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A Fiber Bragg Grating Tension and Tilt Sensor Applied to Icing Monitoring on Overhead A Fiber Bragg Grating Tension and Tilt Sensor Applied to Icing Monitoring on Overhead Transmission Lines 应用于架空输电线路覆冰监测的光纤光栅拉力倾角传感器 组员:孙喆、吴影、兰航、张龙龙、韩琳娜 指导老师:段建东 2012年 6月

研究背景 2008 年年初我国南方部分地区遭受了罕见的冰雪灾害,导致电网设施遭受严重 破坏,电网陆续发生输电线路倒杆、倒塔、断线等情况,引起大范围的电力供 应中断,导致了交通阻塞、部分地区长时间停电等灾害性事故,给 农业生产 和人民群众生活带来了严重影响。 受灾数据:截至 2008年 2月26日,南方地区电网累计因灾害而被迫停运的10 k. V及 以上线路 7541条,其中 研究背景 2008 年年初我国南方部分地区遭受了罕见的冰雪灾害,导致电网设施遭受严重 破坏,电网陆续发生输电线路倒杆、倒塔、断线等情况,引起大范围的电力供 应中断,导致了交通阻塞、部分地区长时间停电等灾害性事故,给 农业生产 和人民群众生活带来了严重影响。 受灾数据:截至 2008年 2月26日,南方地区电网累计因灾害而被迫停运的10 k. V及 以上线路 7541条,其中 110 k. V及以上线路 588条; 35 k. V及以上变电站停运 859座, 其中 110 k. V及以上变电站 270座;已查明的110 k. V及以上输电线路倒杆、倒塔及损 坏合计 2686基,断线 2576处,电力通信光缆断线 106条;受停电影响县市 90个, 乡镇1579个。

冰雪灾害暴露出的问题: 一方面也暴露了我国电网在规划、建 设、运行、管理等方面存在的问题; 另一方面暴露了我国在电 网防覆冰、融冰、除冰方法方面的研究力度不够。 对架空输电线路进行覆冰在线监测可减少因覆冰引起的线路故 障,具有重要的意义。我们对现有覆冰在线监测方法做了分析, 鉴于现有输电线路覆冰在线监测系统存在的各种问题,基于光 纤光栅传感技术,讨论了一种一体化的光纤光栅拉力倾角传感 器,以及导线覆冰在线监测系统。 冰雪灾害暴露出的问题: 一方面也暴露了我国电网在规划、建 设、运行、管理等方面存在的问题; 另一方面暴露了我国在电 网防覆冰、融冰、除冰方法方面的研究力度不够。 对架空输电线路进行覆冰在线监测可减少因覆冰引起的线路故 障,具有重要的意义。我们对现有覆冰在线监测方法做了分析, 鉴于现有输电线路覆冰在线监测系统存在的各种问题,基于光 纤光栅传感技术,讨论了一种一体化的光纤光栅拉力倾角传感 器,以及导线覆冰在线监测系统。

引言 气象因素、地形和地理环境条件 海拔高度和导线悬挂高度 影响导线覆冰因素主要有 导线结构特性 电场的影响 导线覆冰临界电流 引言 气象因素、地形和地理环境条件 海拔高度和导线悬挂高度 影响导线覆冰因素主要有 导线结构特性 电场的影响 导线覆冰临界电流

可实现在线监测的覆冰输电线路设施 电线,包括导线、地线、0 PGw(架空地线复合光缆)。主要特征量有:覆冰、 舞动、风偏、导线温度等。 绝缘子串,主要的特征量有:泄漏电流、风偏角等。 杆塔,包括钢管塔、组合角钢塔。主要的特征量有:杆塔倾斜、杆塔应力等。 气象环境,包括气象条件、通道状况。主要的特征量有:风速、风向、气温、 湿度、降雨量、气压、通道环境状况等。 可实现在线监测的覆冰输电线路设施 电线,包括导线、地线、0 PGw(架空地线复合光缆)。主要特征量有:覆冰、 舞动、风偏、导线温度等。 绝缘子串,主要的特征量有:泄漏电流、风偏角等。 杆塔,包括钢管塔、组合角钢塔。主要的特征量有:杆塔倾斜、杆塔应力等。 气象环境,包括气象条件、通道状况。主要的特征量有:风速、风向、气温、 湿度、降雨量、气压、通道环境状况等。

