楊 俊， 張長(zhǎng)勝， 梁仕斌， 李 川， 昌 明

(1. 昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650501； 2. 云南電網(wǎng)公司研究生工作站， 云南 昆明 650217； 3. 云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司，云南 昆明 650217； 4. 昆明能訊有限責(zé)任公司，云南 昆明 650217)

0 引言

輸電線路是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，輸電線路覆冰和積雪會(huì)導(dǎo)致其性能下降，會(huì)引起到地線折斷，導(dǎo)線舞動(dòng)，絕緣子覆冰閃絡(luò)，甚至導(dǎo)致桿塔倒塌和通信中斷等嚴(yán)重事故[1～3]。因此加強(qiáng)對(duì)輸電線路的覆冰監(jiān)測(cè)具有保證電網(wǎng)穩(wěn)定工作和減小國(guó)家經(jīng)濟(jì)損失的意義。

目前國(guó)內(nèi)的輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)導(dǎo)線溫度/傾角傳感器、拉力傳感器以及圖像在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)[4，5]。但是，現(xiàn)有的傳感器均為電子式測(cè)量傳感器，容易受到野外環(huán)境干擾，具有非線性、零點(diǎn)漂移等特性，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性差，使用壽命比較短，可靠性有待提高[6，7]。與電子式測(cè)量傳感器比，光纖Bragg光柵傳感器具有耐腐蝕、無(wú)需野外供電、抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)[8，9]。

基于光纖Bragg光柵傳感器的輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套為了針對(duì)輸電線路在某些特殊地點(diǎn)覆冰而設(shè)計(jì)的，通過(guò)在桿塔上安裝光纖Bragg光柵拉力傳感器，可監(jiān)測(cè)輸電線路覆冰情況。并將傳感信號(hào)通過(guò)OPGW光纜傳送到變電站內(nèi)的解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)。變電站內(nèi)工控機(jī)可對(duì)采集到的拉力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和分析，當(dāng)出現(xiàn)各種異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示管理人員對(duì)報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行查看和采取預(yù)防措施。該系統(tǒng)可以減少電網(wǎng)人員的巡線次數(shù)和提高巡線效率。

光纖Bragg光柵拉力傳感器性能決定著整個(gè)覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，所以對(duì)傳感器進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)是必須的。胡練華，趙振剛等[10]在光纖Bragg光柵拉力傳感器不確定度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，得到FBG拉力傳感器的靈敏度為0.161 kN/nm,線性度為1.769%FS。蔣建[11]研制了輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)光纖光柵拉力傳感器，其性能指標(biāo)靈敏度為 0.048 9 kN/nm,線性度為0.78%FS，遲滯性誤差為1.47%FS。

1 桿塔受力的有限元分析

當(dāng)輸電線路覆冰時(shí)，導(dǎo)線重量的變化會(huì)造成桿塔橫擔(dān)的變形，傳感器的性能取決于其安裝的位置，如果傳感器的安裝位置不對(duì)，傳感器的監(jiān)測(cè)會(huì)由于桿塔的形變而受到影響。為了消除輸電線路覆冰時(shí)桿塔變形造成的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的偏移，使用ANSYS軟件對(duì)桿塔受力進(jìn)行有限元分析，傳感器的安裝位置以仿真結(jié)果作為依據(jù)。

由圖1和圖2可知，當(dāng)桿塔橫擔(dān)在承受1 kN荷載時(shí)，形變的最大位移(DMX)數(shù)值為 0.021 358，求解形變的最大值(SMX)為 0.021 958；應(yīng)力的最大位移(DMX)為 0.021 358，求解應(yīng)力的最大值(SMX)為1.386，求解應(yīng)力的最小值(SMN)為0.734E-05。應(yīng)力分布最大和產(chǎn)生形變最大的位置是在桿塔橫擔(dān)的端部，而在桿塔橫擔(dān)的中間產(chǎn)生的形變和分布的應(yīng)力都是最小的。

