FBG輸電線路覆冰監(jiān)測拉力傳感器

蔣 建，沈 堅，韓宏量

(杭州市電力局，浙江 杭州 310009)

1 引言

輸電線路覆冰一直是世界性電力企業(yè)關注的重要問題之一。1998年1月，美國東北部和加拿大東南部遭受史無前例的暴冰事故，凍雨持續(xù)6天，降水量驚人，Hydro-Quebec的電力網(wǎng)絡超過3000km受到冰災的影響，共1000座高壓輸電桿塔、30000座配電桿塔倒塌，4000臺變壓器需要修復，美國20條主干路、13000座電線桿、1000臺高壓設備和5000臺變壓器受損，共造成470萬加拿大人和50萬美國人受到停電影響，40萬居民停電超過兩星期，給美國、加拿大造成的經(jīng)濟損失共約35億美元。德國2005年11月的冰雪災害造成超過70條輸電線路倒塌，20萬人受停電影響。此外，俄羅斯、法國、冰島和日本等都曾發(fā)生嚴重的覆冰事故［1－4］。

我國幅員遼闊，110kV以上電壓等級輸電線路總長度超過60萬千米，受大氣候和微地形、微氣象條件的影響，輸電線路覆冰災害頻發(fā)。2008年初，我國南方大部分地區(qū)的十幾個省遭遇了百年不遇的持續(xù)低溫雨雪災害，持續(xù)時間長達23天，從配電網(wǎng)到500kV主骨干輸電線路都遭到了大規(guī)模的破壞，貴州500kV電網(wǎng)基本癱瘓，華中、華東電網(wǎng)幾十條500kV線路倒塔、倒桿、解列和停運，最大電力缺口接近4000萬kW。全國范圍內(nèi)有3萬多條10kV及以上電力線路、2千多座35kV及以上變電站停運，10kV及以上桿塔倒塌及損壞30多萬基，其中110～500kV電壓等級的共8千多基，導致3330多萬戶、約1.1億人停電。此次雪災造成國家電網(wǎng)公司直接財產(chǎn)損失達104.5億元，災后電網(wǎng)恢復重建和改造需要投入資金390億元［5］。

輸電線路覆冰在線監(jiān)測可以為工作人員提供線路詳實準確的覆冰情況，極大地降低運行維護人員的工作強度，并達到覆冰觀測的實時性和有效性，便于及時采取措施，降低損失。

光纖光柵具有抗電磁干擾能力強，測量范圍廣，絕緣性能好，使用壽命長，對波長進行編碼，光源強度的波動、損耗等不會影響測量結(jié)果等優(yōu)點，在通信和傳感領域有著極其廣泛的應用。鑒于光纖光柵的諸多優(yōu)點，將光纖光柵應用到輸電線路中，研制新型的基于FBG的輸電線路覆冰監(jiān)測傳感器，對惡劣冰雪天氣下的輸電線路覆冰監(jiān)測具有重要意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 輸電線路覆冰在線監(jiān)測研究現(xiàn)狀

從覆冰監(jiān)測的原理上分，現(xiàn)有的直接監(jiān)測輸電線路覆冰狀況的方法主要有:視頻監(jiān)測法、稱重法、弧垂法等等。

視頻監(jiān)測法是最直觀、最易于實現(xiàn)，也是目前國內(nèi)輸電線路覆冰在線監(jiān)測的主要方法之一［6］。通過遠程視頻監(jiān)測法，運行人員可以實時地觀察和記錄覆冰的形成和發(fā)展過程，及時了解覆冰的嚴重程度，并采取正確的處理措施。然而，利用視頻監(jiān)測法也有其不足之處，如攝像頭只能觀測近處的覆冰狀況，采集信息量有限，在積雪較厚的氣候條件下，攝像頭有可能被冰雪覆蓋，致使整個監(jiān)測系統(tǒng)癱瘓，并且視頻裝置電源穩(wěn)定問題難以解決等等［7］。

弧垂法是通過監(jiān)測輸電線路弧垂變化，結(jié)合線路弧垂與覆冰厚度的關系曲線，監(jiān)測導線的覆冰情況的方法。得到弧垂的方法有很多，包括:導線張力法、懸掛點傾角法、導線溫度法、遠程視頻法等等［8，9］。輸電線路弧垂實時監(jiān)測在國外已研究多年，國內(nèi)近年來也有研究，并已開發(fā)有不少商業(yè)化應用的產(chǎn)品，如美國The Valley Group Inc.公司生產(chǎn)的CAT－1導線應力傳感器、美國USI公司生產(chǎn)的Power-Donut 2和杭州海康雷鳥公司生產(chǎn)的MT系列溫度－傾角測量球等等。

