输电线路覆冰监测拉力传感器性能测试

输电线路覆冰监测拉力传感器性能测试
杨俊;张长胜;梁仕斌
【摘要】为实现基于输电线路覆冰的光纤Bragg光栅拉力传感器的性能分析,设计了一个量程为50kN的拉力传感器对其进行校准实验.通过实验中解调仪的中心波长和实验拉力机产生的拉力值进行线性拟合,求出该光纤Bragg光栅传感器的静态性能指标参数.结果表明:光纤传感器的灵敏度为28.9N/nm,线性度为0.91％FS,迟滞误差为0.54％FS,零点漂移小.
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2019(046)002
【总页数】4页(P130-133)
【关键词】拉力传感器;输电线路覆冰;光纤Bragg光栅;静态性能指标;称重法【作者】杨俊;张长胜;梁仕斌
【作者单位】昆明理工大学信息工程与自动化学院;云南电网有限责任公司电力科学研究院;昆明理工大学信息工程与自动化学院;云南电力试验研究院(集团)有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TH89
输电线路覆冰一直是我国电力企业关注的问题，在我国许多地区由于导线覆冰使得输电线路的负荷增加，造成杆塔倒塌、导线折断等问题，造成了巨大的经济损失，
甚至威胁到人民的生命安全[1～3]。

因此，加强对输电线路覆冰的监测，对电力系统的稳定安全运行具有重大的意义。

云南昭通地形复杂，海拔高，多积雪，冬季湿度大，容易出现输电线路覆冰的现象。

国内输电线的监测方法主要有称重法、视频监测法和弧垂法[4]。

通过拉力传感器/称重传感器、导线温度/倾角传感器和图像进行监测。

普通的电气测量传感器存在
零点漂移、非线性及蠕变等特性，使得测量结果不稳定，使用寿命短。

容易受输电线路周围强电磁环境的干扰[5，6]。

光纤光栅具有抗电磁干扰能力强、无需现场供电、测量距离广、使用寿命长以及能在恶劣环境下运行等特点，光纤Bragg光栅传感器开始运用到线路覆冰监测。

黄
新波等设计了3组拉力传感器和倾角传感器实现了全面准确监测输电线路覆冰情
况的目标[7]。

罗健斌等利用光纤光栅传感器进行输电线路覆冰试验，在运行期间
表现出很高的可靠性[8]。

为了对输电线路的光纤Bragg光栅拉力传感器性能进行分析，笔者设计测试实验，对云南电网科技项目“输电线路基于光纤传感技术的多变量状态监测研究”的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)拉力传感器进行测试。

1 FBG拉力传感器覆冰监测原理
光纤Bragg光栅拉力传感器的监测原理是称重法，当输电线路覆冰时，线路荷载
增加，通过拉力传感器可以得到导线某个点的拉力值和角度值，根据输电线路导线本身的物理参数、两级杆塔之间的档距进行综合分析，计算出线路的等值覆冰厚度。

假设传感器安装于直线塔A上，A杆塔到B杆塔和C杆塔的导线长度分别为S1
和S2，如图1所示，当导线处于未覆冰状态时，A杆塔绝缘子接近垂直，此时未
覆冰悬挂点的力学方程[9]为：
(1)
式中 q0——无覆冰时的导线荷载；
T0——导线无覆冰时受到的拉力。

当线路覆冰时，直线塔A悬挂点垂直方向的拉力分量T1的计算式如下：
(2)
式中 q1——覆冰时冰的荷载；
q2——覆冰时风的荷载。

联立式(1)、(2)可得：
ΔT=T1-T0
(3)
(4)
因此，通过安装杆塔导线悬挂点的拉力传感器和倾角传感器，可以测得导线覆冰时的荷载q1，导线的受力分析如图1所示。

图1 导线受力分析
设导线的计算等效直径为L，线路覆冰厚度为b，则导线覆冰时冰的荷载计算式为：
(5)
综合式(3)～(5)可知，计算出覆冰时，导线水平风荷载值已知时可以测出导线等值
覆冰厚度。

FBG拉力传感器由金属外壳、光纤Bragg光栅，不锈钢件和铠装光缆组成，其中
波长变化量Δλ与所加拉力F满足以下关系[10]：
式中 E——不锈钢件的弹性模量；
Pe——光纤有效弹光系数；
S——FBG拉力传感器的横截面积；
λ——FBG拉力传感器波长。

