，監(jiān)控設(shè)備開啟后即可在此初始裂紋長度的基礎(chǔ)上輸出新的裂紋長度。同時在軟件中添加了數(shù)值輸入控件，在該輸入控件中輸入監(jiān)測裂紋的預(yù)警值。當(dāng)系統(tǒng)采集信號轉(zhuǎn)換的裂紋長度值超過了預(yù)警值時，系統(tǒng)設(shè)置的蜂鳴器就會報警，同時報警通道也會亮起紅色報警燈。系統(tǒng)中添加的布爾型開關(guān)按鈕控件可以控制數(shù)據(jù)的記錄，記錄的數(shù)據(jù)保存為TXT文本，文件路徑則通過系統(tǒng)中的文件路徑輸入控件進行輸入。圖形顯示控件可以根據(jù)需要選擇16路通道中的實時裂紋擴展情況。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)的人機交互界面

1.3 程序框圖設(shè)計

軟件部分以Simulink作為Matlab環(huán)境下的可視化仿真組件，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。

Simulink程序框圖的作用是運用圖形化語言的形式實現(xiàn)仿真思想。程序框中包含了數(shù)據(jù)流和命令流的流動。每個節(jié)點都具備相應(yīng)的功能，且都有輸入或輸出端口。

電壓數(shù)據(jù)被分配到對應(yīng)的通道后，需要將其轉(zhuǎn)換成所需的裂紋長度，這就需要建立電壓與裂紋長度的對應(yīng)關(guān)系。而使用不同的單元片，其裂紋長度與電壓的對應(yīng)關(guān)系是不同的，所以需要建立不同型號的單元片的裂紋長度與電壓間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。因此，本文對3種單元片逐個進行標定，即將單元片按要求安裝后，分別將單元片上的電阻絲一一切斷，從而得到不同裂紋長度時所對應(yīng)的電壓值。實際采集時，通過得到的電壓值即可找出對應(yīng)的裂紋長度值。在Simulink軟件中可以自制節(jié)點，使用本文自制的查找功能節(jié)點將數(shù)據(jù)庫內(nèi)的電壓－裂紋長度值的對應(yīng)關(guān)系輸入節(jié)點內(nèi)，就獲得了具有通過電壓查找裂紋長度的函數(shù)。

將采集電壓轉(zhuǎn)換為裂紋長度后，通過數(shù)據(jù)輸出控件即可將監(jiān)測裂紋顯示在前面板上，同時可通過圖表顯示控件制成隨時間改變的裂紋長度曲線。條件結(jié)構(gòu)框則根據(jù)前后2次電壓差ΔU的大小判斷是否發(fā)生電壓跳變而確定是否有新的電阻絲柵出現(xiàn)。使用條件結(jié)構(gòu)將裂紋長度與預(yù)置的預(yù)警值進行比較，如果超過預(yù)警值即判斷為真并報警。使用“打開/創(chuàng)建/替換文件”函數(shù)建立 TXT文本文件，將文件名設(shè)為創(chuàng)建日期+通道號，從文件名即可判斷文件的記錄日期和對應(yīng)通道。將所測裂紋長度及對應(yīng)時間寫入該TXT文件。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，還可以間接得到裂紋擴展速度等數(shù)據(jù)。

2 多通道監(jiān)測系統(tǒng)的硬件支撐

架空超高壓輸電線路關(guān)鍵構(gòu)件監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括信號變送子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、處理和診斷子系統(tǒng)三大部分［6］。圖3為該多通道監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計。

圖3 多通道監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 信號變送子系統(tǒng)

包括在電氣設(shè)備現(xiàn)場的被監(jiān)測的構(gòu)件、適用單元片、直流電壓源、電壓傳感器等。

2.1.1 直流電壓源

本項目選用TPR-1510系列15V/10A直流穩(wěn)壓電源，該新產(chǎn)品適用于教學(xué)實驗、科研、電子生產(chǎn)線的產(chǎn)品的測試，其輸入電壓AC為(220±10%)V、50 Hz，穩(wěn)壓狀態(tài):電壓穩(wěn)定度小于等于(0.05%+2)mV，負載穩(wěn)定度小于等于(0.5%+2)mV。