稱重法是國內(nèi)外覆冰監(jiān)測的另一種重要方法。國內(nèi)西安金源電氣有限公司在這方面做過較為深入的研究。在懸式絕緣子串和輸電線路桿塔橫臂間采用應變片式拉力傳感器和傾角傳感器連接，當輸電線路發(fā)生覆冰時，導線載荷增加，通過監(jiān)測懸掛點的拉力、偏移角度，結(jié)合導線的物理參數(shù)(線長、比載、分裂數(shù)、膨脹系數(shù)等)、兩側(cè)桿塔的海拔、檔距等參數(shù)的綜合分析，可以計算出導線的等值覆冰厚度［10］。

為了使輸電線路覆冰監(jiān)測更加準確，以上各種監(jiān)測方法在實際應用中需要結(jié)合線路微氣象監(jiān)測傳感器，如風速風向傳感器、溫濕度傳感器等，一起進行監(jiān)測，而且往往利用各種方法進行聯(lián)合監(jiān)測，如杭州海康雷鳥信息技術有限公司提出的采用小型氣象站、線路視頻監(jiān)測裝置、導線溫度－傾角測量裝置和絕緣子串偏斜角測量裝置，以及主站和監(jiān)測軟件組成的線路覆冰實時綜合監(jiān)測系統(tǒng)，從多方面各個覆冰時期對輸電線路覆冰采取實時監(jiān)測。

除了以上一些直接監(jiān)測導線覆冰的方法外，國內(nèi)外還有許多間接測量方法:具體的如魁北克使用無源覆冰監(jiān)測儀(PIM)，利用金屬柱模擬導地線，金屬板模擬結(jié)構(gòu)部件來測量徑向等效冰層厚度、形狀和物理特性等［11］;挪威的利用鋼管架記錄覆冰量，再轉(zhuǎn)換成實際的輸電線路的等效覆冰厚度［12－16］等等。

2.2 光纖光柵輸電線路狀態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性(外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起的折射率永久性變化)，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其實質(zhì)是利用空間相位光柵的布拉格散射的波長特性在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的透射或反射濾光器或反射鏡［17，18］。作為均勻光纖光柵中的一種，光纖布拉格光柵(FBG)發(fā)展最早。由于光纖布拉格光柵的周期較小，反射濾波效果好，長度短、插入損耗小等優(yōu)點，使得光纖布拉格光柵的應用最廣泛。光纖布拉格光柵最基本和最直接的傳感應用是對溫度和應變的測量，通過適當?shù)拈g接轉(zhuǎn)換，目前光纖布拉格光柵可以監(jiān)測的物理量可延伸至壓力、壓強、傾角、位移、加速度、電壓、電流、磁場、振動等等多個方面，涉及到航空航天、土木工程、石化工業(yè)、電力工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)學等多個領域。

將光纖光柵應用于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測，國內(nèi)外的研究較少。其中，導線擺動方面，巴西的M.M.Nogueira等人利用FBG設計了二維的加速度傳感器［19］，經(jīng)過組合和封裝將其固定在導線表面，用以對導線擺動進行實時長距離的監(jiān)測，實驗結(jié)果顯示在加速度達15倍重力加速度，頻率達150Hz的范圍內(nèi)該加速度傳感器能保持良好的線性度和響應;挪威的Leif Bjerkan也利用FBG對風引起的高壓架空線振動進行了研究［20］，試驗中利用環(huán)氧樹脂膠水將FBG直接粘到導線上，利用一根不受力的FBG作為溫度補償光柵，通過快速傅里葉變換對試驗結(jié)果進行分析，試驗運行了運行18個月，測量結(jié)果與觀察記錄相符。印度的Tarun K.Gangopadhyay等人利用FBG傳感器對導線溫度進行實時監(jiān)測［21］，以提高導線的輸送能力。測溫FBG封裝在橢圓形鋁殼中，傳感器整體通過橢圓形鋁殼固定在導線表面。整個傳感器安裝在400KV的導線表面，經(jīng)過兩年的現(xiàn)場試驗，試驗效果較理想。

