Zhao lung

1 Școală de inginerie electromecanică, Universitatea Xidian, Xi’an 710070, China; nc.ude.upx@gnoloahz (L.Z.); nc.ude.naidix@aijyj (J.J.)

firelor

2 Școala de electronică și informație, Universitatea Politehnică Xi’an, Xi’an 710048, China; nc.ude.upx@nacgnoyuhz (Y.Z.); nc.ude.upx@newoac (W.C.)

Xinbo Huang

2 Școala de electronică și informație, Universitatea Politehnică Xi’an, Xi’an 710048, China; nc.ude.upx@nacgnoyuhz (Y.Z.); nc.ude.upx@newoac (W.C.)

Jianyuan Jia

1 Școală de inginerie electromecanică, Universitatea Xidian, Xi’an 710070, China; nc.ude.upx@gnoloahz (L.Z.); nc.ude.naidix@aijyj (J.J.)

Yongcan Zhu

2 Școala de electronică și informație, Universitatea Politehnică Xi’an, Xi’an 710048, China; nc.ude.upx@nacgnoyuhz (Y.Z.); nc.ude.upx@newoac (W.C.)

Wen Cao

2 Școala de electronică și informație, Universitatea Politehnică Xi’an, Xi’an 710048, China; nc.ude.upx@nacgnoyuhz (Y.Z.); nc.ude.upx@newoac (W.C.)

Abstract

1. Introducere

Vibrațiile eoliene apar adesea pe liniile de transmisie atunci când un vânt constant suflă spre conductori. Vibrațiile pe termen lung determină deseori ruperea unei linii de transmisie în punctul de contact fixat [1,2]. Pentru a evita un astfel de accident, vibrația liniilor de transmisie trebuie monitorizată. Metoda existentă pentru o astfel de monitorizare calculează valoarea tensiunii dinamice de îndoire prin măsurarea amplitudinii vibrațiilor unui conductor la o distanță de 89 mm de la ultimul punct de contact dintre conductor și clemă; metoda calculează apoi durata de viață a oboselii pe baza tensiunii dinamice de îndoire și a numărului de cicluri de vibrații. Senzorii fasciculului în consolă [3,4], senzorii radar [4,5] și senzorii de accelerație [6] au fost folosiți pentru a implementa această tehnică de monitorizare. Unii dintre acești senzori pot măsura cu precizie amplitudinea și frecvența; cu toate acestea, ei nu pot prezice cu precizie viața de oboseală. Conform Referinței [7], vibrațiile vor provoca uzura între fire; această uzură este un alt factor care reduce durata de viață, în plus față de efectele oboselii metalelor și duce la necesitatea unor inspecții manuale frecvente pentru a evita accidentele de linie rupte.

Pentru liniile de transmisie, cel mai des utilizat cablu din aluminiu armat cu oțel (ACSR) este compus din mai multe fire de aluminiu și miezuri de oțel. Când un fir este rupt, rigiditatea la îndoire scade, ceea ce duce la modificări ale parametrilor modali. Această tehnologie, numită identificare modală, este aplicată monitorizării structurale a podurilor [14,15] și a turbinelor eoliene [16]. Modul unei structuri poate fi identificat prin modificări ale frecvenței naturale, permițând detectarea locației unei defecțiuni sau a lungimii unei fisuri.

În această lucrare, este propusă o metodă de detectare a șuvițelor rupte care utilizează identificarea modală. Această metodă este testată pe o linie de transmisie LGJ-15/95. Rezultatele experimentale arată că frecvențele naturale ale fiecărui mod scad după ruperea firelor. Mai mult, este proiectat un sistem de monitorizare bazat pe fibră Bragg (FBG) compus dintr-un senzor de accelerație bazat pe FBG, senzor de viteză a vântului, analizor și centru de monitorizare. Sistemul măsoară accelerația vibrațiilor unui conductor și viteza vântului și apoi calculează frecvențele naturale ale conductorului. În cele din urmă, sistemul de monitorizare este testat pe o linie de transmisie de 105 m la Universitatea Politehnică Xi'an, iar metoda transformării Fourier în timp scurt (STFT) și metoda de identificare stocastică a subspaiului (SSI) sunt utilizate pentru a identifica frecvențele naturale ale vibrațiilor conductorul. Rezultatele experimentale arată că furnizorii de analize SSI au o precizie mai mare decât STFT și pot extrage frecvența naturală la diferite viteze ale vântului.

2. Toroane rupte și frecvențe naturale

2.1. Principiu

O linie aeriană de transmisie suspendată între două turnuri are o anumită cădere cauzată de efectul combinat al tensiunii și al gravitației. Modul de vibrație al firului este de obicei o undă sinusoidală, similară vibrației unui șir. Frecvența naturală pentru vibrația unui șir poate fi calculată prin următoarea ecuație:

unde ω este frecvența naturală, l este lungimea conductorului, T este tensiunea conductorului, m este masa conductorului pe unitate de lungime și n este al n-lea mod.

