ElectricPowerScienceandEngineering
电力科学与工程
Vol34,No8Aug.,2018
doi:103969/jISSN1672-0792201808003
基于光纤传感技术的输电线路覆冰监测系统
杨 俊1,2,张长胜1,梁仕斌3,李 川1,昌 明4
(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明650501;2.云南电网公司研究生工作站,
云南昆明650217;3.云南电力试验研究院(集团)有限公司,云南昆明650217;
4.昆明能讯有限责任公司,云南昆明650217)
摘 要:基于光纤传感技术设计了一个输电线路覆冰监测系统,解决了电子式传感器需要现场供电,容易受到电磁干扰的缺点。使用ANSYS软件对输电线路杆塔受力进行有限元分析,从而确定传感器的安装位置。研制了一种光纤Bragg光栅拉力传感器对导线覆冰进行监测,通过OPGW光缆把光信号传输到解调仪和工控机。并对拉力传感器进行标定实验,实验表明,光纤Bragg光栅拉力传感器的灵敏度为00282nm/kN,线性度为0743%FS,迟滞误差为147%FS,并在实验室对所有光纤光栅传感器进行组网联调,观察覆冰监测系统光栅个数及波峰峰值。
关键词:输电线路;光纤传感技术;导线覆冰;拉力传感器
中图分类号:TM755 文献标识码:A 文章编号:1672-0792(2018)08-0012-06
Transmissionlineicingmonitoringsystembasedonoptical
fibersensingtechnology
YANGJun1,2,ZHANGChangsheng1,LIANGShibin3,LIChuan1,CHANGMing4
(1.SchoolofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,
Kunming650501,China;2.YunnanPowerGridCorporation,Kunming650217,China;3.YunnanElectricTest&ResearchInstituteGroupCo.,Ltd.,Kunming650217,China;
4.KunmingENERSUNTechnologyCo.,Ltd.,Kunming650217,China)
Abstract:Inthispaper,atransmissionlineicemonitoringsystembasedonopticalfibersensingtechnologyisdesignedtoovercometheshortcomingthattheelectronicsensorsneedtheon⁃sitepowersupplyandtheyarepronetoelectromagneticinterferences.ThefiniteelementanalysisofthetransmissionlinetowerisconductedinANSYStodeterminetheinstallationpositionofthesensor.AfiberBragggratingtensionsensorisdevelopedtomonitortheconductoricing,andtheopticalsignalistransmittedtothedemodulatorandindustrialcomputerthroughOPGWopticalcable.Thecalibration
收稿日期:2018-04-12
基金项目:国家自然科学基金(KKGD201503106)
作者简介:杨 俊(1992—),男,硕士研究生,主要研究方向为输电线路覆冰监测;
张长胜(1970—),男,副教授,主要研究方向为光纤传感技术。
第8期杨 俊,等:基于光纤传感技术的输电线路覆冰监测系统
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experimentoftensionsensorwascarriedout.TheexperimentshowsthatthesensitivityoffiberBragg
1.49%FS.Inthelaboratory,allFBGsensorswerenetworkedandtunedtoobservethenumberofgratingsandthepeaksofthepeaksintheice⁃coveringmonitoringsystem.
Keywords:transmissionline;opticalfibersensingtechnology;conductoricing;tensionsensor
gratingtensionsensoris0.0282nm/kN,andthelinearityis0.743%FSandthehysteresiserroris
0 引言
1 杆塔受力的有限元分析
线路覆冰和积雪会导致其性能下降 输电线路是电力系统稳定运行的基础,会引起到地,输电线折断,导线舞动,绝缘子覆冰闪络,甚至导致杆塔倒塌和通信中断等严重事故[1~3]输电线路的覆冰监测具有保证电网稳定工作和减。因此加强对小国家经济损失的意义。
