輸電線路覆冰監(jiān)測用FBG拉力傾角傳感器的研制

【文章摘要】

架空輸電線路覆冰嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。基于現(xiàn)有輸電線路監(jiān)控系統(tǒng)需要現(xiàn)場電源，易受電磁干擾等缺點(diǎn)以及光纖布喇格光柵（ Fiber Bragg Grating，FBG）傳感器具有抗電磁場干擾、靈敏度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了一套基于FBG 傳感技術(shù)的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)。為了提高已有的FBG 柱式稱重傳感器性能，更好地監(jiān)測導(dǎo)線覆冰情況，研制了用于耐張塔處的FBG 雙閉環(huán)U 型拉力傳感器， 可以測量導(dǎo)線覆冰厚度、張力、弧垂等多項(xiàng)重要參數(shù)。所研制的FBG 雙閉環(huán)U 型拉力傳感器由FBG 傳感器和彈性體兩部分組成。在該傳感器中，通過設(shè)計雙閉環(huán) U 型結(jié)構(gòu)形成了高精度抗偏載能力強(qiáng)的拉力傳感單元；彈性體受力后，在U 型槽上下表面可相應(yīng)地產(chǎn)生拉、壓的主應(yīng)變，兩FBG 波長值相減即能消除 FBG 應(yīng)變與溫度的交叉敏感問題，且不用額外補(bǔ)償措施。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的光纖光柵傳感器拉力測量單元線性度高，拉力傳感的靈敏度為 0.0413pm/N，分辨率為 24.21N，非線性誤差為1.7%，精確度為2.37%，相對以往的FBG 柱式稱重傳感器，非線性誤差降低了40%， 精確度提高了1.2 倍，各方面性能均有提高。

【關(guān)鍵詞】架空輸電線路；拉力傾角傳感器；雙閉環(huán)u 型結(jié)構(gòu)；FBG

【關(guān)鍵詞】架空輸電線路；拉力傾角傳感器；雙閉環(huán)u 型結(jié)構(gòu)；FBG

0 引言

架空輸電線路覆冰容易造成斷線、絕緣子閃絡(luò)、桿塔倒塌等事故，給社會造成了巨大的危害。因此，對架空輸電線路進(jìn)行覆冰狀態(tài)的在線監(jiān)測，實(shí)時獲得輸電線路覆冰狀況，對提高線路的運(yùn)行可靠性和安全性具有十分重要的意義。FBG 是以光信號為傳輸和變換的載體，利用光纖傳輸信號，相比于傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片傳感器而言，其具有抗電磁場干擾、靈敏度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，所以適用于電磁干擾強(qiáng)等惡劣的線路環(huán)境。目前經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的前期研究，已研制出FBG 柱式稱重傳感器，但其測量精度較低，分辨率僅為38.5N，靈敏度為0.142pm/N，非線性誤差為2.9%，精確度為5.24%，。由于溫度與應(yīng)變同時會對FBG 產(chǎn)生影響，根據(jù)控制變量法，需要額外不受力的FBG 做溫度補(bǔ)償，來得到僅僅因應(yīng)變產(chǎn)生的測量結(jié)果。此外，對輸電線路覆冰進(jìn)行稱重時，需要得到導(dǎo)線軸向張力、弧垂等信息，而在直線塔處測量無法得到以上信息。耐張塔承受較大張力，因此結(jié)合傾角傳感器，在耐張塔處安裝FBG 拉力傾角傳感器，通過對輸電線路覆冰情況的實(shí)時監(jiān)測，可以得到導(dǎo)線軸向張力、弧垂等多項(xiàng)信息，從而反映整個耐張段內(nèi)的線路狀態(tài)。本文針對傳統(tǒng)稱重傳感器的不足，進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，結(jié)合板環(huán)結(jié)構(gòu)和柱式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，我們設(shè)計出一種新的適用于光纖光柵應(yīng)變片的雙閉環(huán) U 型結(jié)構(gòu)。