2.1.2 采樣單元片

本文所用單元片的型號有3種:TK-09-CPA01-005/DP、TK-09-CPA02-005/DP 和 TK-09-CPC03-003/DP。當(dāng)有裂紋穿過單元片時，單元片內(nèi)的平行電阻絲將隨著裂紋的擴展逐個被切斷，使得單元片上的電阻絲斷路引起單元片的電阻發(fā)生變化，從而引起單元片兩端的電壓，即所采集到的電壓發(fā)生相應(yīng)變化。所以只要分析單元片電阻、裂紋擴展長度和所測電壓之間的具體關(guān)系就可以制定相應(yīng)的仿真思想監(jiān)控裂紋變化情況。CPA01和CPA02兩種單元片的區(qū)別僅在于兩者電阻絲間距不同，CPA01的電阻絲間距僅為CPA02的一半，它們均有20根電阻絲，因此CPA01具有更高的精確性。CPC型單元片的電阻值增量與斷路電阻絲柵斷裂數(shù)裂紋擴展方向電阻的數(shù)目有很好的線性關(guān)系，而且其測試長度更長，客戶可根據(jù)實際需求選擇合適的單元片型號。單元片CPA01、CPA02、CPC03電阻絲斷裂數(shù)與電阻間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 單元片CPA01、CPA02、CPC03電阻絲斷裂數(shù)與電阻間的關(guān)系

2.1.3 電壓傳感器

主要作用是檢測到疲勞裂紋導(dǎo)致的電壓變化信息，并能將該信息按一定規(guī)律變換成為符合一定標準需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足下環(huán)節(jié)對該項信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。應(yīng)選用直流型電壓傳感器，采用模擬量輸出模式。

2.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

包括信號預(yù)處理和數(shù)據(jù)采集兩部分，一般在被監(jiān)測構(gòu)件附近，也可在電氣設(shè)備現(xiàn)場。

2.2.1 信號預(yù)處理單元

其功能主要是對輸入信號的電平作必要的調(diào)整和采取抑制干擾的措施，以提高信噪比。經(jīng)測試，該系統(tǒng)正常工作時單元片兩端的輸出電壓在10 mV以內(nèi)，而數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍為－10～10 V。為了使得所采集的信號在采集卡的識別范圍內(nèi)，常用的方法是使用采樣放大器來對采集信號進行放大。本項目使用的采樣放大電路板的型號為XT-A1-VV16-H型16路信號放大端子板。該設(shè)備可以將0～10 mV范圍的電壓放大至0～10 V，其放大增益為1000倍，放大后的電壓范圍可以很好地滿足數(shù)據(jù)采集的需要。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集的功能是對經(jīng)過預(yù)處理的信號進行采集、A/D轉(zhuǎn)換和記錄。本項目所使用的數(shù)據(jù)采集裝置選用美國NI公司的USB6211型數(shù)據(jù)采集卡。該型采集卡有16路采集通道，體積小巧，攜帶方便，并具有模擬輸入、輸出的功能和數(shù)字I/O功能。采集卡與計算機終端連接以后可根據(jù)需要設(shè)置采集設(shè)備的采集模式、通道、輸入配置采樣率和最大及最小輸入閑置等參數(shù)。該采集卡的輸入配置有3種，即差分測量系統(tǒng)、參考地端測量系統(tǒng)和無參考地端測量系統(tǒng)。選擇差分輸入系統(tǒng)有8路輸入，選擇單端輸入則是16路輸入。當(dāng)輸入信號為大于1 V的高電平且信號源距離采集端較近時(距離小于5 m時)，適合采用單端輸入模式，并使用一個共同點作為參考點，否則以差分輸入方式更為合適。選擇差分輸入方式時，由于輸入信號有不同的參考端，因此可以有效抑制共模噪聲，使得差分輸入方法的采集精度大為提高。所以應(yīng)該靈活地選擇適合的輸入方式，當(dāng)必須選擇差分輸入方法且輸入信號超過8路時，則需添加同種型號的數(shù)據(jù)采集卡，如無需使用差分方式，則單端輸入即可滿足16路輸入信號以內(nèi)的需求。由于本項目多通道力求16路模擬輸入，在室內(nèi)實驗時可以選用單端輸入的方法，如實際測量現(xiàn)場需要更高的精度和抗噪性能，可考慮使用差分輸入，但應(yīng)增加一個采集卡，以支撐16通道需要。