目前国内的输电线路覆冰监测系统主要通过导线温度/倾角传感器、拉力传感器以及图像在线监测实现[4,5]量传感器,容易受到野外环境干扰。但是,现有的传感器均为电子式测,具有非线性、
零点漂移等特性,测量结果稳定性差,使用寿命比较短,可靠性有待提高[6,7]比,光纤Bragg光栅传感器具有耐腐蚀。与电子式测量传感器、无需野外供电、抗电磁干扰能力强、传输距离较远等特点[8,9]基于光纤。
Bragg光栅传感器的输电线路覆冰监测系统是一套为了针对输电线路在某些特殊地点覆冰而设计的,通过在杆塔上安装光纤Bragg光栅拉力传感器,可监测输电线路覆冰情况。并将传感信号通过OPGW光缆传送到变电站内的解调仪进行解调。变电站内工控机可对采集到的拉力数据进行分析、存储和分析,当出现各种异常情况时,系统会发出预警信号,提示管理人员对报警点进行查看和采取预防措施。该系统可以减少电网人员的巡线次数和提高巡线效率。
光纤Bragg光栅拉力传感器性能决定着整个覆冰监测系统的监测结果,所以对传感器进行性能测试实验是必须的。胡练华,赵振刚等[10]在光纤Bragg光栅拉力传感器不确定度标定实验中,得到FBG拉力传感器的灵敏度为0161kN/nm,线性度为1769%FS。蒋建[11]研制了输电线路覆冰0监测光纤光栅拉力传感器0489kN/nm,线性度为,其性能指标灵敏度为
为147%FS。
078%FS,迟滞性误差 杆塔横担的变形 当输电线路覆冰时,传感器的性能取决于其安装的,导线重量的变化会造成位置,如果传感器的安装位置不对,传感器的监测会由于杆塔的形变而受到影响。为了消除输电线路覆冰时杆塔变形造成的传感器监测数据的偏移,使用ANSYS软件对杆塔受力进行有限元分析,传感器的安装位置以仿真结果作为依据。
由图1和图2可知,当杆塔横担在承受1kN0荷021载时358,,形求变解的形最变大的位最移大(DMX值()SMX数值)为为
求解应力的最大值0021958;应力的最大位移(SMX)为(1DMX)386,为求解应力的最0021358,
小值(SMN)为0734E-05。应力分布最大和产生形变最大的位置是在杆塔横担的端部,而在杆塔横担的中间产生的形变和分布的应力都是最小的。
图1 横担承受1kN荷载时的形变云图
由图3和图4可知,当杆塔横担承受3kN荷载时,形变的最大位移(DMX)数值为0035597,求解形变的最大值(SMX)为0035597;应力的最大位移(DMX)为0035497,求解应力的最大值
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(SMX)为2314,求解应力的最小值(SMN)为
图2 横担承受1kN荷载时的应力分布云图
图3 杆塔横担承受3kN荷载时的形变云图
图4 杆塔横担承受3kN荷载时的应力分布云图
0位置同样在杆塔横担端部处122E-04。产生形变最大位置和应力分布最大,而在杆塔横担中间位置产生的形变和应力分布最小。
通过对杆塔受力的有限元分析可知,当杆塔横担承受不同荷载时,在横担端部位置产生的形变最大,同时横担端部承受的应力也是最大的。所以杆塔横担端部是输电线路覆冰时杆塔横担最容易断裂的地方,应该在此处安装拉力传感器和角度传感器。温湿度传感器由于其特殊的机械结构,在实际的安装中要求安装位置与安装角度不能发生任何变化,所以温湿度传感器安装于杆塔横担中间位置。
2 光纤Bragg光栅传感原理
光纤Bragg光栅的中心反射波长可以表示为λ:式中:λB=2neffΛ
(1)
B为光纤Bragg光栅反射波的中心波长;neff为光纤的有效折射率;Λ为光栅周期。由(1)式知,光纤Bragg光栅反射波的中心波长λ光纤的有效折射率nΛ变化而改变B随着
eff和光栅周期,当外界力、温度改变时都将使neff和Λ发生改变,通过测量反射波的中心波长偏移量能够测量所需物理量。光纤Bragg光栅传感器借助于外界装置将被测参量转化为温度或者应变的变化,使得光纤Bragg光栅反射波的中心波长发生变化,以便达
到要监测物理量的目的。
3 传感器的性能测试
栅 、法兰盘光纤Bragg、铠装光缆拉力传感器主要由光纤、金属光缆固定头和不锈钢Bragg光件组成,光纤Bragg光栅固定于金属外壳内,使用铠装光缆将两端光缆引出,使用金属光缆固定头将其固定在法兰盘。拉力传感器受力是由于安装的金具受力应变传导而至,本质上拉力传感器测量的是传感器的金具产生的应变量。所以,光纤长度Bragg、横截面积和传感器安装方式的影响拉力传感器测量量受到传感器金具的材料。、
光纤Bragg光栅拉力传感器原理是当传感器两固定支点受到力的作用时,固定支点之间的距
离发生了变化,使应变管发生了轴向形变,固定支
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点通过紧固管带动光纤Bragg光栅形变,从而引起了光纤Bragg光栅波长移位变化,通过测量波长移位量可以测出对应的应变量。在该传感器中,应变管所受外力产生的应变量按比例转换为管内光纤Bragg光栅的应变量,以降低传感器灵敏度,提高传感器量程。当比例系数为k时,传感器波长变化量与所受拉力之间关系为[10]:
骤三,设置拉力传感器的检测点,当万能拉力机施加荷载为0kN、10kN、20kN、30kN、40kN时分别保持3min的时间观察传感器稳定后的波长;步骤四万能拉力机对传感器减小荷载,当荷载减小检测点30kN、20kN、10kN、0kN时,同样保持3min的时间观察传感器中心波长。图7为拉力传感器与万能拉力机的实验现场布置。
