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        光纖光柵在輸電鐵塔結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用

        2015-03-02 07:03:44李佳奇曹敏胡威李川
        云南電力技術(shù) 2015年2期

        李佳奇,曹敏,胡威,李川

        (1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217;2.云南電網(wǎng)公司研究生科研工作站,昆明 650217;3.昆明理工大學(xué),昆明 650000)

        0 前言

        變電站和輸變電設(shè)備所處地貌復(fù)雜,氣候多樣,地質(zhì)安全和氣候的變化一直是威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素之一。因?yàn)槿狈τ行У谋O(jiān)測(cè)手段,無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情,對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成了影響。采用光纖Bragg 光柵應(yīng)變傳感器和土壓力傳感器對(duì)輸電鐵塔進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)很重要。

        1 光纖光柵傳感器原理

        光纖光柵是利用光纖材料的光敏性(如外界入射光子與纖芯內(nèi)鍺離子線序作用引起纖芯折射率的永久性變化),在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵,起作用實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射器。由光柵方程可知,其Bragg 反射峰中心波長(zhǎng)λB與光纖光柵的周期Λ 的關(guān)系為:

        式中:neff為光纖的有效折射率。

        光柵從周期性結(jié)構(gòu)來(lái)看,光柵分為有規(guī)律周期和周期變化(即chirp 光柵)兩種。光纖Bragg光柵傳感器用的是有規(guī)則周期的光柵,光柵的周期一般為0.05~0.3 nm。

        由光柵方程公式 (1)可知,光纖光柵的Bragg 中心波長(zhǎng)取決于光柵周期和光纖的有效折射率,任何使用這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起光柵Bragg 波長(zhǎng)的移位。通過(guò)對(duì)Bragg 波長(zhǎng)移位的測(cè)量,就可以測(cè)出被測(cè)參量。應(yīng)變和溫度就是兩個(gè)能顯著改變Bragg 波長(zhǎng)的物理量。當(dāng)光柵受到外界應(yīng)變作用時(shí),光柵的拉伸會(huì)導(dǎo)致其周期的變化,同時(shí)彈光效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光柵折射率的變化;當(dāng)光柵受到外界溫度的影響時(shí),由于材料的熱膨脹,會(huì)使其周期發(fā)生變化,同時(shí)光柵折射率也會(huì)水溫度而變化。以上的變化將最終導(dǎo)致布Bragg 波長(zhǎng)的移位。波長(zhǎng)移位與應(yīng)變和溫度的關(guān)系如下:

        式中:ΔλB為溫度與應(yīng)變引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)移位,λB為Bragg 中心波長(zhǎng);Δε 為軸向應(yīng)變;ΔT 為溫度變化,α 和ξ 分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù),Pe為彈光系數(shù)。

        彈光系數(shù)Pe可以表示為:

        光纖的熱熱膨脹系數(shù)α 和ξ 熱光系數(shù)可以分別表示為:

        表1 不同波長(zhǎng)的光纖光柵的應(yīng)變與溫度靈敏度

        通過(guò)以上光纖光柵傳感原理分析可以看出,在光纖Bragg 光柵處施加外力,光柵的間隔發(fā)生變化后,反射回來(lái)的光的波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。Bragg 波長(zhǎng)λB 同時(shí)受到光柵周期和有效折射率擾動(dòng)的影響,因而通過(guò)檢測(cè)光纖Bragg 波長(zhǎng)λB 的變化即可測(cè)出應(yīng)變和溫度的變化。

        2 輸電鐵塔仿真

        選用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)電力鐵塔在電纜風(fēng)舞拉力下以及小角度傾斜情況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行分析,尋找應(yīng)變集中位置,并合理選取傳感測(cè)點(diǎn)。鐵塔是由角鋼用螺栓聯(lián)接組成的,多個(gè)螺栓的角鋼聯(lián)接使角鋼的約束增加。在利用ANSYS 進(jìn)行有限元建模時(shí),由于鐵塔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,所以不采用實(shí)體建模的方法。在ANSYS 中選用BEAM188 建??紤]到了角鋼的方向性,與輸電線鐵塔真實(shí)情況比較接近,角鋼的聯(lián)接點(diǎn)簡(jiǎn)化為單元的節(jié)點(diǎn)即為剛節(jié)點(diǎn),這種建模方法的計(jì)算結(jié)果比較接近實(shí)際情況。

        3 電力鐵塔的傳感器安裝

        塔架應(yīng)變傳感器的安裝方法。由于傳感器之間為串聯(lián),傳感器穿完兩邊底座后,再進(jìn)行焊接會(huì)燒傷傳感器引出光纜,需先將底座焊接好后,將連接好的傳感器逐個(gè)穿過(guò)固定座時(shí),由于預(yù)留的孔間隙很小,底座之間稍微有偏角傳感器就很難穿過(guò),因此,用一個(gè)預(yù)先做好的模子套在底座上,將底座焊好。安裝原理及方法參見(jiàn)圖1。

        圖1 塔架應(yīng)變傳感器安裝原理圖

        4 結(jié)束語(yǔ)

        在電力鐵塔的塔身主材安裝了光纖應(yīng)變傳感器,并且在塔基的方向均埋設(shè)了光纖土壓力盒。根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),應(yīng)變傳感器以及土壓力傳感器有效的檢測(cè)到了主材的應(yīng)變變化以及塔基土壓力的變化。通過(guò)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè),應(yīng)變變化正常波動(dòng),無(wú)異常突變情況,主材處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,塔身主材的形變量受季節(jié)性氣溫、降雨量、風(fēng)力的影響比較大。根據(jù)上述變化范圍和長(zhǎng)期的變化趨勢(shì),電力鐵塔塔身主材應(yīng)變異常報(bào)警功能正常啟用,對(duì)電力鐵塔塔身應(yīng)變長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)應(yīng)變變化波動(dòng)范圍,有無(wú)異常突變情況,以此判斷主材是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)上述變化范圍和長(zhǎng)期的變化趨勢(shì),電力鐵塔塔基壓力異常報(bào)警功能正常啟用,預(yù)警機(jī)制如下:

        1)速率預(yù)警:當(dāng)24 小時(shí)內(nèi)變化速率高于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)的最大速率時(shí),應(yīng)有所警惕,在雨季應(yīng)該留意鐵塔所處于的山體狀況。必要時(shí)采取疏通排水溝引流等方法緩解塔基所受壓力,注意橫擔(dān)因大風(fēng)、覆冰等惡劣天氣帶來(lái)的扭曲,折斷等不安全隱患。

        2)最大值預(yù)警:當(dāng)監(jiān)測(cè)值大于系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)出的最大值時(shí),應(yīng)該巡視現(xiàn)場(chǎng)狀況。

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