李路明，孟小波，張治國(guó)，孫欣，陳雪，張民

(1．江西省電力公司信息通信中心，南昌市，330029;2．信息光子學(xué)與光通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京郵電大學(xué))，北京市，100876)

0 引言

高壓架空線路的弧垂是線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要指標(biāo)，關(guān)系到線路的運(yùn)行安全。由于線路運(yùn)行負(fù)荷的變化，以及大氣溫度、風(fēng)、導(dǎo)線覆冰等周圍環(huán)境的變化，都會(huì)造成線路弧垂的變化，而過大的弧垂不但會(huì)帶來安全事故的隱患，也限制了線路的輸送能力，尤其是在交叉跨越和人口密集地區(qū)［1-2］。因此，對(duì)高壓架空線路弧垂的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

近些年來，一些新建電力線路普遍架設(shè)了光纖復(fù)合相線(optical phase conductor，OPPC)、光纖復(fù)合架空地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)等光纜，由于其具有傳輸光信號(hào)的光纖通道，因此在線路上安裝光纖傳感器就顯得異常便捷了，并且光纖傳感器能夠探測(cè)線路的溫度、應(yīng)變、加速度等指標(biāo)，因此光纖傳感器在電力線路的安全監(jiān)測(cè)過程中有應(yīng)用基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)。

目前，輸電線路弧垂的監(jiān)測(cè)方法可分為:(1)利用經(jīng)緯儀進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，如角度法［3］、高度法、樣板法［4］以及選定測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行幾何分析法［5］等;(2)將一些成熟的有源產(chǎn)品安裝在線纜上，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［6-7］。前一種方法耗費(fèi)人力，并且無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);后一種方法雖然提供了比較精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，但是有源器件在高壓線路上工作要考慮諸如電磁感應(yīng)等因素的影響，并且成本很高，因此也難以成為大規(guī)模使用的有效方案。由于基于光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)FBG傳感器為無源設(shè)備，有著很好的抗電磁干擾的特性［8］，并且價(jià)格相對(duì)低廉，本文提出了利用FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行在線實(shí)時(shí)弧垂監(jiān)測(cè)的方案。

1 架空輸電線路弧垂計(jì)算

工程上，常忽略架空輸電線路的剛度而視其為柔索，這樣就可用懸鏈線或拋物線方程來進(jìn)行線路弧垂計(jì)算［9］。懸鏈法假定架空線單位荷載沿其線長(zhǎng)均勻分布，計(jì)算過程復(fù)雜，計(jì)算精度高;拋物線法雖精度略差，但計(jì)算較簡(jiǎn)單，誤差在工程允許范圍內(nèi)［10］。因而，本文采用拋物線法分析架空輸電線路。

1．1 架空輸電線路2懸掛點(diǎn)等高

當(dāng)相鄰2高壓桿塔的高度相等，即架空輸電線路2懸掛點(diǎn)等高時(shí)，線路弧垂如圖1所示。圖中:A、B分別代表相鄰的桿塔;l是桿塔間檔距;f為線路弧垂。FBG傳感器安裝在其中1個(gè)懸掛點(diǎn)的附近。

在安裝FBG傳感器時(shí)，測(cè)得線路的初始弧垂f0，則初始下的檔間線路長(zhǎng)度為

安裝于懸掛點(diǎn)附近的FBG應(yīng)變傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到架空線的應(yīng)變量，根據(jù)光纖應(yīng)變與Bragg波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系［11］，得到檔間線路的長(zhǎng)度為

式中e為光纖光柵的應(yīng)變。

由式(1)(2)得到實(shí)時(shí)的架空線的弧垂值為

1．2 架空輸電線路2懸掛點(diǎn)不等高

當(dāng)相鄰2高壓桿塔的高度不相等時(shí)，高壓架空輸電線路的弧垂如圖2所示。圖中:S點(diǎn)為AB平行線與架空線的切點(diǎn);S點(diǎn)到AB的垂直距離即為此時(shí)架空線的弧垂f;h為架空線兩懸掛點(diǎn)的高度差;φ表示B點(diǎn)對(duì)A點(diǎn)的高差角。

圖2 2懸掛點(diǎn)不等高時(shí)的架空線弧垂Fig.2 Sags of overhead transmission line with non-isoheight suspension center

初始狀態(tài)的架空輸電線路長(zhǎng)度為

根據(jù)傳感器測(cè)得的應(yīng)變量，通過式(2)可計(jì)算出實(shí)時(shí)的架空線長(zhǎng)度

根據(jù)式(4)(5)可得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)懸掛點(diǎn)不等高時(shí)的線路弧垂

2 仿真試驗(yàn)

仿真研究和試驗(yàn)研究采用OPGW－2S1/24B1(64/46－93.4)型光纜，其直徑為14 mm，單位長(zhǎng)度質(zhì)量為497 kg/km，承載截面積為110.3 mm2，標(biāo)稱抗張強(qiáng)度為78.8 kN，楊氏模量為105.4 kN/mm2，熱膨脹系數(shù)為166.6 ×10－6℃－1。

2．1 仿真結(jié)果

若2桿塔等高，檔距l(xiāng)=500 m，初始弧垂為f0=10 m。根據(jù)文獻(xiàn)［9］給出的弧垂與架空線軸向應(yīng)力的關(guān)系，計(jì)算得出懸掛點(diǎn)軸向力約為電力線標(biāo)稱抗張強(qiáng)度的20%，這符合架空電力線每日應(yīng)力的范圍，因此10 m的初始弧垂在合理范圍內(nèi)。仿真計(jì)算得出，線路的初始長(zhǎng)度為500.533 m，實(shí)時(shí)弧垂與應(yīng)變值間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 2懸掛點(diǎn)等高時(shí)測(cè)量應(yīng)變值與線路弧垂的關(guān)系Fig.3 Relationship between strain and sag of transmission line under the condition of isoheight suspension center