綜上所述，結(jié)合FBG的優(yōu)良特性，可將FBG引入到可輸電線路狀態(tài)檢測中，研制新型的基于FBG的拉力傳感器測量輸電線路覆冰狀況。

2 覆冰監(jiān)測力學原理分析

在直線塔處，利用稱重法對輸電線路覆冰進行稱重，能夠得到導線的覆冰狀況，但是不能得到導線張力、弧垂等重要信息;而耐張塔承受較大張力，能夠反映整個耐張段內(nèi)的線路狀態(tài)，在耐張塔處安裝拉力傳感器，結(jié)合傾角傳感器、風速風向傳感器，可監(jiān)測線路覆冰、導線軸向張力、弧垂等多項信息［22］，為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測提供多方面的數(shù)據(jù)參數(shù)，從而為防、融冰提供更加全面的信息。

為了在耐張塔處進行輸電線路覆冰監(jiān)測，本文設計了基于FBG的拉力傳感器。

對耐張段進行受力分析，覆冰、有橫向風載荷時，導線的風偏受力示意圖如圖1所示，因架空線路兩懸掛點間的距離很大，將導線視為柔索。導線覆冰監(jiān)測除需要拉力傳感器，還需借助傾角傳感器及風速風向傳感器。

圖1 考慮橫向風載荷時導線受力示意圖

設A為耐張塔，只要測得A處的導線軸向張力、導線風偏角η和垂直平面內(nèi)導線偏離水平的角度θVA，結(jié)合風速風向傳感器即可計算出覆冰的厚度、弧垂等重要信息［22］。為不增加線路的長度，設計制作的拉力傳感器替代實際線路中的連接金具。

將拉力和傾角傳感器安裝在A點，可以測得導線的綜合軸向應力σ'A，風偏角η及導線偏離水平角度θVA。

導線的軸向應力σ'A與導線的綜合比載γ'有如下關系［23］:

式中:σ'A為導線A點的軸向應力;σ0為垂直投影面內(nèi)導線的水平應力;β為導線高差角;γ'為考慮冰、風載荷時導線的綜合比載;l為A、B間的檔距;η為導線風偏角。

垂直平面內(nèi)的導線偏離水平角度θVA與導線垂直平面內(nèi)綜合比載rV有如下關系:

式中:rV為導線垂直平面內(nèi)綜合比載，rV=r'cosη。

聯(lián)列公式(1)、(2)可求得導線的綜合比載γ'。綜合比載γ'由導線的自重比載、導線冰比載及風比載三部分構(gòu)成，結(jié)合風速風向傳感器，通過適當?shù)墓接嬎慵纯傻玫綄Ь€的覆冰厚度。

風偏平面內(nèi)，導線任意處的弧垂可由公式(3)計算得到:

式中:f'x為導線任意處的弧垂;x為垂直投影面內(nèi)，導線任意點距A點的距離。

4 FBG測量原理

在寬帶光的傳輸過程中，光纖布拉格光柵相當于一個反射型的光學濾波器，通過外界參量對Bragg中心波長的調(diào)制來獲取外界信息量，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。圖2為FBG的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。

圖2 FBG的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

由麥克斯韋經(jīng)典方程結(jié)合光纖耦合模理論可知，當寬帶光在FBG中傳輸時，中心波長滿足公式(4)的光將被反射回:

式中:λB為反射波中心波長;neff為纖芯的有效折射率;Λ為光柵周期。

由公式(4)可見，F(xiàn)BG反射波的中心波長λB取決于纖芯的有效折射率neff和光柵的周期Λ，任何能使這兩個參量發(fā)生變化的物理量都會導致FBG反射波中心波長的變化，通過測量反射波的中心波長偏移可達到測量外界物理量的目的。能夠引起這兩個參量變化最直接的物理量是應變和溫度。外界應變和溫度的變化可分別通過彈光效應和熱光效應影響光纖布拉格光柵纖芯的有效折射率，通過長度改變和熱膨脹效應影響光柵周期。光纖布拉格光柵傳感器的主要工作原理是借助于外界裝置將被測參量的變化轉(zhuǎn)換為溫度或應變的變化，從而使得FBG反射波中心波長發(fā)生變化，達到監(jiān)測外界物理量的目的。

根據(jù)國內(nèi)外學者對光纖布拉格光柵多年的研究可得，光纖光柵中心波長偏移量分別與軸向應變和溫度呈良好的線性關系。應變和溫度綜合作用下，光纖布拉格光柵的中心波長的偏移量如公式(5)所示。綜合考慮彈光和波導效應，光纖光柵對橫向應力的靈敏度較軸向小得多，因此在復雜應力下，通常只考慮光纖軸向應力的引起的波長變化［24］。

式中:λB為中心波長;αf為光纖材料的熱膨脹系數(shù);ξ為光纖的熱光系數(shù);pe為光纖的有效彈光系數(shù);ΔT為溫度變化量;Δε為應變變化量。