在导地线、绝缘子杆塔 上安装监测单元,定时监测 导地线、绝缘子、杆塔的状 态参数及气象环境参数 通过无线传感器网络发送至 安装在杆塔上的在线监测基站 基站再通过GPRS/CDMA /GSM等通信网络将数据发送 至监测管理平台,进行数据分 析及预警。 覆冰输电线路运行监测及预警系统 在导地线、绝缘子杆塔 上安装监测单元,定时监测 导地线、绝缘子、杆塔的状 态参数及气象环境参数 通过无线传感器网络发送至 安装在杆塔上的在线监测基站 基站再通过GPRS/CDMA /GSM等通信网络将数据发送 至监测管理平台,进行数据分 析及预警。 覆冰输电线路运行监测及预警系统

覆冰输电线路运行状态信息管理平台及预警系统 覆冰输电线路运行状态信息管理平台及预警系统

现有覆冰在线监测方法 图像监控器法 • 在电力设施上安装摄像 头,24小时监控线路上 覆冰的情况。像监控器 法可以直观的对输电线 路覆冰情况进行观察, 准 确把握覆冰情况, 但是在 风雪较大的情况下, 雪花 容易遮盖监控器镜头, 现有覆冰在线监测方法 图像监控器法 • 在电力设施上安装摄像 头,24小时监控线路上 覆冰的情况。像监控器 法可以直观的对输电线 路覆冰情况进行观察, 准 确把握覆冰情况, 但是在 风雪较大的情况下, 雪花 容易遮盖监控器镜头, 导 致无法准确的分辨出导 线的覆冰情况。 导线温度法 称重法 • 在覆冰情况下,导线温 度变化的监测可以为线 路融冰提供依据,指导 融冰进程,用于研究不 同覆冰厚度时的融冰电 流,及作为导线热稳定 控制因素。 • 通过测量悬挂导线金具 的应力和倾角计算导线 覆冰情况, 该方法传感器 安装方便, 覆冰计算模型 简单, 应用范围较广。

需要在测量点附近提供电源,现有电源提供 方案为太阳能供电,在连续阴雨天无法正常 作 测量设备为电气测量,在输电线路的强电磁 场区域内极易受到电磁干扰的影响 称重法的缺点 在每个测量点(杆塔处)都需要安装取能模块、 测量传感器和数据无线发射模块,造成了系 统结构复杂,可靠性低 电阻应变片使用寿命短,在长时间恶劣温/ 湿度环境作用下,其应变测量性能明显下降。 需要在测量点附近提供电源,现有电源提供 方案为太阳能供电,在连续阴雨天无法正常 作 测量设备为电气测量,在输电线路的强电磁 场区域内极易受到电磁干扰的影响 称重法的缺点 在每个测量点(杆塔处)都需要安装取能模块、 测量传感器和数据无线发射模块,造成了系 统结构复杂,可靠性低 电阻应变片使用寿命短,在长时间恶劣温/ 湿度环境作用下,其应变测量性能明显下降。

摘要 输电线路覆冰危害电网安全稳定运行。为解决现有输 电线路覆冰在线监测系统需要现场电源,易受电磁干扰, 不能分布式测量,使用寿命短等缺点,开发基于光纤布喇 格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感技术的输电线路 覆冰在线监测系统。基于光纤光栅传感技术,提出一种抗 电磁干扰的光纤光栅拉力倾角一体化传感器。在该传感器 中,通过设计双闭环 U 型槽结构形成了高精度抗偏载能 力强的拉力传感单元;基于等强度梁易形变的特点研制了 高分辨率小型化的倾角传感单元;采用增设不受力光纤光 摘要 输电线路覆冰危害电网安全稳定运行。为解决现有输 电线路覆冰在线监测系统需要现场电源,易受电磁干扰, 不能分布式测量,使用寿命短等缺点,开发基于光纤布喇 格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感技术的输电线路 覆冰在线监测系统。基于光纤光栅传感技术,提出一种抗 电磁干扰的光纤光栅拉力倾角一体化传感器。在该传感器 中,通过设计双闭环 U 型槽结构形成了高精度抗偏载能 力强的拉力传感单元;基于等强度梁易形变的特点研制了 高分辨率小型化的倾角传感单元;采用增设不受力光纤光 栅的方法解决了温度与应变交叉敏感问题。