基于FBG的输电线路覆冰拉力传感器测试系统主要由微机控制万能材料试验机、光纤光栅解调仪和上位机组成。

实验过程中使用金具连接拉力传感器到微机控制万能材料试验机，通过微机控制万能材料试验机对光纤Bragg光栅拉力传感器施加拉力负荷，传感器中的光栅发生变化引起光波长变化，变化后的光波长信号通过光纤传输到光纤光栅解调仪，由解调仪进行波长解调，并在上位机显示传感器的中心波长。

实验方案分为4个步骤：
a.对FBG拉力传感器进行预荷载一次，从0～40kN施加荷载；
b.使得FBG拉力传感器处于空载状态并记录空载时的波长；
c.设置FBG拉力传感器的检测点，分别对其量程50kN的20%、40%、60%、80%，使拉力机的拉力值从0向设置的检测点递增，实验过程中在每个检测点保持3min并记录拉力值和对应的中心波长值；
d.当拉力机施加的拉力到达量程的80%时，设置相同的检测点，使拉力机逐渐递减压力到每个检测点直至0，递减实验中每个检测点保持3min并记录拉力值和中心波长。

2 FBG拉力传感器实验数据分析
实验中，拉力机从0到传感器最大量程的20%、40%、60%、80%施加荷载，再从最大量程的80%开始减小荷载直至到0。

当室内温度在25℃时，测得FBG拉力传感器正反行程的拉力值与光栅中心波长的数据，绘制实验所得该光纤Bragg光栅拉力传感器的拉力值与之相对应的波长正行程和反行程特性曲线，拟合曲线如图2、3所示。

图2 正行程校准曲线和拟合曲线
图3 反行程校准曲线和拟合曲线
可以看出，光纤Bragg光栅拉力传感器拉力值与拉力光栅中心波长几乎是线性关系，决定系数R2为0.999 2，说明拟合程度很好。

正行程的拟合直线
y=0.0290x+1539.7，其中拟合曲线的斜率0.029为光纤Bragg光栅拉力传感器正行程灵敏度。

反行程的拟合直线y′=0.0289x+1539.7，其中0.028 9为光纤Bragg光栅拉力传感器反行程灵敏度，所以光纤Bragg光栅拉力传感器的正反行程灵敏度分别为29.0、28.9N/nm。

对图2、3测量曲线进行研究，线性度是光纤Bragg光栅传感器校准曲线和拟合直线最大偏差ΔLmax与满量程输出的百分比[11]，即有：
式中 k——拟合直线的斜率；
ΔLmax——传感器校准曲线和拟合直线最大偏差。

从图2、3可以看出，正行程的最大偏差为0.012nm，反行程最大偏差为
0.010nm，因此传感器的正反行程线性度分别为：
迟滞特性是传感器在测量范围内，正行程与反行程中输入-输出特性不重合的程度[12]，即有：
其中，Δmax为传感器正反行程最大偏差值。

从图2、3可以看出，FBG拉力传感器正反行程最大偏差值为0.006nm，所以迟滞误差为：
当拉力机从0增加到38kN而后再递减到0的过程中，光纤光栅中心波长基本回到了初值，波长偏差为0.001nm，说明该光纤Bragg光栅拉力传感器具有零点漂移小的良好品质。

3 结束语
针对输电线路覆冰的光纤Bragg光栅拉力传感器性能研究设计了一个测试实验，并分析了该传感器的静态性能指标。

实验结果表明，该传感器的灵敏度为
28.9N/nm，线性度为0.91%FS，迟滞误差为0.54%FS，零点漂移小。

此次实验的光纤传感器和测试仪器符合检定要求，保证了实验的准确性。

光纤Bragg光栅拉力传感器已于2017年10月在云南昭通某110kV输电线路进行挂网实验，为了避免对现场设备的过大改动，将拉力传感器替换杆塔上现有金具的U形挂环(U-10)。

传感器安装完成后，使用不锈钢扎带将光缆捆绑在杆塔上，走纤要求顺沿杆塔，达到美观且不凌乱的效果。

光纤Bragg光栅传感器无需电源现场供电，抗电磁干扰能力强，适用于架空的输电线路覆冰情况的监测。

参考文献
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