1 光纖光柵傳感原理

作為一種窄帶反射濾波無源器件， FBG 有其獨(dú)一無二的性能。光纖布喇格光柵具有的彈光效應(yīng)和熱敏效應(yīng)分別決定了測量結(jié)果受外界應(yīng)變和溫度共同影響：當(dāng)其受到外界應(yīng)變作用時，彈光效應(yīng)使得光纖布喇格光柵有效折射率發(fā)生變化，反射光中心波長便會發(fā)生漂移；同理，當(dāng)外界溫度變化時，其有效折射率在熱敏效應(yīng)下會隨之變化，反射光中心波長也會發(fā)生漂移。光纖光柵反射波中心波長與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為：

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

從式 (1) 可以看出，作為應(yīng)變傳感器， FBG 線性輸出良好。但由于應(yīng)變和溫度倆個變量同時對光纖布喇格光柵產(chǎn)生影響，因此在傳感器制作中需要解決這兩者的交叉敏感問題。此外被測溫度應(yīng)變不受光源的光強(qiáng)波動影響，只與反射波波長有關(guān)，當(dāng)外界因素造成光信號強(qiáng)度發(fā)生變化時，不會影響最終的覆冰測量的結(jié)果。

2 FBG 拉力傾角傳感器

FBG 拉力傾角傳感器是整個測量系統(tǒng)的關(guān)鍵，其主要用于測量耐張塔處所受的張力和傾角，因此它的性能將直接影響整個系統(tǒng)的測量精度。整個傳感器以拉力測量為主，輔以傾角和溫度補(bǔ)償來提高測量精確度。在此著重介紹拉力測量的相關(guān)內(nèi)容。

2.1 拉力傾角傳感器主體結(jié)構(gòu)設(shè)計： 雙閉環(huán) U 型彈性體

當(dāng)覆冰變化造成的傳感器處拉力的改變時，拉力傾角傳感器的拉力傳感單元便可測量出相應(yīng)的改變的大小，拉力傳感器的彈性體使用了合金鋼35CrMnSiA，這種材料具有彈性極限高、彈性后效小、彈性滯后小，耐沖擊和抗疲勞性好，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，適合于制作大量程、高精度拉力傳感器。實(shí)驗(yàn)中，基于球型掛頭的結(jié)構(gòu)是一個扇面，當(dāng)拉力傳感單元的受力后，其應(yīng)變是不均勻的，會受到偏載影響，因此所研制的拉力傳感器對其抗偏載能力要求較高。傳統(tǒng)大量程稱重傳感器結(jié)構(gòu)主要有柱形，板環(huán)形，S 形三種。板環(huán)形和 S 形兩種結(jié)構(gòu)適合體積較小的應(yīng)變片，不適合體積過大的光纖光柵應(yīng)變片，因此無法使用；而抗偏載能力差的圓柱形結(jié)構(gòu)更是無法測得精確結(jié)果。設(shè)計出的雙閉環(huán) U 型結(jié)構(gòu)，結(jié)合了柱式結(jié)構(gòu)和板環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在適用于體積較大的光纖光柵應(yīng)變片的同時，可以提高拉力測量的精度和其抗偏載能力，如圖1 所示，光纖光柵應(yīng)變片分別安裝在U 型槽的上下表面。

圖1 彈性體的結(jié)構(gòu)

圖2 彈性體結(jié)構(gòu)剖視圖

彈性體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中，創(chuàng)新點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)的設(shè)計：在設(shè)計中，通過對彈性體結(jié)構(gòu)巧妙的的設(shè)計，使此彈性體結(jié)構(gòu)的受力面積達(dá)到可變化的效果，使其達(dá)到了變量程的目的。U 型槽倆側(cè)的腹板之間的金屬橫梁發(fā)揮了極其重要的作用。金屬橫梁將U 型槽與其倆側(cè)腹板連接在一起。當(dāng)彈性體倆端剛受到拉力時，球型掛頭首先受力形變帶動u 型槽發(fā)生形變，根據(jù)胡克定律和楊氏模量，發(fā)生彈性形變時，有

其中，L 為彈性形變量，S 為受力面積。