输电线路在线监测力学传感器的设计及应用

黄新波，刘磊，宋栓军

(西安工程大学，西安市710048)

0 引言

传感器作为监测系统的感知部分，处于十分重要的地位，多年来一直是各国竞相开发、应用的热点。例如，架空输电线路覆冰造成导线断线、杆塔倒塌、绝缘子闪络等事故［1］，给社会造成了巨大的经济损失。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。现有覆冰在线监测方法主要有气象法、图像监控器法、导线温度倾角法和称重法［2-3］。其中应用最广泛的是称重法:通过力传感器替代绝缘子的球头挂环，利用拉力传感器测量覆冰导线载荷。针对现有输电线路覆冰在线监测系统［4-5］存在的各种问题，基于应变片形变的原理，设计了拉力传感器，该传感器是一种用于测量装置在基体上应变片变化的仪器，具有安装方便，使用灵活，容易确立基准，能适合恶劣环境下长期自动工作等优点。

本文设计了一种高强度、体积小、使用寿命长的拉力传感器，通过模拟数字转换器(analog to digital converter，ADC)对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到数字器件，以便用于系统的数据处理，这对覆冰在线监测具有十分重要的意义［6］。

1 覆冰在线监测系统

1.1 监测系统的总体架构

基于力传感器的覆冰雪在线监测装置在设定的采样时间内(采样时间可修改)定时/实时完成绝缘子串拉力信息的采集，通过GSM/GPRS/CDMA/3G/WiFi/光纤等方式［7-9］传输到状态监测代理(condition monitoring agent，CMA)，通过CMA将信息发送至监控中心(condition information acquisition gateway，CAG)，CAG将输出的模拟信号经ADC处理得到数字信号，如图1所示。

1.2 输电线路覆冰在线监测力学计算原理

专家系统利用悬挂的外拉力计算覆冰［10-12］，传感器安装在直线塔A上，其左、右档距内的线长分别为和(如图2所示)，T为悬挂点处拉力。

图1 力学传感器在线监测系统Fig.1 Online monitoring system of mechanical sensor

图2 输电线路导线受力分析Fig.2 Force analysis of transmission lines

假设输电线路覆冰均匀，导线覆冰时，由于主杆塔绝缘子串上的竖直方向上张力值TV与两侧导线最低点到主杆塔A点间导线上的竖向载荷相互平衡，即“平衡法”，并设导线上风载荷集度为qw，覆冰载荷集度为qice，qo为未覆冰时导线荷载，TV为直线塔垂直方向上的拉力分量，ΔTV为有冰、风载荷作用与只有自重载荷作用时主杆塔上竖向载荷的差值。

即

而风载荷可以通过传感器测出，故可求解得

因此通过监测导线悬挂点处的拉力T和倾角θ，就可计算导线的覆冰荷载。

2 力学传感器

2.1 拉力传感器的结构设计

现有拉力传感器的测量精度、灵敏度低，疲劳强度弱，而且圆柱形结构抗弯、抗偏载能力差。因此，为提高拉力测量的精度，并提高其疲劳强度，结合柱式结构和板环结构的优点，设计了一种适用于电阻应变片的圆型槽结构［13-14］，如图3所示，三维实体模型如图4所示。电阻应变片分别安装在上、下表面的圆型槽内，然后用固体胶密封。

图3 力传感器结构设计Fig.3 Structure design of mechanical sensor

图4 弹性体的实体模型Fig.4 Entity model of elastomer

2.2 传感器的强度分析及优化

在相同情况的条件下，该设计结构的惯性力矩较传统柱式结构的惯性力矩大，且提高了抗弯能力。使用有限元软件对圆形槽式弹性体进行了应变计算，温度20℃，且在圆形面上施加一定的压力(一般为30 MPa)，压阻式应变片传感器安装处的形变、应力结果分别如图5(a)、(b)所示。

图5 形变、应力分析结果(圆形槽)Fig.5 Deformation and strain analysis result

由图5(a)、(b)分析得到的结果，可以看出安装该力学传感器圆槽处所受应力稍微偏大些，达到了37.685 MPa，而且形变达到了188.42 nm，如果外界压力不断增大，那么传感器受到的应力也不断增大。达到一定程度时，就会超过传感器的疲劳强度，严重时会使传感器从杆塔的悬挂点处因断裂而坠落，从而不能实现覆冰力学在线监测的信息采集。因此，必须对该设计的结构进行改进，实现结构的优化。将传感器的圆型槽改为方形槽，然后利用Ansys软件对其进行形变和应力分析，结果分别如图6(a)、(b)所示。