圖1 橫擔(dān)承受1 kN荷載時(shí)的形變?cè)茍D

由圖3和圖4可知，當(dāng)桿塔橫擔(dān)承受3 kN荷載時(shí)，形變的最大位移(DMX)數(shù)值為 0.035 597，求解形變的最大值(SMX)為 0.035 597；應(yīng)力的最大位移(DMX)為 0.035 497，求解應(yīng)力的最大值

圖2 橫擔(dān)承受1 kN荷載時(shí)的應(yīng)力分布云圖

圖3 桿塔橫擔(dān)承受3 kN荷載時(shí)的形變?cè)茍D

圖4 桿塔橫擔(dān)承受3 kN荷載時(shí)的應(yīng)力分布云圖

(SMX)為2.314，求解應(yīng)力的最小值(SMN)為0.122E-04。產(chǎn)生形變最大位置和應(yīng)力分布最大位置同樣在桿塔橫擔(dān)端部處，而在桿塔橫擔(dān)中間位置產(chǎn)生的形變和應(yīng)力分布最小。

通過(guò)對(duì)桿塔受力的有限元分析可知，當(dāng)桿塔橫擔(dān)承受不同荷載時(shí)，在橫擔(dān)端部位置產(chǎn)生的形變最大，同時(shí)橫擔(dān)端部承受的應(yīng)力也是最大的。所以桿塔橫擔(dān)端部是輸電線路覆冰時(shí)桿塔橫擔(dān)最容易斷裂的地方，應(yīng)該在此處安裝拉力傳感器和角度傳感器。溫濕度傳感器由于其特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的安裝中要求安裝位置與安裝角度不能發(fā)生任何變化，所以溫濕度傳感器安裝于桿塔橫擔(dān)中間位置。

2 光纖Bragg光柵傳感原理

光纖Bragg光柵的中心反射波長(zhǎng)可以表示為：

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為光纖Bragg光柵反射波的中心波長(zhǎng)；neff為光纖的有效折射率；Λ為光柵周期。由(1)式知，光纖Bragg光柵反射波的中心波長(zhǎng)λB隨著光纖的有效折射率neff和光柵周期Λ變化而改變，當(dāng)外界力、溫度改變時(shí)都將使neff和Λ發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量反射波的中心波長(zhǎng)偏移量能夠測(cè)量所需物理量。光纖Bragg光柵傳感器借助于外界裝置將被測(cè)參量轉(zhuǎn)化為溫度或者應(yīng)變的變化，使得光纖Bragg光柵反射波的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，以便達(dá)到要監(jiān)測(cè)物理量的目的。

3 傳感器的性能測(cè)試

光纖Bragg拉力傳感器主要由光纖Bragg光柵、法蘭盤、鎧裝光纜、金屬光纜固定頭和不銹鋼件組成，光纖Bragg光柵固定于金屬外殼內(nèi)，使用鎧裝光纜將兩端光纜引出，使用金屬光纜固定頭將其固定在法蘭盤。拉力傳感器受力是由于安裝的金具受力應(yīng)變傳導(dǎo)而至，本質(zhì)上拉力傳感器測(cè)量的是傳感器的金具產(chǎn)生的應(yīng)變量。所以，光纖Bragg拉力傳感器測(cè)量量受到傳感器金具的材料、長(zhǎng)度、橫截面積和傳感器安裝方式的影響。

光纖Bragg光柵拉力傳感器原理是當(dāng)傳感器兩固定支點(diǎn)受到力的作用時(shí)，固定支點(diǎn)之間的距離發(fā)生了變化，使應(yīng)變管發(fā)生了軸向形變，固定支點(diǎn)通過(guò)緊固管帶動(dòng)光纖Bragg光柵形變，從而引起了光纖Bragg光柵波長(zhǎng)移位變化，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)移位量可以測(cè)出對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量。在該傳感器中，應(yīng)變管所受外力產(chǎn)生的應(yīng)變量按比例轉(zhuǎn)換為管內(nèi)光纖Bragg光柵的應(yīng)變量，以降低傳感器靈敏度，提高傳感器量程。當(dāng)比例系數(shù)為k時(shí)，傳感器波長(zhǎng)變化量與所受拉力之間關(guān)系為[10]：