令 KT=(αf+ξ)λB，Kε=(1 － pe)λB，KT、Kε分別為光纖光柵溫度和軸向應變對中心波長的變化敏感系數(shù)，則可將公式(5)進行簡寫，可得公式(6):

對于反射波中心波長為1550nm的石英光纖光柵，典型的波長－溫度的靈敏度系數(shù)為13pm/℃，波長－應變的靈敏系數(shù)為1.15pm/με。實際應用中，F(xiàn)BG傳感器由于進行了不同的封裝、增減敏等措施，各自的靈敏度系數(shù)會發(fā)生相應的變化，因此不同的光纖光柵在實際測量前需進行標定。

由以上分析可得，光纖光柵在實際應用中，往往同時受溫度和應變的影響，一般的檢測系統(tǒng)很難分別識別出波長變化中溫度和應變各自的影響，即存在溫度應變的交叉敏感現(xiàn)象。為了能夠精確測量外界物理量，需要采用其他方法對溫度、應變的影響進行分離。

5 FBG溫度－應變交叉敏感解決辦法

對光纖布拉格光柵溫度應變對波長的綜合影響進行分離，是實用中必須解決的問題。現(xiàn)有的解決溫度－應變交叉敏感的方法主要有以下幾種:參考光纖光柵法、雙波長疊柵法、雙參量矩陣法、機械補償法等。在同一溫度場中，當傳感器彈性體受力后同時分別產(chǎn)生拉壓應變時可采用機械補償法，不要求額外的溫度檢測即可達到應變、溫度的測量目的。適合采用此方法的傳感器彈性體有等強度梁、剪切式傳感器［25］等。

本文中拉力傳感器采用S型剪切式形式，符合機械補償法的應用條件，故采用機械補償法解決溫度－應變的交叉敏感性，降低成本。

為方便分析，以等強度梁為例進行受力分析，兩根光纖光柵分別粘貼于等強度梁正反兩表面，如圖3所示。

圖3 等強度梁機械補償示意圖

等強度梁上下兩表面的應變大小相等符號相反，圖3中，上表面受拉應變ε，下表面受壓縮應變－ε，兩只FBG處于同一溫度場中根據(jù)公式(6)可得:

式(7)、(8)中 ΔT、Δε 相等，KT1、2、Kε1、2分別為上下兩FBG對溫度和應變的靈敏度系數(shù)。若兩根光纖的溫度、應變系數(shù)完全相同，即 KT1=KT2=KT，Kε1=Kε2=Kε，則FBG的溫度、應變變化可由公式(9)計算所得:

由公式(9)可得，由于上表面受拉應變ε，下表面受壓縮應變－ε，傳感器的靈敏度提高一倍。實際中由于封裝粘貼等原因，兩根光纖的溫度、應變系數(shù)不會完全相同，存在微小的差異，需要進行一定的校正，設KT1= αKT2，Kε1= βKε2，所有系數(shù)均為常數(shù)，則式(9)可寫為:

聯(lián)列式(8)、(10)可得到FBG處的溫度和應變大小如公式(11)所示:

剪切式傳感器溫度應變交叉敏感現(xiàn)象的計算與此類似。

6 S型剪切式傳感器設計

S型傳感器是基于剪切力工作的傳感器，剪切力本身是不能測量的，但剪切力能產(chǎn)生與中性軸呈45°方向的互相垂直的兩個大小相等、拉壓成雙的主應力。拉壓主應力在腹板處將分別產(chǎn)生拉伸和壓縮應變，與等強度梁類似，在平面應力狀態(tài)下，可以通過測量主應力產(chǎn)生的拉伸、壓縮應變達到測力的目的［26］。

設計的傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，在傳感器腹板凹槽內(nèi)，分別成±45°粘貼FBG貼片。傳感器受力后，F(xiàn)BG貼片分別承受拉伸應變和壓縮應變，通過實驗標定，即可通過應變大小測得拉力大小，為覆冰監(jiān)測提供必要參數(shù)。

圖4 傳感器外形圖

6 結(jié)論與展望

鑒于FBG相對于傳統(tǒng)傳感器的諸多優(yōu)點，本文對耐張塔處監(jiān)測輸電線路覆冰的原理進行分析后，采用機械補償法消除FBG溫度－應變交叉敏感，設計了基于FBG的輸電線路覆冰監(jiān)測拉力傳感器。

為了進一步的驗證設計傳感器的各項性能如:機械補償性能、傳感器靜態(tài)性能(線性度、靈敏度、精度等)及實際測量效果，需要對所研制的FBG拉力傳感器進行性能標定及覆冰實驗。此外，需研制FBG傾角傳感器、風速風向傳感器，配合FBG拉力傳感器進行覆冰監(jiān)測。

［1］中國南方電網(wǎng)公司.電網(wǎng)防冰融冰技術及應用［M］.北京:中國電力出版社，2010:1 －4.

