劉 江， 閆思安， 李 川， 趙振剛， 謝 濤， 李英娜

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明650051)

FBG傳感器監(jiān)測氣候條件對電力鐵塔橫擔(dān)應(yīng)變的影響*

劉 江， 閆思安， 李 川， 趙振剛， 謝 濤， 李英娜

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明650051)

在電力塔架橫擔(dān)長期運(yùn)營過程中，絕緣橫擔(dān)的應(yīng)力變化復(fù)雜。對橫擔(dān)應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測是保證塔架橫擔(dān)長期安全穩(wěn)定的一個(gè)重要因素。提出一種可以把橫擔(dān)主材所受應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成光纖Bragg光柵(FBG)波長移位量的FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)用于變電站的電力塔架上。根據(jù)鹽津變電站的氣候特點(diǎn)，在塔架上下桁架主材表面中心處安裝4只應(yīng)變傳感器。針對2011年2月份的氣候條件，應(yīng)變監(jiān)測范圍為-58.05×10-6～-242.52×10-6；同時(shí)在監(jiān)測過程中2011年1月12日上午10點(diǎn)出現(xiàn)降雪、降雨天氣，應(yīng)變監(jiān)測范圍為-93.71×10-6～-3.46×10-6，并在10點(diǎn)4只應(yīng)變傳感器同時(shí)出現(xiàn)波動變化。實(shí)驗(yàn)表明正常情況下，電纜風(fēng)舞、降雪、降雨等氣候條件主要引起了電力鐵塔中橫擔(dān)的形變。

橫擔(dān)； 應(yīng)力； 光纖Bragg光柵； 氣候條件； 形變

0 引 言

橫擔(dān)是電力鐵塔、電線桿等的頂部橫向固定的角鐵，常用鋼結(jié)構(gòu)做成平面桁架式，用穿釘固定在主塔、主桿上，加上柔性吊桿以減輕橫擔(dān)在導(dǎo)線掛線處承受的荷載[1]。由于降雪、降水、風(fēng)舞等自然災(zāi)害的不利因素，橫擔(dān)的應(yīng)力會加大，可能會造成橫擔(dān)的主材或斜材發(fā)生受壓扭曲破壞，導(dǎo)致整個(gè)橫擔(dān)被破壞，橫擔(dān)桿件發(fā)生拉、壓破壞，導(dǎo)致橫擔(dān)折斷，造成橫擔(dān)破壞，脫落等現(xiàn)象[2～4]。因此，在電力鐵塔的使用過程中，需要對電力鐵塔橫擔(dān)的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。傳統(tǒng)檢測手段主要是視頻監(jiān)控和人員巡視，利用多種電類傳感器但存在易受電磁干擾、存儲信息容量不大、測量效率不高等缺點(diǎn)。Ogawa Y等人將光纖光柵貼在金屬板上，金屬板固定在電纜上，通過此種方式來監(jiān)測電纜的荷載變化,沒有直接與橫擔(dān)的應(yīng)力相結(jié)合，反映橫擔(dān)的應(yīng)力實(shí)時(shí)變化狀況[5,6]。此類方法都無法滿足當(dāng)前國家對電路輸電線路故障綜合檢測的迫切需求。因此,對電力鐵塔橫擔(dān)應(yīng)力的在線安全監(jiān)測具有重大意義。

本文將在電力鐵塔橫擔(dān)2根上平面桁架主材的上表面中心處和2根下平面桁架主材的下表面中心處安裝4只FBG應(yīng)變傳感器，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測電力鐵塔橫擔(dān)所受的應(yīng)力的變化,并與當(dāng)?shù)貧夂驐l件的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行綜合分析。