(2)

式中：λ為拉力傳感器波長(zhǎng)；E為不銹鋼件的彈性模量；S為拉力傳感器的橫截面積；Pe為光纖有效彈光系數(shù)。

設(shè)計(jì)傳感器外形時(shí)選擇了圓柱式結(jié)構(gòu)，將光纖光柵安裝于鋁制殼體內(nèi)，殼體能夠保護(hù)光纖光柵的作用，傳感器兩端一端安裝一個(gè)封閉的U型掛環(huán)，另一端安裝一個(gè)開口的U型掛環(huán)，開口U型掛環(huán)兩端打孔。此設(shè)計(jì)是為了不增加輸電線路的長(zhǎng)度，將傳感器代替實(shí)際輸電線路垂直塔處的U型掛環(huán)(U-10)。實(shí)物如圖5所示。

圖5 光纖Bragg光柵拉力傳感器實(shí)物

為了對(duì)光纖Bragg光柵拉力傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和計(jì)量實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)拉力測(cè)量系統(tǒng)。拉力傳感器系統(tǒng)由萬(wàn)能拉力機(jī)、光纖Bragg光柵拉力傳感器、解調(diào)儀和工控機(jī)組成。圖6為拉力測(cè)量系統(tǒng)的原理圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用金具把光纖Bragg拉力傳感器與萬(wàn)能拉力機(jī)連接，光纖Bragg光柵傳感器與解調(diào)儀使用FC跳線連接，工控機(jī)與解調(diào)儀使用USB數(shù)據(jù)線連接。實(shí)驗(yàn)過(guò)程可分為4個(gè)步驟：步驟一，對(duì)拉力傳感器進(jìn)行預(yù)負(fù)荷一次，萬(wàn)能拉力機(jī)對(duì)傳感器施加負(fù)荷從0 kN增加到40 kN，再?gòu)?0 kN逐漸減少到0 kN；步驟二，當(dāng)傳感器處于空載狀態(tài)時(shí)，記錄傳感器空載時(shí)的波長(zhǎng)；步驟三，設(shè)置拉力傳感器的檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)萬(wàn)能拉力機(jī)施加荷載為0 kN、10 kN、20 kN、30 kN、40 kN時(shí)分別保持3 min的時(shí)間觀察傳感器穩(wěn)定后的波長(zhǎng)；步驟四萬(wàn)能拉力機(jī)對(duì)傳感器減小荷載，當(dāng)荷載減小檢測(cè)點(diǎn)30 kN、20 kN、10 kN、0 kN時(shí)，同樣保持3 min的時(shí)間觀察傳感器中心波長(zhǎng)。圖7為拉力傳感器與萬(wàn)能拉力機(jī)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置。

圖6 拉力測(cè)量系統(tǒng)原理圖

圖7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

通過(guò)上述的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)光纖Bragg光柵拉力傳感器進(jìn)行定標(biāo)試驗(yàn)和計(jì)量實(shí)驗(yàn)。當(dāng)室內(nèi)溫度為25 ℃時(shí)對(duì)光纖Bragg拉力傳感器進(jìn)行正反行程的測(cè)試，繪制出光纖Bragg光柵拉力傳感器拉力值與中心波長(zhǎng)的特性曲線，并將其數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得出擬合曲線。如圖8和圖9所示。

圖8 正行程校準(zhǔn)曲線和擬合曲線

圖9 反行程校準(zhǔn)曲線和擬合曲線

從圖8和圖9中可以看出，光纖Bragg光柵拉力傳感器的中心波長(zhǎng)與拉力值幾乎呈現(xiàn)一個(gè)線性的趨勢(shì)，擬合曲線的決定系數(shù)R2為0.999，說(shuō)明了擬合程度很好。正行程的擬合曲線表達(dá)式為：y=0.028 3x+1 541.9，反行程的擬合曲線表達(dá)式為：y=0.028 2x+1 541.9。其中，0.028 3為光纖Bragg光柵拉力傳感器正行程的靈敏度，0.028 2為光纖Bragg光柵拉力傳感器的反行程靈敏度。

