FBG输电线路覆冰监测拉力传感器

蒋 建，沈 坚，韩宏量

(杭州市电力局，浙江 杭州 310009)

1 引言

输电线路覆冰一直是世界性电力企业关注的重要问题之一。1998年1月，美国东北部和加拿大东南部遭受史无前例的暴冰事故，冻雨持续6天，降水量惊人，Hydro-Quebec的电力网络超过3000km受到冰灾的影响，共1000座高压输电杆塔、30000座配电杆塔倒塌，4000台变压器需要修复，美国20条主干路、13000座电线杆、1000台高压设备和5000台变压器受损，共造成470万加拿大人和50万美国人受到停电影响，40万居民停电超过两星期，给美国、加拿大造成的经济损失共约35亿美元。德国2005年11月的冰雪灾害造成超过70条输电线路倒塌，20万人受停电影响。此外，俄罗斯、法国、冰岛和日本等都曾发生严重的覆冰事故［1－4］。

我国幅员辽阔，110kV以上电压等级输电线路总长度超过60万千米，受大气候和微地形、微气象条件的影响，输电线路覆冰灾害频发。2008年初，我国南方大部分地区的十几个省遭遇了百年不遇的持续低温雨雪灾害，持续时间长达23天，从配电网到500kV主骨干输电线路都遭到了大规模的破坏，贵州500kV电网基本瘫痪，华中、华东电网几十条500kV线路倒塔、倒杆、解列和停运，最大电力缺口接近4000万kW。全国范围内有3万多条10kV及以上电力线路、2千多座35kV及以上变电站停运，10kV及以上杆塔倒塌及损坏30多万基，其中110～500kV电压等级的共8千多基，导致3330多万户、约1.1亿人停电。此次雪灾造成国家电网公司直接财产损失达104.5亿元，灾后电网恢复重建和改造需要投入资金390亿元［5］。

输电线路覆冰在线监测可以为工作人员提供线路详实准确的覆冰情况，极大地降低运行维护人员的工作强度，并达到覆冰观测的实时性和有效性，便于及时采取措施，降低损失。

光纤光栅具有抗电磁干扰能力强，测量范围广，绝缘性能好，使用寿命长，对波长进行编码，光源强度的波动、损耗等不会影响测量结果等优点，在通信和传感领域有着极其广泛的应用。鉴于光纤光栅的诸多优点，将光纤光栅应用到输电线路中，研制新型的基于FBG的输电线路覆冰监测传感器，对恶劣冰雪天气下的输电线路覆冰监测具有重要意义。

2 国内外研究现状

2.1 输电线路覆冰在线监测研究现状

从覆冰监测的原理上分，现有的直接监测输电线路覆冰状况的方法主要有:视频监测法、称重法、弧垂法等等。

视频监测法是最直观、最易于实现，也是目前国内输电线路覆冰在线监测的主要方法之一［6］。通过远程视频监测法，运行人员可以实时地观察和记录覆冰的形成和发展过程，及时了解覆冰的严重程度，并采取正确的处理措施。然而，利用视频监测法也有其不足之处，如摄像头只能观测近处的覆冰状况，采集信息量有限，在积雪较厚的气候条件下，摄像头有可能被冰雪覆盖，致使整个监测系统瘫痪，并且视频装置电源稳定问题难以解决等等［7］。

弧垂法是通过监测输电线路弧垂变化，结合线路弧垂与覆冰厚度的关系曲线，监测导线的覆冰情况的方法。得到弧垂的方法有很多，包括:导线张力法、悬挂点倾角法、导线温度法、远程视频法等等［8，9］。输电线路弧垂实时监测在国外已研究多年，国内近年来也有研究，并已开发有不少商业化应用的产品，如美国The Valley Group Inc.公司生产的CAT－1导线应力传感器、美国USI公司生产的Power-Donut 2和杭州海康雷鸟公司生产的MT系列温度－倾角测量球等等。