图6 传感器形变应力分析结果(方形槽)Fig.6 Deformation and strain analysis result of sensor

由图6(a)、(b)的分析结果可以看出，在相同的压力(30 MPa)下，方形槽传感器受到的最大应力为33.519 MPa，最大形变为167.6 nm，可知优化后的传感器有限元分析后得到的应力值、形变值较之前的传感器的应力值、形变值都减少了，疲劳强度相对增强，从而保证了该传感器覆冰在线监测的安全运行。

当偏载发生时，弯矩引起的弹性体上、下表面应变偏移量大小相等，方向相反，对2个应变片测量结果求均值的方法可有效地减小偏载造成的测量误差，被测拉力与应变的关系为

式中:F为拉力;SA为截面面积;E为弹性体杨氏模量;ε1和ε2分别为弹性体上、下表面的应变值。

3 传感器的数据采集

力学传感器是将压力转换成电流/电压的器件，用于测量压力、位移等物理量，可实现导线覆冰、导线微风振动和杆塔应力等的在线监测［15］。压力传感器可分为电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器等。本文设计的传感器主要是基于电阻应变片压力传感器的原理，它具有较高的精度和较好的线性特性。其中，电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密地粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给信号处理电路［16-17］(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构，其电路设计原理如图7所示。

图7 力学传感器电路设计原理Fig.7 Circuit design principle of mechanical sensor

3.1 传感器的数据分析

为验证拉力传感单元的测量性能，考虑覆冰后传感器处受到的最大拉力，拉力实验的量程设定为50 kN。多次实验表明，拉力传感单元重复性良好，由多组数据拟合后的方程，可以看出拉力传感单元有良好的线性度。由上述利用Ansys软件分析得到圆形槽、方形槽传感器上基体所受的压力与应变片形变的测量数据表见表1。

3.2 传感器的精度分析

本文设计的在线监测传感器［18］是基于压力应变片的基础上，它的灵敏度、精度的高低受弹性体形变向应变片电阻值变化传递能力的影响。力学传感器在一般情况下，应由4个应变片组成1个测量电桥，且内部4个应变片同时受力，同时在受压形变的作用下，必须实现2个应变片阻值增大，2个变小。电阻应变压力传感器在选择电源时，应该采用恒流源以此来减少温度误差方面的影响。由于应变片电桥电路的输出信号微弱，采用直流放大器又容易产生零点漂移，故多采用交流放大器对信号进行放大处理，所以应变片电桥电路一般都采用交流电源供电。利用图8所示的拉力机模拟装置，对本文设计的力学传感器进行强度验证，并对测量得到的拉力数据作进一步分析，从而完成对该传感器的精度分析。

表1 压力与应变片测量数据Tab.1 Measurement data of stress and strain

图8 力传感器模拟装置Fig.8 Simulator of force sensor

拉力机模拟装置得到的测量值与给定值的数据见表2，拉力实测值取最大值和最小值时所产生的误差率如表2所示。

3.3 温度对传感器的影响及处理

上述分析过程是在温度不变的条件下完成的，但在实际测量中传感器的温度会发生变化，而光纤光栅(fiber bragg grating，FBG)对应变和温度交叉敏感，首先对光纤布拉格光栅温度和应变对波长的综合影响进行分离，现有的解决温度-应变交叉敏感的方法主要有以下几种:参考光纤光栅法、双波长叠栅法、双参量矩阵法等。参考光纤光栅法是解决温度-应变交叉敏感现象最简单、有效的方法。温度变化将导致拉力测量结果不准确，因此应消除温度的影响。

其中温度补偿片是消除传感器应变测量温度影响的有效方案。具体方案如下:在拉力传感器的底部装上温补FBG，而且在安装过程中保证其不受力，那么，温补FBG波长的变化只能由温度的变化引起，因此用它可消除拉力测量中温度因素的影响。由于温度补偿的原因，拉力波长关系式为