Ecuația (1) calculează valoarea aproximativă a frecvenței naturale a liniei de transmisie, dar ignoră efectul rigidității asupra frecvenței naturale. De fapt, firul este mai asemănător cu o grindă fixată la ambele capete și supusă tensiunii. Un model al vibrației transversale a firului este prezentat în Figura 1, iar frecvența sa naturală poate fi calculată prin ecuația (2):

unde EI este rigiditatea firului. Datorită proprietăților unice ale unei structuri de sârmă date, rigiditatea nu poate fi calculată cu precizie. Cu toate acestea, rigiditatea aproximativă a liniei de transport poate fi obținută prin calculul bazat pe cota:

unde Ei este modulul elastic al firelor, d este diametrul firului și n este numărul total de fire.

Modelul vibrației transversale a unei linii de transmisie.

Figura 2 prezintă o vedere în secțiune transversală a unei linii de transmisie. Conform figurii 2, precum și ecuațiilor (2) și (3), atunci când firele se rup, rigiditatea liniei de transmisie va scădea, iar frecvența naturală va scădea pe măsură ce rigiditatea scade.

Vedere în secțiune transversală a unei linii de transmisie: (A) Înainte ca firele să fie rupte; (b) După ce firele sunt rupte.

În plus, datorită schimbării temperaturii, lungimea și rigiditatea conductorului se vor schimba. Lungimea conductorului în funcție de temperatură poate fi exprimată ca:

unde lT este lungimea conductorului când temperatura este T ° C, l0 este lungimea conductorului când temperatura este 0 ° C, α este coeficientul de expansiune liniară (18,9 × 10 −6/° C pentru LGJ- 95/15).

Rigiditatea firului în funcție de temperatură poate fi exprimată ca:

unde η este coeficientul de temperatură al modulului de elasticitate (4,72 × 10 −4/° C pentru LGJ-95/15).

2.2. Setare experimentala

A fost efectuat un experiment de vibrații pentru a demonstra că identificarea modală poate fi utilizată pentru a identifica firele rupte.

Figura 3a prezintă o schemă a platformei experimentale. Cele două capete ale conductorului au fost fixate, iar tensiunea inițială a fost asigurată de dispozitivul de ridicare. Senzorul de tensiune a măsurat valoarea tensiunii, iar cele două capete ale conductorului au fost presate de placa de presiune. Pentru o lungime a conductorului de aproximativ 10 m, a fost utilizat un LGJ-95/15 ACSR. Pentru a minimiza eroarea de măsurare cauzată de schimbarea temperaturii, temperatura interioară a fost menținută la 24 ° C, cu o eroare de cel mult 1 grad Celsius. Acest tip de ACSR avea două straturi de fire de aluminiu și două straturi de miezuri de oțel. Un vibrator a fost instalat la două treimi pe lungimea conductorului, iar masa vibratorului a fost conectată la conductor.

Platforma experimentului: (A) Schema platformei experimentale; (b) Fotografia platformei experimentale. ACSR = conductor din aluminiu armat cu oțel.

Locație de plajă ruptă.

Figura 5 prezintă forma de undă a domeniului timp al accelerației conductorului și a agitatorului înainte și după ce un fir a fost rupt. Nu există nicio diferență clară în semnalele de accelerație din diagramă. Deși amplitudinea vibrației agitatorului rămâne aproape neschimbată, amplitudinea accelerației vibrației conductorului nu este constantă; cu toate acestea, multe puncte de vârf apar în curbele conductorului, unde poate apărea rezonanță. Pentru un conductor, un obiect elastic a cărui masă este distribuită continuu are frecvențe naturale multiple. Astfel, frecvențele corespunzătoare punctelor de vârf din figura 5a, b sunt frecvențele naturale; cu toate acestea, valorile frecvenței nu pot fi ușor identificate.

Forme de undă ale accelerațiilor din domeniul timpului:(A) accelerarea vibratorului înainte ca orice fir să fie rupt; (b) accelerarea vibratorului după ce un fir a fost rupt; (c) accelerarea ACSR înainte ca orice fir să fie rupt; (d) accelerarea ACSR după ce un fir a fost rupt.

De obicei, funcția de răspuns în frecvență poate reflecta intuitiv parametrii modali ai unui fir. Funcția de răspuns în frecvență este densitatea spectrală de excitație de auto-putere împărțită la densitatea spectrală a firului și excitația, dată de:

unde H (ω) este funcția de răspuns în frecvență, x ¨ (s) este accelerarea vibrației conductorului după transformarea Fourier și f (s) este forța excitantă a vibratorului după transformarea Fourier.