称重法是国内外覆冰监测的另一种重要方法。国内西安金源电气有限公司在这方面做过较为深入的研究。在悬式绝缘子串和输电线路杆塔横臂间采用应变片式拉力传感器和倾角传感器连接，当输电线路发生覆冰时，导线载荷增加，通过监测悬挂点的拉力、偏移角度，结合导线的物理参数(线长、比载、分裂数、膨胀系数等)、两侧杆塔的海拔、档距等参数的综合分析，可以计算出导线的等值覆冰厚度［10］。

为了使输电线路覆冰监测更加准确，以上各种监测方法在实际应用中需要结合线路微气象监测传感器，如风速风向传感器、温湿度传感器等，一起进行监测，而且往往利用各种方法进行联合监测，如杭州海康雷鸟信息技术有限公司提出的采用小型气象站、线路视频监测装置、导线温度－倾角测量装置和绝缘子串偏斜角测量装置，以及主站和监测软件组成的线路覆冰实时综合监测系统，从多方面各个覆冰时期对输电线路覆冰采取实时监测。

除了以上一些直接监测导线覆冰的方法外，国内外还有许多间接测量方法:具体的如魁北克使用无源覆冰监测仪(PIM)，利用金属柱模拟导地线，金属板模拟结构部件来测量径向等效冰层厚度、形状和物理特性等［11］;挪威的利用钢管架记录覆冰量，再转换成实际的输电线路的等效覆冰厚度［12－16］等等。

2.2 光纤光栅输电线路状态监测研究现状

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，其实质是利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性在纤芯内形成一个窄带的透射或反射滤光器或反射镜［17，18］。作为均匀光纤光栅中的一种，光纤布拉格光栅(FBG)发展最早。由于光纤布拉格光栅的周期较小，反射滤波效果好，长度短、插入损耗小等优点，使得光纤布拉格光栅的应用最广泛。光纤布拉格光栅最基本和最直接的传感应用是对温度和应变的测量，通过适当的间接转换，目前光纤布拉格光栅可以监测的物理量可延伸至压力、压强、倾角、位移、加速度、电压、电流、磁场、振动等等多个方面，涉及到航空航天、土木工程、石化工业、电力工业、核工业、医学等多个领域。

将光纤光栅应用于输电线路状态监测，国内外的研究较少。其中，导线摆动方面，巴西的M.M.Nogueira等人利用FBG设计了二维的加速度传感器［19］，经过组合和封装将其固定在导线表面，用以对导线摆动进行实时长距离的监测，实验结果显示在加速度达15倍重力加速度，频率达150Hz的范围内该加速度传感器能保持良好的线性度和响应;挪威的Leif Bjerkan也利用FBG对风引起的高压架空线振动进行了研究［20］，试验中利用环氧树脂胶水将FBG直接粘到导线上，利用一根不受力的FBG作为温度补偿光栅，通过快速傅里叶变换对试验结果进行分析，试验运行了运行18个月，测量结果与观察记录相符。印度的Tarun K.Gangopadhyay等人利用FBG传感器对导线温度进行实时监测［21］，以提高导线的输送能力。测温FBG封装在椭圆形铝壳中，传感器整体通过椭圆形铝壳固定在导线表面。整个传感器安装在400KV的导线表面，经过两年的现场试验，试验效果较理想。

综上所述，结合FBG的优良特性，可将FBG引入到可输电线路状态检测中，研制新型的基于FBG的拉力传感器测量输电线路覆冰状况。

2 覆冰监测力学原理分析

在直线塔处，利用称重法对输电线路覆冰进行称重，能够得到导线的覆冰状况，但是不能得到导线张力、弧垂等重要信息;而耐张塔承受较大张力，能够反映整个耐张段内的线路状态，在耐张塔处安装拉力传感器，结合倾角传感器、风速风向传感器，可监测线路覆冰、导线轴向张力、弧垂等多项信息［22］，为输电线路状态监测提供多方面的数据参数，从而为防、融冰提供更加全面的信息。