1 FBG應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

FBG的兩端分別固定于調(diào)節(jié)管內(nèi)，兩調(diào)節(jié)管又通過螺紋分別固定在兩減敏管的一端，各減敏管的另一端通過螺紋分別固定于緊固管一端，兩緊固管之間通過螺紋連接一應(yīng)變管，兩緊固管的下端設(shè)置固定支點(diǎn)[7]。應(yīng)變傳感器的原理參見圖1。外加荷載通過掛鉤將力傳給外管，外管通過螺紋將力傳給內(nèi)管，內(nèi)管帶動光柵，發(fā)生波長移位。通過測量波長移位量，再加以合適的數(shù)學(xué)模型換算便可得到應(yīng)變。

圖1 應(yīng)變傳感器的原理圖和安裝圖Fig 1 Principle and installation diagram of strain sensor

FBG應(yīng)變響應(yīng)指的是當(dāng)FBG受到壓縮或拉伸時(shí)，引起了Bragg波長移位，通過光纖光柵解調(diào)儀檢測波長移位量就可以計(jì)算出與Bragg波長所對應(yīng)的應(yīng)變量[8～11]。

2 應(yīng)變響應(yīng)試驗(yàn)測試分析

測試本文所研制的FBG應(yīng)變傳感器的基本性能，該系統(tǒng)主要由寬帶ASE光源、3 dB耦合器、光纖解調(diào)儀、應(yīng)變FBG傳感器、載荷組成。試驗(yàn)前，將應(yīng)變FBG傳感器檢測系統(tǒng)各部分連接好。傳感器的一端固定在支架上，另一端通過鐵絲與砝碼掛接，傳感器與光纖解調(diào)儀連接，參見圖2。

在實(shí)驗(yàn)正式開始之前，必須進(jìn)行預(yù)載試驗(yàn)，主要是因?yàn)閺椥栽?jīng)過若干次載荷重復(fù)加卸循環(huán)后，變形關(guān)系才趨于穩(wěn)定。加載從0 kg開始，依次增加重量，每次增加5 kg，直到50 kg；然后再開始卸載，依次減少重量，每次減少5 kg，每增加或減少5 kg砝碼就記錄一次FBG中心波長值，根據(jù)所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算傳感器的各種靜態(tài)特征。

圖2 FBG應(yīng)變傳感器檢測系統(tǒng)原理框圖Fig 2 Principle block diagram of FBG strain sensor detecting system

圖3給出了4次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波長移位量與應(yīng)變之間的關(guān)系，計(jì)算表明重復(fù)性誤差為3.37 %FS。

圖3 波長移位量的算術(shù)平均值與加、卸載的關(guān)系Fig 3 Relationship between arithmetic mean value of wavelength shift amount and loading and unloading

測試結(jié)果表明:4次應(yīng)變測試實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)BG的波長移位量和應(yīng)變之間呈線性關(guān)系，靈敏度為0.685 pm/10-6。應(yīng)變測試試驗(yàn)從0～50 kg間的波長變化量為0.089 nm，通過最小二乘法擬合后的最大偏差值為0.003 nm。由非線性誤差的計(jì)算公式可知，本文研制的傳感器溫度測試試驗(yàn)中的非線性誤差為3.37 %FS，可滿足電力鐵塔橫擔(dān)應(yīng)變精確測量的要求(圖4)。

圖4 應(yīng)變測試試驗(yàn)誤差棒圖Fig 4 Bar graphs of strain test experimental error

3 鹽津變電站應(yīng)變傳感器在電力鐵塔橫擔(dān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

運(yùn)行電壓為75 V和100 V的恒定負(fù)載試驗(yàn)。監(jiān)測安裝傳感器的電力鐵塔橫擔(dān)選擇位于變電站外墻下游山坡上電力鐵塔上的鴨嘴式橫擔(dān)。為了分析氣候條件對橫擔(dān)應(yīng)變的影響，結(jié)合監(jiān)測地點(diǎn)的氣候特點(diǎn)，12,1月有降雪天氣，2,3月有大風(fēng)，6,7月份有降雨的影響，溫度也基本處于20 ℃左右，溫度對應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果的影響可以忽略，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣候條件分析參見圖5和圖6。

圖5 2011年2月份應(yīng)變?nèi)掌骄兓礔ig 5 Average daily change in value of strain on February,2011

