基于光纖光柵傳感器的架空輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究.pdf

1、架空輸電線路覆冰會(huì)造成導(dǎo)線斷線、桿塔倒塌、絕緣子閃絡(luò)等事故，給社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)架空輸電線路進(jìn)行覆冰在線監(jiān)測(cè)可及早發(fā)現(xiàn)線路隱患，減少因覆冰引起的線路故障?，F(xiàn)有輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多由電子式裝置組成，存在易受電磁干擾、使用壽命短、需要現(xiàn)場(chǎng)電源等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，本文提出使用光纖布喇格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)進(jìn)行輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)。
　　 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)粘結(jié)劑對(duì)FBG的應(yīng)變測(cè)量的

2、靈敏度和可靠性有很大影響，因此本文首先開展了粘結(jié)劑對(duì)FBG應(yīng)變測(cè)量影響機(jī)理的研究，首次提出使用彈性體Maxwell模型分析粘結(jié)劑對(duì)FBG的影響，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)劑粘度是影響應(yīng)變測(cè)量的關(guān)鍵，通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定了粘結(jié)劑的選用原則：要求粘結(jié)劑的固化前粘度低，以獲得一個(gè)較薄的粘膠層；要求粘結(jié)劑固化后粘度高，以增大應(yīng)力松弛常數(shù)。使用本文提出的粘結(jié)劑選用原則可以在提高應(yīng)變測(cè)量靈敏度的同時(shí)保證應(yīng)變測(cè)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
　　 針對(duì)現(xiàn)有電子式稱重傳

3、感器抗電磁干擾能力差、長(zhǎng)期穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)，本文首次提出了柱式結(jié)構(gòu)輸電線路光纖布喇格光柵稱重傳感器。在傳感器中使用兩支FBG進(jìn)行拉力測(cè)量，一支FBG進(jìn)行溫度補(bǔ)償。由于傳感器在覆冰測(cè)量中存在長(zhǎng)期偏載受力的特殊性，使用有限元的方法對(duì)柱式結(jié)構(gòu)偏載受力進(jìn)行了深入的力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)柱式結(jié)構(gòu)偏載受力時(shí)FBG傳感區(qū)域應(yīng)變分布極不均勻，抗偏載能力很差。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了柱式與閉合U型槽相結(jié)合的傳感器結(jié)構(gòu)，將應(yīng)變分布不均勻度從13.4％降低到2.01％，

4、實(shí)現(xiàn)了在保持拉力測(cè)量靈敏度不變的情況下，提高傳感器的抗偏載能力。對(duì)傳感器分別進(jìn)行了拉力特性試驗(yàn)，溫度影響試驗(yàn)以及氣候室模擬覆冰試驗(yàn)，獲得了傳感器的性能指標(biāo)，驗(yàn)證了傳感器在覆冰情況下的可靠性。
　　 為了進(jìn)一步提高拉力測(cè)量的精確度同時(shí)減少FBG使用數(shù)量、提高一根光纖的監(jiān)測(cè)范圍，本文提出了S型結(jié)構(gòu)光纖布喇格光柵稱重傳感器。對(duì)S型結(jié)構(gòu)的彈性體進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)減少S型結(jié)構(gòu)腹板處正應(yīng)變的方法，削弱其對(duì)主應(yīng)變的影響，通過(guò)使用這種

5、設(shè)計(jì)原則，使腹板中心軸兩側(cè)±45°方向主應(yīng)變具有大小相同、方向相反的特性。利用這一特性僅使用兩支FBG就在實(shí)現(xiàn)拉力準(zhǔn)確測(cè)量的同時(shí)消除了溫度對(duì)拉力測(cè)量的影響。對(duì)傳感器進(jìn)行了拉力特性測(cè)試，結(jié)果顯示，相比柱式結(jié)構(gòu)FBG稱重傳感器，S型結(jié)構(gòu)FBG稱重傳感器的測(cè)量誤差從2.37％降低到0.863％。采用溫度影響試驗(yàn)以及氣候室模擬覆冰試驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器在覆冰情況下的可靠性。
　　 現(xiàn)有FBG傾角傳感器通常使用裸光纖光柵直接連接重物，在覆冰的惡

6、劣環(huán)境下可靠性差。為了在保證傾角測(cè)量靈敏度的同時(shí)提高傾角測(cè)量的可靠性，本文提出了基于等強(qiáng)度梁原理的小型化FBG傾角傳感器。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，等強(qiáng)度梁上FBG傳感位置對(duì)傾角測(cè)量靈敏度有很大影響，通過(guò)理論分析和有限元仿真的方法，獲得了FBG傳感位置與傾角測(cè)量靈敏度的關(guān)系。傾角試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)BG傾角測(cè)量傳感器在所需測(cè)量范圍內(nèi)擁有較高的靈敏度。氣候室模擬覆冰試驗(yàn)表明，傾角傳感器在覆冰情況下具有可靠性。
　　 風(fēng)速對(duì)輸電線路覆冰有很大影響，本

7、文首次提出了基于光纖布喇格光柵的風(fēng)速傳感器，它具有無(wú)源、實(shí)時(shí)采集等優(yōu)點(diǎn)。在傳感器設(shè)計(jì)中，通過(guò)采用圓板和直線軸承聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了傳感器對(duì)風(fēng)速的阻尼力，進(jìn)而增大了測(cè)量靈敏度。提出使用等強(qiáng)度梁對(duì)阻尼力進(jìn)行測(cè)量，在解決溫度.應(yīng)變交叉敏感的同時(shí)減少了FBG使用數(shù)量?，F(xiàn)有公式不能確定阻尼力與風(fēng)速傳感形狀之間的關(guān)系，本文提出采用有限體積(Finite Volume Method)的方法解決了這一問(wèn)題，成功獲得了風(fēng)速傳感器的阻尼系數(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)表明，

8、所研制的FBG風(fēng)速傳感器啟動(dòng)風(fēng)速為3m/s，測(cè)量誤差小于±0.5m/s。
　　 在所研發(fā)傳感器的基礎(chǔ)上，提出了基于光纖布喇格光柵的輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)原理。該系統(tǒng)由光纖布喇格光柵傳感器、OPGW、光纖波長(zhǎng)解調(diào)儀，覆冰監(jiān)測(cè)軟件組成，通過(guò)使用波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing)的方式，可實(shí)現(xiàn)利用一根通信光纖對(duì)上百公里范圍內(nèi)線路的分布式監(jiān)測(cè)和預(yù)警。由于使用OPGW進(jìn)行光信號(hào)傳輸，在輸電線路桿塔處