FBG傳感器監測氣候條件對電力鐵塔橫擔應變的影響*

劉 江， 閆思安， 李 川， 趙振剛， 謝 濤， 李英娜

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明650051)

FBG傳感器監測氣候條件對電力鐵塔橫擔應變的影響*

劉 江， 閆思安， 李 川， 趙振剛， 謝 濤， 李英娜

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明650051)

在電力塔架橫擔長期運營過程中，絕緣橫擔的應力變化復雜。對橫擔應力的實時監測是保證塔架橫擔長期安全穩定的一個重要因素。提出一種可以把橫擔主材所受應力變化轉換成光纖Bragg光柵(FBG)波長移位量的FBG應變傳感器應用于變電站的電力塔架上。根據鹽津變電站的氣候特點，在塔架上下桁架主材表面中心處安裝4只應變傳感器。針對2011年2月份的氣候條件，應變監測范圍為-58.05×10-6～-242.52×10-6；同時在監測過程中2011年1月12日上午10點出現降雪、降雨天氣，應變監測范圍為-93.71×10-6～-3.46×10-6，并在10點4只應變傳感器同時出現波動變化。實驗表明正常情況下，電纜風舞、降雪、降雨等氣候條件主要引起了電力鐵塔中橫擔的形變。

橫擔； 應力； 光纖Bragg光柵； 氣候條件； 形變

0 引 言

橫擔是電力鐵塔、電線桿等的頂部橫向固定的角鐵，常用鋼結構做成平面桁架式，用穿釘固定在主塔、主桿上，加上柔性吊桿以減輕橫擔在導線掛線處承受的荷載[1]。由于降雪、降水、風舞等自然災害的不利因素，橫擔的應力會加大，可能會造成橫擔的主材或斜材發生受壓扭曲破壞，導致整個橫擔被破壞，橫擔桿件發生拉、壓破壞，導致橫擔折斷，造成橫擔破壞，脫落等現象[2～4]。因此，在電力鐵塔的使用過程中，需要對電力鐵塔橫擔的應力進行實時監測。傳統檢測手段主要是視頻監控和人員巡視，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。Ogawa Y等人將光纖光柵貼在金屬板上，金屬板固定在電纜上，通過此種方式來監測電纜的荷載變化,沒有直接與橫擔的應力相結合，反映橫擔的應力實時變化狀況[5,6]。此類方法都無法滿足當前國家對電路輸電線路故障綜合檢測的迫切需求。因此,對電力鐵塔橫擔應力的在線安全監測具有重大意義。

本文將在電力鐵塔橫擔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應變傳感器，實時在線監測電力鐵塔橫擔所受的應力的變化,并與當地氣候條件的關聯性進行綜合分析。

1 FBG應變傳感器結構設計與工作原理

FBG的兩端分別固定于調節管內，兩調節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變管，兩緊固管的下端設置固定支點[7]。應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管，內管帶動光柵，發生波長移位。通過測量波長移位量，再加以合適的數學模型換算便可得到應變。

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

FBG應變響應指的是當FBG受到壓縮或拉伸時，引起了Bragg波長移位，通過光纖光柵解調儀檢測波長移位量就可以計算出與Bragg波長所對應的應變量[8～11]。

2 應變響應試驗測試分析

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

在實驗正式開始之前，必須進行預載試驗，主要是因為彈性元件要經過若干次載荷重復加卸循環后，變形關系才趨于穩定。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，根據所記錄的試驗數據計算傳感器的各種靜態特征。

圖2 FBG應變傳感器檢測系統原理框圖Fig 2 Principle block diagram of FBG strain sensor detecting system

圖3給出了4次實驗數據的波長移位量與應變之間的關系，計算表明重復性誤差為3.37 %FS。

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

測試結果表明:4次應變測試實驗中，FBG的波長移位量和應變之間呈線性關系，靈敏度為0.685 pm/10-6。應變測試試驗從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。由非線性誤差的計算公式可知，本文研制的傳感器溫度測試試驗中的非線性誤差為3.37 %FS，可滿足電力鐵塔橫擔應變精確測量的要求(圖4)。

圖4 應變測試試驗誤差棒圖Fig 4 Bar graphs of strain test experimental error

3 鹽津變電站應變傳感器在電力鐵塔橫擔的監測數據分析

運行電壓為75 V和100 V的恒定負載試驗。監測安裝傳感器的電力鐵塔橫擔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。為了分析氣候條件對橫擔應變的影響，結合監測地點的氣候特點，12,1月有降雪天氣，2,3月有大風，6,7月份有降雨的影響，溫度也基本處于20 ℃左右，溫度對應變監測結果的影響可以忽略，結合監測數據和氣候條件分析參見圖5和圖6。

圖5 2011年2月份應變日平均變化值Fig 5 Average daily change in value of strain on February,2011

圖5表明:電力鐵塔的橫擔日平均應變在長期監測中的變化范圍為-58.05×10-6～-242.52×10-6，結合風向的變化范圍，風舞對電力鐵塔橫擔應力日平均變化影響較大，特別是2#橫擔，在2月19號出現較大應變變化，達到-242.52×10-6。

同時圖5表明:電纜風舞主要引起了電力鐵塔中橫擔的形變，應變傳感器有效地檢測到了絕緣橫擔的應變變化，實現了應變的長期在線監測。通過對絕緣橫擔的應變的長期監測，應變變化正常波動，無異常突變情況。

圖6表明：在2011年1月12號上午10點，由于降雪、降雨的緣故，安裝在絕緣橫擔的4只FBG應變傳感器監測到的數據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日每小時應變平均變化值Fig 6 Average strain changes in the value hourly on January 12,2011

同時圖5、圖6表明:氣候條件是影響電力鐵塔絕緣橫擔安全運行的主要因素之一。

4 結 論

本文研制的傳感器通過電力鐵塔橫擔主材所受應力變化轉換成FBG波長移位量，實現了對電力鐵塔橫擔應力的實時在線監測。應變響應試驗表明：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4只FBG應變傳感器的在線實時監測，監測數據表明：電力鐵塔的橫擔日平均應變在長期監測中的變化范圍為-58.05×10-6～-242.52×10-6。最大應變達到了-242.52×10-6。在2011年1月12號上午10點出現降雪天氣，安裝在絕緣橫擔的4只FBG應變傳感器監測到的數據都有一定范圍的波動，變化范圍為40×10-6～50×10-6。結合監測數據表明，風舞、降雪、降水等各種氣候條件是影響電力鐵塔橫擔安全運行的主要因素之一。

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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

云南省自然科學基金資助項目(2007F181M)； 昆明理工大學人才培養基金資助項目(KKSY201303044)； 云南省應用基礎研究計劃資助項目(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研究。