圖5表明:電力鐵塔的橫擔(dān)日平均應(yīng)變在長期監(jiān)測中的變化范圍為-58.05×10-6～-242.52×10-6，結(jié)合風(fēng)向的變化范圍，風(fēng)舞對電力鐵塔橫擔(dān)應(yīng)力日平均變化影響較大，特別是2#橫擔(dān)，在2月19號出現(xiàn)較大應(yīng)變變化，達(dá)到-242.52×10-6。

同時(shí)圖5表明:電纜風(fēng)舞主要引起了電力鐵塔中橫擔(dān)的形變，應(yīng)變傳感器有效地檢測到了絕緣橫擔(dān)的應(yīng)變變化，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變的長期在線監(jiān)測。通過對絕緣橫擔(dān)的應(yīng)變的長期監(jiān)測，應(yīng)變變化正常波動，無異常突變情況。

圖6表明：在2011年1月12號上午10點(diǎn)，由于降雪、降雨的緣故，安裝在絕緣橫擔(dān)的4只FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)都有一定范圍的波動，波動范圍40×10-6～50×10-6。

圖6 2011年1月12日每小時(shí)應(yīng)變平均變化值Fig 6 Average strain changes in the value hourly on January 12,2011

同時(shí)圖5、圖6表明:氣候條件是影響電力鐵塔絕緣橫擔(dān)安全運(yùn)行的主要因素之一。

4 結(jié) 論

本文研制的傳感器通過電力鐵塔橫擔(dān)主材所受應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成FBG波長移位量，實(shí)現(xiàn)了對電力鐵塔橫擔(dān)應(yīng)力的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。應(yīng)變響應(yīng)試驗(yàn)表明：該傳感器的非線性誤差為3.37 %FS，靈敏度為0.685 pm/10-6。通過對鹽津變電站電力鐵塔橫擔(dān)4只FBG應(yīng)變傳感器的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：電力鐵塔的橫擔(dān)日平均應(yīng)變在長期監(jiān)測中的變化范圍為-58.05×10-6～-242.52×10-6。最大應(yīng)變達(dá)到了-242.52×10-6。在2011年1月12號上午10點(diǎn)出現(xiàn)降雪天氣，安裝在絕緣橫擔(dān)的4只FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)都有一定范圍的波動，變化范圍為40×10-6～50×10-6。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，風(fēng)舞、降雪、降水等各種氣候條件是影響電力鐵塔橫擔(dān)安全運(yùn)行的主要因素之一。

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Effect of climate conditions monitored by FBG sensors on electricity tower cross arm strain*

LIU Jiang， YAN Si-an， LI Chuan， ZHAO Zhen-gang， XIE Tao， LI Ying-na

(School of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650051,China)

During process of electric power tower cross arm long-term operation,the stress of insulation cross arm change complex.Real-time monitoring on cross arm stress is an important factor that ensure long-term security and stability of tower cross arm.Put forward a kind of fiber Bragg grating(FBG)strain sensor which can transform stress variation beared by cross arm into wavelength shift of FBG,and applied in substation of power tower.According to the climatic feature of Yan Jin transformer substation,install four strain sensors in the center of the tower truss material up and down surface.Aiming at the climatic conditions on February,2011,strain monitoring range is -58.05 ×10-6～ -242.52×10-6; snow,rain weather occur at 10 o’clock，on January 12,2011,the strain monitoring range is -93.71×10-6～-3.46×10-6and four strain sensors simultaneously fluctuations at the same time.The experiment indicates that in normal circumstances,cable dance,snow,rain and other weather conditions are the important factors which cause cross arm deformation of tower.

cross arm; stress; fiber Bragg grating(FBG); climatic conditions; deformation

2013—09—06

云南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2007F181M)； 昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(KKSY201303044)； 云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013FZ021)

TM 754

A

1000—9787(2014)04—0062—03

劉 江(1988-)，男，陜西安塞人，碩士研究生，主要從事光纖傳感技術(shù)研究。