分別對(duì)正反行程的擬合曲線進(jìn)行分析研究，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比為線性度[10]。從圖8和圖9中可以看出，傳感器正行程的最大偏差為0.008 nm，反行程的最大偏差為0.01 nm，傳感器正、反行程的線性度分別為：

×100%=0.743%FS

(3)

(4)

遲滯特性是傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)，正行程與反行程中輸入—輸出特性不重合的程度[11]。圖8與圖9中能夠發(fā)現(xiàn)，正、反行程最大偏差為0.016 nm，光纖Bragg光柵拉力傳感器的遲滯誤差為：

×100%=1.28%FS

(5)

4 光纖傳感器的組網(wǎng)聯(lián)調(diào)

為了保證施工的順利進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)即將施工的3個(gè)FBG拉力傳感器、一只溫濕度傳感器、2只小角度傳感器和1只大角度傳感器進(jìn)行光纖傳感器的組網(wǎng)，如圖10所示。解調(diào)儀發(fā)出光源經(jīng)過(guò)15 km模擬損耗，接到分光器，分光器40%端通過(guò)熔纖和光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)連接，電腦和解調(diào)儀通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接，觀察系統(tǒng)軟件光柵個(gè)數(shù)。

圖10 光纖傳感器組網(wǎng)聯(lián)調(diào)光路圖

當(dāng)解調(diào)儀發(fā)出的光源經(jīng)過(guò)光纖光柵傳感器后反射回去的光信號(hào)通過(guò)解調(diào)儀解調(diào)后在系統(tǒng)界面能夠看到每個(gè)光柵的波峰以及波峰能量值，如圖11所示光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)的12個(gè)光柵能量峰值較好，適用于現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖11 調(diào)試界面

5 掛網(wǎng)試運(yùn)行

光纖Bragg光柵拉力傳感器已經(jīng)與2017年10月在云南省昭通彝良縣某110 kV輸電線路掛網(wǎng)運(yùn)行，將桿塔上現(xiàn)有的U型掛環(huán)替換為拉力傳感器吊掛在玻璃絕緣子串的上端，注意觀察傳感器的尾纖，確保尾纖的不折斷。

傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖12所示。

圖12 傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

將金屬軟管上夾具固定在桿塔上，尾纖用黑色扎絲就近捆綁在拉力計(jì)的金屬軟管上(至少捆綁3處，該夾具上大螺絲在鎖緊時(shí)不可損傷大傾角傳感器的尾纖)，再以不銹鋼扎帶或黑色扎絲將光纜捆綁在塔桿上，注意走線盡量順沿塔桿，要求美觀、不凌亂，最后在光交箱內(nèi)熔接光纖頭。

6 結(jié)論

基于光纖傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)ANSYS對(duì)輸電線路桿塔受力進(jìn)行有限元分析，以仿真結(jié)果為依據(jù)確定拉力傳感器與傾角傳感器安裝于桿塔橫擔(dān)端部位置，溫濕度傳感器安裝于桿塔橫擔(dān)中間位置。研制了用于監(jiān)測(cè)覆冰的光纖Bragg光柵拉力傳感器，通過(guò)對(duì)傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，得出了所研制的拉力傳感器靈敏度為0.028 2 nm/kN，線性度為0.743%FS，遲滯誤差為1.28%FS，相對(duì)于文獻(xiàn)[10，11]光纖Bragg光柵傳感器的性能得到提升。在實(shí)驗(yàn)中采用的光纖Bragg光柵傳感器和標(biāo)定的儀器符合檢定要求。

本文中所研制的光纖Bragg拉力傳感器通過(guò)OPGW光纜傳輸光信號(hào)，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)供電，具有強(qiáng)抗電磁干擾能力，適用于架空輸電線路上的覆冰監(jiān)測(cè)。