输变电工程受力绳索量化预警管控的研究与实践

宋华松，杨泰朋，万磊

（国网安徽省电力有限公司建设分公司，合肥230000）

1 引言

钢丝绳索在使用过程中会根据使用方式产生不同的力，如张力、拉力等，当绳索受力超过其承受的极限值时，绳索将出现断裂。随着现代传感器以及计算机技术的发展，可以通过更多的方式测量绳索的受力，如电磁法等，此外，将传感器直接固定在绳索上也是一种常用的检测绳索受力的方式，但这种方式存在安装困难、维护困难和精度较低等缺陷，因此，研发一种新型的受力绳索量化检测装置，对保障输变电工程中的施工安全具有重要意义。

2 设计原理

输变电工程中绳索的受力结构如图1 所示。

图1 输变电工程中钢丝索的受力结构

图1 中，T为绳索受到的推力；F为绳索受到的拉力，绳索在这3 个力的作用下达到受力平衡。∠α 为绳索两侧拉力的夹角，当绳索不受推力T，仅受拉力F时，∠α 为0°。此时，绳索的状态为吊装完毕但尚未开始工作，而推力T则为绳索开始吊装人员或设备时受到的力，绳索在推力T的作用下开始弯曲，并形成索夹角∠α。基于力学中的受力平衡等理论，绳索受到的推力T的大小应与拉力F的大小成正相关关系，而拉力F过大时，绳索将在拉力的作用下出现延伸变形，如果此时的拉力F继续增大，则绳索将在拉力的作用下断裂。

由于拉力F作用在绳索上，因此，通过布置传感器的方式难以直接测量其数值，以往的通过测量拉力F的数值的方式也被证明实用性不强，存在精度较低的缺陷。但由于推力T与拉力F成正相关关系，因此，可以通过测量推力T的大小，经过反算得到拉力F的大小，而推力T的方向与绳索垂直，且T的方向是α 的角平分线方向，因此，容易测量，通过在推力T所在位置安装传感器的方式，并将相应的反算算法植入显示仪器中，即可实现实时显示拉力F的数值，同时还可在F过高时进行预警。

根据受力平衡的计算方式，推力T、拉力F与索夹角∠α之间的关系应为T=2Fcos(α/2)，当∠α 固定时，推力T的大小与拉力F的大小成正比，此时拉力F的计算公式为F=T/[2cos(α/2)]，将此公式写入力传感器的显示算法中，即可通过测量推力T来显示拉力F的数值。

3 装置构成

本装置主要为2 部分，由固定式的测量装置和便携式的外部显示器构成（见图2）。

图2 固定式测量装置结构图

3.1 固定测量装置

在实际的使用过程中，将该装置固定在绳索上，操作人员通过旋转手轮的方式使推索轮与绳索紧密固定，从而将装置牢固固定在绳索上。当绳索开始受力时，装置上的传感器便可以测量推力的数值，同时通过装置内部芯片中的反算算法计算F的值，并显示在面板上。

测量装置除检测绳索受力的大小外，还可以设定判定程序，以便在绳索受力过大时进行预警。此操作由操作人员在操作面板上完成。操作人员根据所用绳索的受力参数，将其最大受力值输入测量装置中，当测量装置检测到绳索的拉力F大于最大受力值时，便可以在显示面板上对操作人员进行声光预警，从而及时停止操作防止绳索因受力过大导致断裂[1]。

3.2 嵌入式显示器

嵌入式显示器搭载有传感器接头，可以与固定在绳索上的力学传感器拼接并读取其数据，同时，在绳索受力过大时进行报警，满足大型输变电工程中对绳索的临时测量需求。此外，该传感器还有以下附加功能：（1）具有USB 接口，可将数据等导出，方便后续的存档和数据分析工作；（2）可以随意设置报警界限值和报警方式，并实现在限内和限外的报警；（3）可以在常见的受力单位之间进行换算和显示，满足多种数据显示需求；（4）搭载嵌入式倾斜传感器，可以在测量绳索受力的同时测量其与地面的相对角度；可以与电脑配套的软件协同工作，实现数据的存储、传递和测试等。

4 技术关键点

本装置研发以及相关技术使用的过程中，存在以下关键点和难点：（1）根据施工单位对数据显示单位的要求，在几种常见的力学单位之间进行换算，并将换算后的数据实时显示在显示器上；（2）在嵌入式显示器中搭载水平传感器，同时利用传感器实现绳索对地和其他参考平面的夹角的测试，以满足输变电施工中的日常检查等需求；（3）测量绳索的直径，一般输变电施工中常用的绳索的直径在10～22mm，便携式显示器应具备测量绳索直径的功能并将其显示在显示器上；（4）通过设定测量装置的界限值，使其在达到最大受力值时发出声光报警，同时在显示屏上进行提示；（5）装置应有适配的电脑配套软件，装置与软件连接后应当实现数据的传输、管理、存档、分析、报表自动生成以及打印等管理所需的功能；（6）嵌入式显示器的大小和重量应当控制在普通手机的范围内，便于携带；（7）测量装置的最大测量范围应当为100kN，测量精度应不大于6%。

5 实际应用

在完成对所设计装置的制造、测试以及部署工作后，在金皋线500kV 该输变电工程中使用所开发的装置，并检测该装置能够通过实际使用的测试。装置的部署在金皋线部分作业环境较为复杂的区域进行，通过收集输变电工程作业中使用的绳索规格以及其受力参数后，将相关参数导入到装置中，完成装置的设置并协同操作人员将其部署在绳索上。在部署装置并进行实际的测验后，装置可以实时反映绳索的受力情况，并在绳索达到最大受力值时进行预警。同时装置的附加功能如单位转换以及报表显示等也可以正常工作。

6 结语

本文设计了一种输变电工程绳索受力预警和管理装置，通过测量工作中绳索受到的推力的方式反推其受到的拉力，并实现在受力达到最大值时进行预警。经过实际测试，装置能够发挥正常作用，满足输变电工程中对绳索受力的分析需求。