由圖3可看出，當(dāng)FBG傳感器測(cè)得的應(yīng)變值為－500～2 000 με時(shí)，仿真得到的弧垂變化約為10 m。而FBG應(yīng)變傳感器的測(cè)量上限一般為3 000 με，在2桿塔等高時(shí)，本文提出的方案可以實(shí)時(shí)監(jiān)控10 m以上的弧垂變化。

假定2桿塔的高度差為100 m，則高差角φ為0.197 4。檔距500 m，初始弧垂10 m，仿真得到弧垂與應(yīng)變值之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 2懸掛點(diǎn)不等高時(shí)測(cè)量應(yīng)變值與線路弧垂的關(guān)系Fig.4 Relationship between strain and sag of transmission line under the condition of non-isoheight suspension center

由圖3、4可看出，當(dāng)2桿塔不等高時(shí)測(cè)得的應(yīng)變值與架空線弧垂之間的關(guān)系，與2桿塔等高情況下差別不大，本文提出的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)弧垂的方案，能夠監(jiān)測(cè)10 m以上的弧垂變化。

2．2 試驗(yàn)結(jié)果

整體實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示，圖中電力線兩端連接著拉伸機(jī)，可對(duì)線纜進(jìn)行拉伸操作。圖5的右上角顯示的是應(yīng)變傳感器固定在OPGW上的方法，為了驗(yàn)證這種方法是否能夠與線纜的伸縮同步，即能夠牢固地固定于線纜之上，利用兩端的拉伸機(jī)對(duì)線纜進(jìn)行反復(fù)多次地拉伸操作，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器獲得的應(yīng)變曲線如圖6所示，可以看出這種安裝方法的牢固度很好，傳感器能夠?qū)崟r(shí)反映線纜的長(zhǎng)度變化情況。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境及FBG應(yīng)變傳感器的安裝方案Fig.5 Experiment setting and installation of FBG strain sensor

圖6 對(duì)測(cè)試線纜反復(fù)拉伸時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)變值的變化情況Fig.6 Variation of monitoring strain for repeated extension of test lines

應(yīng)變傳感器的測(cè)量精度直接影響著弧垂的計(jì)算精度，觀察傳感器自身的波動(dòng)范圍，發(fā)現(xiàn)其自身的應(yīng)變波動(dòng)范圍約為4 με，如圖7所示，也就是說這種應(yīng)變傳感器的測(cè)量精度約為4 με。根據(jù)仿真結(jié)果，2 500 με對(duì)應(yīng)10 m左右的弧垂變化，由此可推斷出，利用FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行弧垂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的理論精度為16 mm。

圖7 不受任何因素影響時(shí)FBG應(yīng)變傳感器的自身波動(dòng)情況Fig.7 Fluctuation of FBG strain sensor without any external influence

3 結(jié)語

本文提出的利用FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行架空線弧垂的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案，是基于現(xiàn)階段高壓電網(wǎng)大規(guī)模使用OPPC和OPGW的基礎(chǔ)上的，在弧垂的監(jiān)測(cè)范圍上可以達(dá)到10 m以上，并在理論上能夠提供16 mm的弧垂測(cè)量精度。由于本方案的成本相對(duì)于有源監(jiān)測(cè)設(shè)備要低，并且安裝方便，能夠提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此所提方案對(duì)實(shí)現(xiàn)輸電線路弧垂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有較高實(shí)用價(jià)值。

［1］湯城存．500 kV惠汕線導(dǎo)線弧垂的檢查［J］．廣東輸電與變電技術(shù)，2005(2):59-61．

［2］郝蘭榮，王國(guó)龍，譚磊．淺析送電線路大負(fù)荷運(yùn)行與導(dǎo)線弧垂的關(guān)系［J］．高電壓技術(shù)，2006，32(1):107-109．

［3］竇小晶，瑚躍進(jìn)，陳貴鋒，等．大檔距架空線弧垂測(cè)量及其誤差分析［J］．供用電，2009，26(4):15-17．

［4］賀元輝，寇彥江．高壓送電線路弧垂測(cè)量的幾種方法［J］．新疆電力，2006(2):41-43．

［5］傅太生，謝運(yùn)山．高壓電纜最低弧垂點(diǎn)的測(cè)量方法［J］．測(cè)繪技術(shù)裝備，2006，8(2):35．

［6］徐青松，季洪獻(xiàn)，王孟龍．輸電線路弧垂的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［J］．高電壓技術(shù)，2007，33(7):206-209．

［7］陳紹鑫，吳培勝，孫云濤，等．輸電線路溫度和弧垂在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用研究［J］．華北電力技術(shù)，2008(3):14-15．

［8］ Kersey A D，Davis M A，Patrick H J，et al．Fiber grating sensors［J］．Journal of Lightwave Technology，1997，15:1442-1463．

［9］王彤．探析非承力導(dǎo)線弧垂的計(jì)算及承力鋼絞線的選用［J］．科技促進(jìn)發(fā)展，2009(11):201-202．

［10］李博之．高壓架空輸電線路施工技術(shù)手冊(cè)［M］．中國(guó)電力出版社，1997:1-11．