［2］許樹楷，趙杰.電網(wǎng)冰災案例及抗冰融冰技術綜述［J］.南方電網(wǎng)技術，2008，2(2):1 －6.

［3］Ice storm modelling in transmission system reliability calculation［OL］.pdf.［2005 － 08 －22］.http://www.diva － portal.org/diva/getDocument?urn_nbn_se_kth_diva－4409 －2__fulltext.

［4］The 1998 ice storm:10 － year retrospective.RMS special report［R/OL］.［2008 － 01］.http://www.rms.com/Publications/1998_Ice_Storm_Retrospective.pdf.

［5］楊靖波，李正，楊風利，等.2008年電網(wǎng)冰災覆冰及倒塔特征分析［J］.電網(wǎng)與水力發(fā)電進展，2008，24(4):4 －8.

［6］邵瑰瑋，胡毅，王力農(nóng)，等.輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀及效果［J］.電力設備，2008，9(6):13 －15.

［7］徐青松，張盎然，楊勇.輸電線路視頻在線監(jiān)控系統(tǒng)［J］.上海電力，2006，19(4):415 －417.

［8］徐青松，季洪獻，王孟龍.輸電線路弧垂的實時監(jiān)測［J］.高電壓技術，2007，33(7):206 －209.

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

［10］黃新波，孫欽東，程榮貴，等.導線覆冰的力學分析與覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31(14):98 －101.

［11］Jean N Laflamme and Gilles Périard.The climate of freezing rain over the province of Québec in Canada:a preliminary analysis［J］.Atmospheric Research，1998，V46(1):99 －111.

［12］Magnar Ervik，Svein M.Fikke.Development of a mathematical model to estimate ice loading on transmission 1ines by use of general climatological data［J］.IEEE transactions on power apparatus and systems，1982，V101(6):1497－1503.

［13］Druez J，McComber P.Field data on power line icing［J］.Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering，1996，20(3):259－273.

［14］Farzaneh M，Savadjiev K.Statistical analysis of field data for precipitation icing accretion on overhead power lines［J］.IEEE Transon Power Delivery，2005，20(2):1080 －1087.

［15］Huneault M，Langheit C，Caron J.Combined models for glaze ice accretion and de － icing of current－ carrying electrical conductors［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2005，20(2):1611 －1616.

［16］Savadjiev K.，F(xiàn)arzaneh M.Modeling of icing and ice shedding on overhead power lines based on statistical analysis of meteorological data［J］.Power Delivery，IEEE Transactions on，2004，19(2):715 －721.

［17］Bhatia V.Properties and Applications of Fiber Grating［A］.Proceedings of the SPIE［C］，2001，4417:154 －160.

［18］Sergei A.Vasiliev.Photoinduced fiber gratings［A］.Proceedings of the SPIE［C］，2001，V4357:1 －12.

［19］Fu － Kuo Chang.Structural health monitoring，2005:advancements and challenges for implementation ［M］.U.S.A.:DEStech Publications，Inc，2005:205 －212.

［20］Leif Bjerkan.Application of fiber－ optic Bragg grating sensors in monitoring environmental loads of overhead power transmission lines［J］.APPLIED OPTICS，2000，V 39(4):554 －560.

［21］Tarun K，Gangopadhyay，Mukul C.Paul，Leif Bjerkan.Fiber－ optic sensor for real－time monitoring of temperature on high voltage(400KV)power transmission lines［A］.Proceedings of the SPIE［C］，2009，V(7503):75034M－1－75034M－4.

［22］刑毅，曾奕，盛戈皞，等.基于力學測量的架空輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002，32(23):81 －85.

［23］邵天曉.架空送電線路的電線力學計算［M］.北京:中國電力出版社，2003:92－98.

［24］孫汝蛟.光纖光柵傳感技術在橋梁健康檢測中的應用研究［D］.上海:同濟大學，2007.

［25］李川，張以謨，趙永貴，等.光纖光柵:原理、技術與傳感應用［M］.北京:科學出版社，2005:161－174.

［26］劉九卿.剪切式力與稱重傳感器的力學基礎［J］.衡器，1997(2):13－20.