表2 力学传感器的测量误差Tab.2 Measurement errors of mechanical sensor

式中:λ1、λ2分别为上、下表面粘贴的拉力传感FBG中心波长;Δλ1与Δλ2分别为上、下表面粘贴拉力传感FBG布拉格波长的变化量;Kt1为拉力传感FBG温补传感FBG的温度补偿系数，即相同温度变化下，拉力传感FBG反射波中心波长变化与温补传感FBG反射波长变化之比，该系数可通过实验确定;KForce为拉力传感系数。

除了温度的变化对力学传感器的测量有一定影响外，传感器电源电压的稳定性对其也有很大影响，因此，输电线路在线监测时应使拉力传感器的电源电压始终保持稳定，才能使得测量的相关数据的准确度和精度符合实际要求。

4 力学传感器在直流线路中的应用

本文设计的力学传感器在直流400 kV紫拉线1395覆冰杆塔得到了初步应用，其数据分析软件如图9所示，监测到的2012年12月到2013年4月日期与综合悬挂载荷的关系如图10所示。

5 结语

本文介绍了覆冰在线监测力学传感器的结构设计，并对其实体模型的疲劳强度、形变大小进行了有限元分析。分析结果显示，方形槽结构的疲劳强度较圆型槽的疲劳强度强，进一步得到了结构优化。同时采用了电阻应变压力传感器设计的电路原理图将弹性体受到的压力信号转化为应变片的电阻值变化的电信号，从而完成了数据的采集。经过多次实验发现，该传感器的重复性和精确度偏低，从而带来一定的覆冰监测误差，有待进一步提高。

图9 1395覆冰杆塔力学传感器数据分析软件Fig.9 Analysis software of mechanical sensor data for 1395 icing tower

图10 力传感器监测数据Fig.10 Monitoring data of mechanical sensor

致 谢

本文中实验方案的制定和实验数据的测量记录工作是在西安金源电气股份有限公司朱永灿、赵隆等工作人员的大力支持下完成的，在此向他们表示衷心的感谢。

［1］蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［2］黄新波，陈荣贵，王孝敬，等.输电线路在线监测与故障诊断［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［3］黄新波，孙钦东，程荣贵，等.导线覆冰的力学分析与覆冰在线监测系统［J］.电力系统自动化，2007，31(14):98-101.

［4］苑吉河，蒋兴良，易辉.输电线路导线覆冰的国内外研究现状［J］.高电压技术.30(1):6-9.

［5］邵瑰玮，胡毅，王力农，等.输电线路覆冰监测系统的应用现状及效果［J］.电力设备，2008，9(6):13-15.

［6］李立浧，阳林，郝艳捧.架空输电线路在线监测技术评述［J］.电网技术，2012，36(2):237-243.

［7］任雁铭，操丰梅，唐喜，等.智能电网的通信技术标准化建议［J］.电力系统自动化，2011，35(3):1-4.

［8］黄兰英，张晓途，孙玲.电力线在线监测通信传输平台建设［J］.电力系统通信，2010，31(3):35-38.

［9］刘丽榕，王玉东，肖智宏，等.输电线路在线监测系统通信传输方式研究［J］.电力系统通信，2011，32(4):20-24.

［10］邢毅，曾奕，盛戈皞.基于力学测量的架空输电线路覆冰监测系统［J］.电力系统自动化，2008，32(23):81-85.

［11］邵天晓.架空送电线路的电线力学计算［M］.2版.北京:中国电力出版社，2003:59-99.

［12］阳林，郝艳捧，黎卫国，等.架空输电线路在线监测覆冰力学计算模型［J］.中国电机工程学报，2010，30(19):100-105.

［13］卿太全，梁渊，郭明琼，等.传感器应用电路集萃［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［14］黄继昌，徐巧鱼，张海贵.传感器工作原理及应用实例［M］.北京:人民邮电出版社，1998.

［15］Huang X B，Wei X.A new Online Monitoring Technology of Transmission Line Conductor Icing［C］//2012 IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis，CMD2012:581-585.

［16］马青.高速数据采集信号调理电路的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2009.

［17］李小春.传感器信号调理电路电磁兼容性研究［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2008.

［18］Huang X B，Sun Q D.Accuracy of An Icing Online Monitoring System［C］//2008 Ninth ACIS InternationalConferenceon Software Engineering，Artificial，Intelligence，Networking，and Parallel/Distributed Computing(SNDP 2008).Piscataway:Institute of Electrical and Electronics Engineers Computer Society，2008.