为了在耐张塔处进行输电线路覆冰监测，本文设计了基于FBG的拉力传感器。

对耐张段进行受力分析，覆冰、有横向风载荷时，导线的风偏受力示意图如图1所示，因架空线路两悬挂点间的距离很大，将导线视为柔索。导线覆冰监测除需要拉力传感器，还需借助倾角传感器及风速风向传感器。

图1 考虑横向风载荷时导线受力示意图

设A为耐张塔，只要测得A处的导线轴向张力、导线风偏角η和垂直平面内导线偏离水平的角度θVA，结合风速风向传感器即可计算出覆冰的厚度、弧垂等重要信息［22］。为不增加线路的长度，设计制作的拉力传感器替代实际线路中的连接金具。

将拉力和倾角传感器安装在A点，可以测得导线的综合轴向应力σ'A，风偏角η及导线偏离水平角度θVA。

导线的轴向应力σ'A与导线的综合比载γ'有如下关系［23］:

式中:σ'A为导线A点的轴向应力;σ0为垂直投影面内导线的水平应力;β为导线高差角;γ'为考虑冰、风载荷时导线的综合比载;l为A、B间的档距;η为导线风偏角。

垂直平面内的导线偏离水平角度θVA与导线垂直平面内综合比载rV有如下关系:

式中:rV为导线垂直平面内综合比载，rV=r'cosη。

联列公式(1)、(2)可求得导线的综合比载γ'。综合比载γ'由导线的自重比载、导线冰比载及风比载三部分构成，结合风速风向传感器，通过适当的公式计算即可得到导线的覆冰厚度。

风偏平面内，导线任意处的弧垂可由公式(3)计算得到:

式中:f'x为导线任意处的弧垂;x为垂直投影面内，导线任意点距A点的距离。

4 FBG测量原理

在宽带光的传输过程中，光纤布拉格光栅相当于一个反射型的光学滤波器，通过外界参量对Bragg中心波长的调制来获取外界信息量，是一种波长调制型光纤传感器。图2为FBG的结构及工作原理示意图。

图2 FBG的结构及工作原理示意图

由麦克斯韦经典方程结合光纤耦合模理论可知，当宽带光在FBG中传输时，中心波长满足公式(4)的光将被反射回:

式中:λB为反射波中心波长;neff为纤芯的有效折射率;Λ为光栅周期。

由公式(4)可见，FBG反射波的中心波长λB取决于纤芯的有效折射率neff和光栅的周期Λ，任何能使这两个参量发生变化的物理量都会导致FBG反射波中心波长的变化，通过测量反射波的中心波长偏移可达到测量外界物理量的目的。能够引起这两个参量变化最直接的物理量是应变和温度。外界应变和温度的变化可分别通过弹光效应和热光效应影响光纤布拉格光栅纤芯的有效折射率，通过长度改变和热膨胀效应影响光栅周期。光纤布拉格光栅传感器的主要工作原理是借助于外界装置将被测参量的变化转换为温度或应变的变化，从而使得FBG反射波中心波长发生变化，达到监测外界物理量的目的。

根据国内外学者对光纤布拉格光栅多年的研究可得，光纤光栅中心波长偏移量分别与轴向应变和温度呈良好的线性关系。应变和温度综合作用下，光纤布拉格光栅的中心波长的偏移量如公式(5)所示。综合考虑弹光和波导效应，光纤光栅对横向应力的灵敏度较轴向小得多，因此在复杂应力下，通常只考虑光纤轴向应力的引起的波长变化［24］。

式中:λB为中心波长;αf为光纤材料的热膨胀系数;ξ为光纤的热光系数;pe为光纤的有效弹光系数;ΔT为温度变化量;Δε为应变变化量。

令 KT=(αf+ξ)λB，Kε=(1 － pe)λB，KT、Kε分别为光纤光栅温度和轴向应变对中心波长的变化敏感系数，则可将公式(5)进行简写，可得公式(6):