Ø 覆冰在线监测系统的 作原理 • 监测系统构成 • 光纤光栅传感原理 • 覆冰荷载计算原理 Ø 光纤光栅拉力倾角传感器 • • 传感器结构 Ø 覆冰在线监测系统的 作原理 • 监测系统构成 • 光纤光栅传感原理 • 覆冰荷载计算原理 Ø 光纤光栅拉力倾角传感器 • • 传感器结构 拉力传感单元 倾角传感单元 温度补偿单元 Ø 实验室验证 • • 温度对测量影响的实验 拉力传感实验 倾角传感实验 250小时户外实验 Ø 结论

1. 覆冰在线监测系统 作原理 1. 1 监测系统的构成 基于光纤光栅的输电线路覆冰在线监测系统由如下几部分组成: 光纤光栅拉力倾角传感器,光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire,OPGW)传输线,光纤光栅波长解调仪,安装 有专家系统的监控计算机。 1. 覆冰在线监测系统 作原理 1. 1 监测系统的构成 基于光纤光栅的输电线路覆冰在线监测系统由如下几部分组成: 光纤光栅拉力倾角传感器,光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire,OPGW)传输线,光纤光栅波长解调仪,安装 有专家系统的监控计算机。 Structure of the FBG icing monitoring system of transmission lines.

1. 2 光纤光栅传感原理 光纤光栅 Ø 在 光 纤 上 用 紫 外 光 刻 1. 2 光纤光栅传感原理 光纤光栅 Ø 在 光 纤 上 用 紫 外 光 刻 写 光 栅 , 10 mm的 光 纤 光 栅 包 含 了 10000个在纤芯中规则分布的微小的反射镜面; Ø 温度/应变等物理量的变化与所导致的栅距变化呈线性, 光栅反射波长随栅距变化而线性变化。 光纤光栅传感原理 • 光纤光栅反射光的中心波长取决于光栅的条纹间距 • 光栅的条纹间距取决于: –施加的应变 –温度

光纤布喇格光栅是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件,其布 喇格波长对温度和应变双重敏感,其关系为 (1) 式中: 为中心波长; 为光纤的热膨胀系数;ξ 为光纤的热光系数; 为光纤的有效弹光系数; 为温度变化; ε为应变变化。 1、宽带光进入光纤,经过光栅反射回特定波长的光 2、通过测量光栅反射波长,换算被测体温度/应变等物理量; 3、光栅的温度特性为 10 光纤布喇格光栅是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件,其布 喇格波长对温度和应变双重敏感,其关系为 (1) 式中: 为中心波长; 为光纤的热膨胀系数;ξ 为光纤的热光系数; 为光纤的有效弹光系数; 为温度变化; ε为应变变化。 1、宽带光进入光纤,经过光栅反射回特定波长的光 2、通过测量光栅反射波长,换算被测体温度/应变等物理量; 3、光栅的温度特性为 10 pm/℃,应变特性为 1. 2 pm/微应变 FBG structure, with a refractive index profile and spectral response.

1. 3 覆冰荷载计算原理 专家系统利用悬挂点处拉力和倾角计算覆冰,传感器安装在直线塔A 上,其左、右档距内的线长分别为 和 (如下图 所示),T为悬挂点处 拉力;未覆冰时悬挂点处力学平衡方程为 (2) 式中: 为未覆冰时导线荷载; 为直线塔垂直方向上的拉力分量。 Transmission-line 1. 3 覆冰荷载计算原理 专家系统利用悬挂点处拉力和倾角计算覆冰,传感器安装在直线塔A 上,其左、右档距内的线长分别为 和 (如下图 所示),T为悬挂点处 拉力;未覆冰时悬挂点处力学平衡方程为 (2) 式中: 为未覆冰时导线荷载; 为直线塔垂直方向上的拉力分量。 Transmission-line mechanical analysis.