λ=
1E·F
S
·(1-Pe)λ(2)
式中:λ为拉力传感器波长;E为不锈钢件的弹性模量;S为拉力传感器的横截面积;Pe为光纤有效弹光系数。
设计传感器外形时选择了圆柱式结构,将光纤光栅安装于铝制壳体内,壳体能够保护光纤光栅的作用,传感器两端一端安装一个封闭的U型挂环,另一端安装一个开口的U型挂环,开口U型挂环两端打孔。此设计是为了不增加输电线路的长度,将传感器代替实际输电线路垂直塔处的U型挂环(U⁃10)。实物如图5所示。
图5 光纤Bragg光栅拉力传感器实物
为了对光纤Bragg光栅拉力传感器进行标定实验和计量实验,设计了一个拉力测量系统。拉力传感器系统由万能拉力机、光纤Bragg光栅拉力传感器、解调仪和工控机组成。图6为拉力测量系统的Bragg光栅传感器与解调仪使用拉力传感器与万能拉力机连接原理图。实验过程中使用金FC跳线连接,光纤具把,工控机与
Bragg光纤解调仪使用USB数据线连接。实验过程可分为4个步骤:步骤一,对拉力传感器进行预负荷一次,万能拉力机对传感器施加负荷从kN,0kN增加到40器处于空载状态时再从40kN逐渐减少到,记录传感器空载时的波长0kN;步骤二,当传感;步图6 拉力测量系统原理图
图7 实验现场布置
通过上述的测量系统,对光纤Bragg光栅拉力25传感器进行定标试验和计量实验。当室内温度为
测试℃,时对光纤绘制出光纤BraggBragg拉力传感器进行正反行程的光栅拉力传感器拉力值与中心波长的特性曲线,并将其数据进行线性拟合,得出拟合曲线。如图8和图9所示。
图8 正行程校准曲线和拟合曲线
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图9 反行程校准曲线和拟合曲线
从图8和图9中可以看出,光纤Bragg光栅拉力传感器的中心波长与拉力值几乎呈现一个线性的趋势,拟合曲线的决定系数R2为0999,说明了拟合程度很好。正行程的拟合曲线表达式为:y=
0y028Bragg=03028x+12x541+19,541反行程的拟合曲线表达式为9。其中,00283为光纤:为光纤光栅拉力传感器正行程的灵敏度Bragg光栅拉力传感器的反行程灵敏度,0028。2分别对正反行程的拟合曲线进行分析研究,传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出的百分比为线性度[10]以看出,传感器正行程的最大偏差为。从图80和图008nm,9中可
反行程的最大偏差为001nm,传感器正、反行程的线性度分别为:
10008
×100%=0743%(3)0075FS
01
4
× 反行程中输入 迟滞特性是传感器在测量范围内10716
100%=0933%FS
(4)
—输出特性不重合的程度,正行程与[11]与图nm,光纤9中能够发现Bragg,正、反行程最大偏差为。0图016801014
光栅拉力传感器的迟滞误差为086
×100%=128%FS:
(5)
4 光纤传感器的组网联调
施工的 为了保证施工的顺利进行3个FBG拉力传感器、一只温湿度传感器,在实验室对即将2、
传感器的组网只小角度传感器和,如图101只大角度传感器进行光纤所示。解调仪发出光源经过15km模拟损耗,接到分光器,分光器40%端通过熔纤和光纤传感器网络连接,电脑和解调仪通过USB数据线连接,观察系统软件光栅个数。
图10 光纤传感器组网联调光路图
当解调仪发出的光源经过光纤光栅传感器后反射回去的光信号通过解调仪解调后在系统界面能够看到每个光栅的波峰以及波峰能量值11所示光纤光栅传感器网络的,如图值较好,适用于现场施工。
12个光栅能量峰
图11 调试界面
5 挂网试运行
月在云南省昭通彝良县某 光纤Bragg光栅拉力传感器已经与110kV输电线路挂网2017年10运行,将杆塔上现有的U型挂环替换为拉力传感器吊挂在玻璃绝缘子串的上端,注意观察传感器的尾纤,确保尾纤的不折断。
传感器现场安装如图12所示。
图12 传感器现场安装图
将金属软管上夹具固定在杆塔上,尾纤用黑
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色扎丝就近捆绑在拉力计的金属软管上(至少捆绑3处,该夹具上大螺丝在锁紧时不可损伤大倾角传感器的尾纤),再以不锈钢扎带或黑色扎丝将光缆捆绑在塔杆上,注意走线尽量顺沿塔杆,要求美观、不凌乱,最后在光交箱内熔接光纤头。
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6 结论
基于光纤传感技术设计了一种输电线路覆冰监测系统,通过ANSYS对输电线路杆塔受力进行有限元分析,以仿真结果为依据确定拉力传感器与倾角传感器安装于杆塔横担端部位置,温湿度传感器安装于杆塔横担中间位置。研制了用于监测覆冰的光纤Bragg光栅拉力传感器,通过对传感器的标定实验,得出了所研制的拉力传0感器灵敏度为00282nm/kN,线性度为
[10,11743%FS,迟滞误差为1升。在实验中采用的光纤]光纤Bragg光栅传28%Bragg感器FS,相对于文献光栅传感器和标的性能得到提定的仪器符合检定要求。
OPGW本文中所研制的光纤光缆传输光信号Bragg拉力传感器通过电磁干扰能力,适用于架空输电线路上的覆冰监,无需现场供电,具有强抗测。
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