2.3 信號的傳輸

從數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，最后應(yīng)通過傳輸通道或遠或近地送入計算機進行處理和診斷，這一過程涉及信號傳送的方式、介質(zhì)和抗干擾等問題。本項目為達理想的傳送速度，選用并行的DMA方式，即直接存儲器存取方式。USB6211型數(shù)據(jù)采集卡的采樣率為200 kHz，即5 μs采一個字節(jié)，而DMA的動作周期僅1.26 μs，很好地適應(yīng)了傳送速率問題。為避免信號在傳送過程中受其他信號干擾造成畸變或誤動作，本監(jiān)測系統(tǒng)采用“電－光纖－電”隔離技術(shù)。光纖信號的傳輸用單模光纖，其纖徑小，帶寬大，適于多通道容量信號傳送。

2.4 數(shù)據(jù)處理和診斷子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)實則由是一臺或多臺計算機和監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件組成，位置在距現(xiàn)場約數(shù)十米至數(shù)百米的主控室內(nèi)。其中，數(shù)據(jù)處理是對監(jiān)測到的信號進行分析研究，以保證去偽存真并起由表及里的處理效果。目前，電氣設(shè)備監(jiān)測使用較多的是以幅頻特性變化為主要特征的頻譜分析法。診斷單元則是根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供的信息，包括監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，對超高壓線路關(guān)鍵構(gòu)件的裂紋情況進行分析，判斷是否報警，以確定應(yīng)采取的運行技術(shù)措施。

3 結(jié)束語

針對超高壓輸電線路關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞裂紋監(jiān)測，比較了兩種不同的仿真思想，并基于Simulink虛擬儀器平臺設(shè)計了虛擬儀器系統(tǒng)。第1種仿真思想是以查表的形式將所測電壓引至電壓－裂紋長度數(shù)據(jù)庫中，查詢此時裂紋長度的大小，這種方法僅適用于單元片不受外力或所受外力較小、單元片電阻變化較小的情況，而且標定范圍的確定需要大量數(shù)據(jù)支撐，需要耗費大量單元片，費時費力。第2種仿真思想通過判斷電壓是否發(fā)生跳變從而確定是否有新的裂紋產(chǎn)生。由于該系統(tǒng)無需建立針對不同型號單元片的電壓－裂紋長度數(shù)據(jù)庫，省去了對單元片電壓的標定過程，節(jié)省了大量人力物力，且加載前即可粘貼單元片，可精確測試裂紋長度，同時適用于載荷變化較大的情況，這使得新系統(tǒng)的測試更加便于操作，擴大了測試范圍，適合實際測試環(huán)境的需要。架空超高壓輸電線路作為大型生命線工程，近年來由于關(guān)鍵構(gòu)件疲勞裂紋引發(fā)的事故較多地發(fā)生。利用上述新型裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)，對架空超高壓輸電線路的導(dǎo)線、金具、絕緣子和鐵塔構(gòu)件進行實時監(jiān)測，實時掌握架空超高壓輸電線路關(guān)鍵構(gòu)件的工作狀態(tài)，對確保架空超高壓輸電線路的可靠運行具有重要的意義。

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