假设输电线路覆冰均匀,导线覆冰时,力学平衡方程为 (3) 式中: 为覆冰时的冰荷载; 为覆冰时的风荷载,它基于导线附 近气象站的风速风向信息按照现有公式计算得到。综合式(2)和式(3) 可得 (4) 通过监测导线悬挂点处的拉力T和倾角θ,就可以计算导线的覆冰荷载, 得 (5) 假设输电线路覆冰均匀,导线覆冰时,力学平衡方程为 (3) 式中: 为覆冰时的冰荷载; 为覆冰时的风荷载,它基于导线附 近气象站的风速风向信息按照现有公式计算得到。综合式(2)和式(3) 可得 (4) 通过监测导线悬挂点处的拉力T和倾角θ,就可以计算导线的覆冰荷载, 得 (5)

2. 光纤光栅拉力倾角传感器 2. 1 传感器结构 光纤光栅拉力倾角传感器用于测量直线塔悬挂绝缘子串处所受的 张力和倾角,它是整个测量系统的关键环节,其性能直接影响系统的 测量精度。整个传感器由拉力测量、倾角测量和温度补偿 3 部分组成( 如图所示)。 Structures of tension 2. 光纤光栅拉力倾角传感器 2. 1 传感器结构 光纤光栅拉力倾角传感器用于测量直线塔悬挂绝缘子串处所受的 张力和倾角,它是整个测量系统的关键环节,其性能直接影响系统的 测量精度。整个传感器由拉力测量、倾角测量和温度补偿 3 部分组成( 如图所示)。 Structures of tension and angle sensor.

2. 2 拉力传感单元用于测量覆冰变化造成的传感器处拉力改变。传统 大量程称重传感器结构主要有柱形、板环形、S 形 3 种。为提高拉力 测量的精度,并提高其抗偏载能力,结合柱式结构和板环结构的优点, 提出了一种适用于光纤光栅应变片的双闭环 U 型槽结构(如下图所示), 光纤光栅应变片分别装设在上、下表面的 U 型槽内。 2. 2 拉力传感单元用于测量覆冰变化造成的传感器处拉力改变。传统 大量程称重传感器结构主要有柱形、板环形、S 形 3 种。为提高拉力 测量的精度,并提高其抗偏载能力,结合柱式结构和板环结构的优点, 提出了一种适用于光纤光栅应变片的双闭环 U 型槽结构(如下图所示), 光纤光栅应变片分别装设在上、下表面的 U 型槽内。 FEM analysis of the elastic element under eccentric axial load. (a) Traditional column structure. (b) New structure.

使用有限元计算软件分别对柱式和双闭环 U 型槽式弹性体进行了应变 计算,在球形头上 330°的范围加压强模拟弹性体受偏载拉力情况, 光纤光栅应变片安装处的应变结果如下图所示。 Contrast of the strain distribution under the eccentric 使用有限元计算软件分别对柱式和双闭环 U 型槽式弹性体进行了应变 计算,在球形头上 330°的范围加压强模拟弹性体受偏载拉力情况, 光纤光栅应变片安装处的应变结果如下图所示。 Contrast of the strain distribution under the eccentric axial load between the traditional structure and new structure.