对于反射波中心波长为1550nm的石英光纤光栅，典型的波长－温度的灵敏度系数为13pm/℃，波长－应变的灵敏系数为1.15pm/με。实际应用中，FBG传感器由于进行了不同的封装、增减敏等措施，各自的灵敏度系数会发生相应的变化，因此不同的光纤光栅在实际测量前需进行标定。

由以上分析可得，光纤光栅在实际应用中，往往同时受温度和应变的影响，一般的检测系统很难分别识别出波长变化中温度和应变各自的影响，即存在温度应变的交叉敏感现象。为了能够精确测量外界物理量，需要采用其他方法对温度、应变的影响进行分离。

5 FBG温度－应变交叉敏感解决办法

对光纤布拉格光栅温度应变对波长的综合影响进行分离，是实用中必须解决的问题。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、机械补偿法等。在同一温度场中，当传感器弹性体受力后同时分别产生拉压应变时可采用机械补偿法，不要求额外的温度检测即可达到应变、温度的测量目的。适合采用此方法的传感器弹性体有等强度梁、剪切式传感器［25］等。

本文中拉力传感器采用S型剪切式形式，符合机械补偿法的应用条件，故采用机械补偿法解决温度－应变的交叉敏感性，降低成本。

为方便分析，以等强度梁为例进行受力分析，两根光纤光栅分别粘贴于等强度梁正反两表面，如图3所示。

图3 等强度梁机械补偿示意图

等强度梁上下两表面的应变大小相等符号相反，图3中，上表面受拉应变ε，下表面受压缩应变－ε，两只FBG处于同一温度场中根据公式(6)可得:

式(7)、(8)中 ΔT、Δε 相等，KT1、2、Kε1、2分别为上下两FBG对温度和应变的灵敏度系数。若两根光纤的温度、应变系数完全相同，即 KT1=KT2=KT，Kε1=Kε2=Kε，则FBG的温度、应变变化可由公式(9)计算所得:

由公式(9)可得，由于上表面受拉应变ε，下表面受压缩应变－ε，传感器的灵敏度提高一倍。实际中由于封装粘贴等原因，两根光纤的温度、应变系数不会完全相同，存在微小的差异，需要进行一定的校正，设KT1= αKT2，Kε1= βKε2，所有系数均为常数，则式(9)可写为:

联列式(8)、(10)可得到FBG处的温度和应变大小如公式(11)所示:

剪切式传感器温度应变交叉敏感现象的计算与此类似。

6 S型剪切式传感器设计

S型传感器是基于剪切力工作的传感器，剪切力本身是不能测量的，但剪切力能产生与中性轴呈45°方向的互相垂直的两个大小相等、拉压成双的主应力。拉压主应力在腹板处将分别产生拉伸和压缩应变，与等强度梁类似，在平面应力状态下，可以通过测量主应力产生的拉伸、压缩应变达到测力的目的［26］。

设计的传感器结构图如图4所示，在传感器腹板凹槽内，分别成±45°粘贴FBG贴片。传感器受力后，FBG贴片分别承受拉伸应变和压缩应变，通过实验标定，即可通过应变大小测得拉力大小，为覆冰监测提供必要参数。

图4 传感器外形图

6 结论与展望

鉴于FBG相对于传统传感器的诸多优点，本文对耐张塔处监测输电线路覆冰的原理进行分析后，采用机械补偿法消除FBG温度－应变交叉敏感，设计了基于FBG的输电线路覆冰监测拉力传感器。

为了进一步的验证设计传感器的各项性能如:机械补偿性能、传感器静态性能(线性度、灵敏度、精度等)及实际测量效果，需要对所研制的FBG拉力传感器进行性能标定及覆冰实验。此外，需研制FBG倾角传感器、风速风向传感器，配合FBG拉力传感器进行覆冰监测。

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