被测拉力与应变的关系为 (6) 式中,F 为拉力;A为截面面积;E 为弹性体杨氏模量;ε 1和ε 2分别 为弹性体上、下表面的应变值。 在温度不变的情况下,光纤光栅测量应变与波长变化为正比关系,将 式(1)带入式(6),同时考虑光纤光栅应变片的应变传递系数 K,可以 得到拉力变化与 FBG 波长变化的关系,即 被测拉力与应变的关系为 (6) 式中,F 为拉力;A为截面面积;E 为弹性体杨氏模量;ε 1和ε 2分别 为弹性体上、下表面的应变值。 在温度不变的情况下,光纤光栅测量应变与波长变化为正比关系,将 式(1)带入式(6),同时考虑光纤光栅应变片的应变传递系数 K,可以 得到拉力变化与 FBG 波长变化的关系,即 (7) 式中:λ 1、λ 2分别为上、下表面粘贴的拉力传感FBG 中心波长; 与 分别为上、下表面粘贴拉力传感 FBG 布喇格波长的变化量; 为这 2 个传感器的光纤的有效弹光系数。 由于光纤光栅的中心波长都处于 1550 nm 波段,λ 1≈λ 2,式(7)可改写 为 (8) 式中, 为拉力传感系数。

2. 3 倾角传感单元 现有光纤光栅倾角传感器结构复杂,易损坏,不适于在环境恶劣 的输电线路附近使用,因此需要设计可靠性高小型化的光纤光栅倾角 传感单元。光纤光栅倾角传感单元用于测量覆冰变化造成的传感器处 倾角改变,该单元是基于等强度梁设计的。将裸光纤粘贴在等强度梁 中心线上,然后将梁固定到一个基座上,梁的自由端悬挂一重物(重 力为N)构成倾角传感器。等强度梁及其受力如下图所示。 Beam of uniform strength and 2. 3 倾角传感单元 现有光纤光栅倾角传感器结构复杂,易损坏,不适于在环境恶劣 的输电线路附近使用,因此需要设计可靠性高小型化的光纤光栅倾角 传感单元。光纤光栅倾角传感单元用于测量覆冰变化造成的传感器处 倾角改变,该单元是基于等强度梁设计的。将裸光纤粘贴在等强度梁 中心线上,然后将梁固定到一个基座上,梁的自由端悬挂一重物(重 力为N)构成倾角传感器。等强度梁及其受力如下图所示。 Beam of uniform strength and the concentrated force P.

(9) 任意点的应变为 式中:L 为梁的长度;E 为等强度梁的杨氏模量;b为梁在 O 点处横截面 的宽度;h 为梁的厚;P为荷载。 当基座倾斜一个角度θ 时,重物在梁表面的垂直方向上产生的Psinθ(如下 图所示)。此时梁将发生弯曲,其上各点的应变为: (10) 粘贴在等强度梁上的光栅也将被拉伸,布喇格波长发生偏 (9) 任意点的应变为 式中:L 为梁的长度;E 为等强度梁的杨氏模量;b为梁在 O 点处横截面 的宽度;h 为梁的厚;P为荷载。 当基座倾斜一个角度θ 时,重物在梁表面的垂直方向上产生的Psinθ(如下 图所示)。此时梁将发生弯曲,其上各点的应变为: (10) 粘贴在等强度梁上的光栅也将被拉伸,布喇格波长发生偏 移,即 (11) 式中:λ 3为倾角传感 FBG 波长; 为倾角传感系数。 Mechanical analysis of the tilted beam.

2. 4 温度补偿单元 使用温度补偿片是消除应变测量中温度影响的有效方案。在拉力 与倾角传感器的底部装有一个温补 FBG,在安装中使它不受力,温 补 FBG 波长的变化只由温度变化引起,因此用它可消除拉力和倾角 测量中温度因素的干扰。考虑温度补偿,拉力波长关系式和倾角波长 关系式可改写为 式中 和 分别为拉力传感 2. 4 温度补偿单元 使用温度补偿片是消除应变测量中温度影响的有效方案。在拉力 与倾角传感器的底部装有一个温补 FBG,在安装中使它不受力,温 补 FBG 波长的变化只由温度变化引起,因此用它可消除拉力和倾角 测量中温度因素的干扰。考虑温度补偿,拉力波长关系式和倾角波长 关系式可改写为 式中 和 分别为拉力传感 FBG 和倾角传感FBG 对应温补传感 FBG 的 温度补偿系数,即相同温度变化下,拉力(或倾角)传感 FBG 反射波中心波 长变化与温补传感 FBG 反射波中心波长变化之比。

3 实验室验证 3. 1 温度对测量影响的实验 Change in wavelength separations under different temperatures. 3 实验室验证 3. 1 温度对测量影响的实验 Change in wavelength separations under different temperatures.

3. 2 拉力传感实验 为检验拉力传感单元的实际性能,使用万能拉力机对其进行了验 证实验。为模拟现场情况,将拉力传感单元上端与 UB 型挂板相连接, 下端与碗头挂板相连接,2 个挂板再通过特制夹具固定在拉力实验机 上。 Setup of the tension 3. 2 拉力传感实验 为检验拉力传感单元的实际性能,使用万能拉力机对其进行了验 证实验。为模拟现场情况,将拉力传感单元上端与 UB 型挂板相连接, 下端与碗头挂板相连接,2 个挂板再通过特制夹具固定在拉力实验机 上。 Setup of the tension sensing experiment. Wavelength shift response to the tension.

3. 3 倾角传感实验 将制作完成的倾角传感单元固定在标准量角器上,进行倾角测量 实验,量角器的一边保持水平,定义量角器另一边偏离水平法线的角 度为θ角,改变θ角,使其在 -45°~45°范围内变化,每次改变 5°。 Setup of the tilt sensing experiment. 3. 3 倾角传感实验 将制作完成的倾角传感单元固定在标准量角器上,进行倾角测量 实验,量角器的一边保持水平,定义量角器另一边偏离水平法线的角 度为θ角,改变θ角,使其在 -45°~45°范围内变化,每次改变 5°。 Setup of the tilt sensing experiment. Wavelength shift response to the .

3. 4 250小时户外实验 FBG tension and tilt sensor in a heavy storm. Bragg wavelength 3. 4 250小时户外实验 FBG tension and tilt sensor in a heavy storm. Bragg wavelength shift in the 250 -h outdoor experiment.

Results of the 250 -h outdoor experiment. (a) Tension. (b) Tilt. Results of the 250 -h outdoor experiment. (a) Tension. (b) Tilt.

4 结论 u 利用现有 OPGW 中光缆的传输功能,提出了基于光纤光栅传感技术 的输电线路覆冰在线监测系统。该系统具有抗电磁干扰能力强,在测 量点附近不需要电源,长期稳定性好,可实现准分布式测量等优点。 u 研发的用于覆冰测量的光纤光栅拉力倾角传感器,拉力测量灵敏度为 0. 0413 pm/N,分辨率为 24. 4 结论 u 利用现有 OPGW 中光缆的传输功能,提出了基于光纤光栅传感技术 的输电线路覆冰在线监测系统。该系统具有抗电磁干扰能力强,在测 量点附近不需要电源,长期稳定性好,可实现准分布式测量等优点。 u 研发的用于覆冰测量的光纤光栅拉力倾角传感器,拉力测量灵敏度为 0. 0413 pm/N,分辨率为 24. 21 N;倾角测量的灵敏度为 16. 17 pm/(°), 分辨率为 0. 0619°;在 10~50℃范围内,温度造成的拉力误差小于 ± 0. 1%,倾角误差小于± 0. 67%。 u 在 250小时的户外实验中,传感器可以在恶劣的环境里正常运转,并 且未发现蠕动现象。

外文参考文献 • Guo-ming Ma, Cheng-rong Li, Jiang-tao Quan, Jiang, and Yangchun Cheng, “A Fiber 外文参考文献 • Guo-ming Ma, Cheng-rong Li, Jiang-tao Quan, Jiang, and Yangchun Cheng, “A Fiber Bragg Grating Tension and Tilt Sensor Applied to Icing Monitoring on Overhead Transmission”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 26, NO. 4, OCTOBER 2011 Lines. • Michael J. Moser, Boby George, Hubert Zangl, Georg Brasseur, “Icing Detector for Overhead Power Transmission Lines”, Institute of Electrical Measurement and Measurement Signal Processing Graz University of Technology, Graz, Austria. I 2 MTC 2009 - International Instrumentation and Measurement Technology Conference Singapore, 5 -7 May 2009.

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