基于应变分析的光纤复合架空地线覆冰荷载监测.pdf

基金项目：南方电网公司科技项目（ - - ） 。 ： （ - - ） 文章编号：- （ ） - - 中图分类号： 文献标志码： ：. . . - . . . 基于应变分析的光纤复合架空地线覆冰荷载监测 张炜，邬蓉蓉，覃炜 （ 广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁 ；广西电网有限责任公司桂林供电局，广西 桂林 ） 摘要：根据光纤复合架空地线（ ，） 的结构构成特征，提出了基于应变 分析监测光纤复合架空地线覆冰荷载的方法。建立了光纤温度、应变与 覆冰厚度的之间关系的理论模型。研 究分析了 的应力、温度与其内部光纤的温度、应变之间的关系；试制了基于布里渊光时域反射仪的覆冰监测 系统，搭建了仿真实验平台，验证了本文覆冰监测理论模型的准确性和适用性。将该方法应用于实际线路，通过对比 其他覆冰监测数据验证了基于应变分析的光纤 覆冰荷载监测方法的可行性和实用性。 关键词：光纤复合架空地线；应力；应变；温度；覆冰 ， ， （ . ，. ， ，； . ，. ， ，） ： （ ） ， - ， - ， - ： （ ） ； 引言 输电线路在持续雨雪凝冻天气下极易覆冰，甚 至导致倒塔、断线及绝缘子闪络等事件 ；因此 有必要实时监测、掌握输电线路的覆冰情况。当前 比较有效的监测方式是通过由微气象、图像、导线 温度 倾角测量和绝缘子串偏斜角测量等监测装置 构成的覆冰监测系统，并辅以人工巡线观冰而监测 线路覆冰变化过程 。然而此类监测方式受制于 测点分布情况，难以全面掌握整条输电线路的覆冰 状况；且供电及无线通信受气象环境影响而难以保 证其实时性 。 分布式光纤传感具有抗电磁干扰性能优良、灵 敏度高、监测范围广等诸多优点。同时由于并网通 信的需要，在部分输电线路上采用光纤复合架空地 线 （ ， ） 替代传统的地线。 内置光纤，兼具 普通地线和通信光缆的功能。当 覆冰后， 其温度和应变将发生变化，进而导致其内部光纤的 温度和应变也发生变化。布里渊光时域反射仪 （ ，- ） 是基于布里渊散射原理的传感器，可用于测量 沿光纤外部的应变和温度分布。这种测量技术已应 用于电力通信 、材料 、土木工程 、结构 监测 等领域。因此可利用 的内置光纤作 为传感单元，采用基于布里渊光时域反射仪的技术 第 卷 第 期南方电网技术. ，. 年 月 万方数据 对 上的覆冰荷载进行监测。关于布里渊频 移与光纤温度和应变的研究工作，许多国内外学者 曾开展相关研究工作 ，但主要针对光纤进行研 究，并未考虑 的结构特征，以及其内部光 纤的散射光信号频移差值在运行中所受分布式拉伸 应变和温度变化共同影响的结果。此外，在实际应 用中还涉及到温度与应变的解耦问题。因此，仍需 研究 内光纤的温度、应变与 本身温 度应变之间的关系，解决覆冰期间 的温度 与应变的解耦问题。 本文将根据 的结构特征，基于布里渊 光散射原理，建立 覆冰监测的理论模型； 研究建立 内部光纤的温度、应变与 光缆本身温度、应变的关系；试制基于 测 量的监测系统，提供 温度应变的测量方法； 搭建仿真测试平台，验证本文覆冰监测理论模型的 准确性和适用性，给出实际现场 温度应变 解耦方法；进行挂网实验以验证本文所提出的覆冰 监测模型的准确性及适用性。 覆冰监测的理论模型 是集传统架空地线和通信功能于一身的 新型架空地线，它由光单元和绞线组成，其典型结 构如图 所示。光单元由钢管、光纤和填充油膏组 成，主要起通信的作用；绞线主要起承力和导电的 作用，其中铝合金线主要起导电作用而铝包钢线和 中心钢线主要起承力作用。 图 结构示意图 . 每芯光纤的温度、应变可影响布里渊散射信号 的频移和强度；反之，也可以通过测量布里渊信号 的频移而得到光纤温度或应变的分布 。而在 的弹性限度内，应变又与应力成正比，其比 值被称为杨氏模量 。因此，监测 覆冰荷载 的核心技术即是首先采集传输光的数据，其次计算 光纤的温度、应变值、应力，最后依次解析推算光 缆的水平应力和 各档距的等值覆冰厚度。 具体实现方式和原理如下。 ） 光纤的拉伸应变、温度和散射光信号频移的 变化关系为 ： （ ） （ ） （ ） 式中： 为散射光信号频移； 为散射光信号初始频 移； 为布里渊频移的温度参数，约为 . . ； 为光纤温度；为光纤初始温度；为 布里渊频移的应变参数，约为 . ； 为光纤应变值； 为光纤初始应变值。 ） 光缆应变与光纤应变的关系为： （ ） （ ） 式中： 为档距编号； 为第 档距 的拉伸应 变分布值； 为第 档 内光纤产生应变的光 缆临界应变； 为 产生的应变与其内部光纤应 变的对应系数，上述物理量需要通过实验进行标定。 由于以上布里渊光散射频移值受 的温 度和应变的共同作用，因此在接下来的工作中涉及 到 温度和应变的解耦工作。 ） 受拉力作用下光纤将随之产生应变， 在温度变化不大（ 例如夜间的某些时段） 或者适当选 取一些特殊位置光缆（ 如杆塔上光缆接线盒附近的 余缆） 作温度参考补偿后，则可以忽略或者 消除布里渊频移信息中的温度影响。因此，在消除 温度影响情况下基于 探测所得光纤的布里 渊频移可描述如下： （ ） （ ） 式中： 为 光缆应变所引起的光纤布里渊 频移； 为 的布里渊频移的应变系数。 ） 计算第 档距光缆的水平应力 ： （ ） 式中： 为光缆的杨氏模量； 为第 档距光缆的 水平应力。 ） 由此可将 探测所得的频移信息对应 的各探测点，进而表征 的应变分布。 然而，鉴于难以在实际运行中得知 光纤受力 前后的应变值，故根据 力学性质及其内部光 纤余长特征，引入 应力应变关系式（ ） ，采 用 所受应力大小表征其布里渊频移信息： （ ） （ ） 式中： 为 布里渊频移的应力系数； 为 光纤各探测点的应力值； 为布里渊频移信息变化 后的光纤起始应力值。 ） 根据应力和张力的关系（ ， 为 缆线的张力， 为缆线的截面积）可知， 第 期张炜，等：基于应变分析的光纤复合架空地线覆冰荷载监测 万方数据 内部光纤布里渊频移大小与 缆线中 各探测点张力的关系可写为以下： （ ） （ ） 式中： 为 布里渊频移的张力系数；为 第 档 的水平张力值； 为 布里渊频 移变化时的起始张力值。 ） 在获取以上布里渊频移值以及 的温 度及应变值后，可通过以下状态方程计算第 档距 的等值覆冰厚度。 （ ） （ ） 式中： 为档距编号；为线路档距； 为 的分布式温度； 为 的初始温度； 为 热膨胀系数； 为档距两端杆塔的高差 角； 为杨氏模量； 为 初始水平应力； 、 分别为输电线路在未覆冰和覆冰条件下的比 载，单位是 ，即单位距离上的应力值，其 表达式如下： （ ） （ ） （ ） 式中： 为第 档距的等值覆冰厚度，其余各参量均 为已知量或线路设计参数； 为重力加速度，为 单位长度的质量； 为 的截面积， 为纯冰的密度，取. ； 为 的直径。 在式（ ） （ ） 中，只有覆冰后的比载 和覆 冰厚度 为未知量。因此可首先通过架空线状态方 程（ 式 ） 求解获得覆冰后的比载 ，再通过覆冰 后的比载与覆冰厚度的关系，求解获得输电线路各 档距的等值覆冰厚度 。 光缆温度应变与光纤温度应变的关系研究 . 光纤温度与光缆温度的关系分析 由于 内部光纤的外部是防腐油膏等保 护材料，其温度可能不等同于 整条光缆的 平均温度 。为确认其对应关系，故须进行对 比验证。首先将光缆连接至分布式光纤温度解调 仪，测量获得光纤频移值，此时光缆内部的光纤为 自由状态，因此其应变为零，可通过公式（ ） 计算 获取光纤温度；同时将高精度温度测量仪贴附在光 缆表面，直接测量光缆温度。两者对比结果如图 所示。 图 全天光纤计算温度与光缆实测温度比对曲线 . 图 白天光纤计算温度与光缆实测温度比对曲线 . 计算光纤温度与实测光缆温度的一致性较好， 尤其是在夜晚时两者的差别极小；而白天时会存在 以内的温差，其原因在于受日照辐射的影 响。因此可将测量光信号换算的光纤温度代替光缆 温度，并用以监测覆冰光缆的等值张力。 . 光纤频移与光缆应变的关系分析 由于光纤置于 内部，无法通过实际手 段直接测量其应变值，因此可通过在恒定温度条件 下试验，忽略光纤温度变化造成的光纤频移变化大 小，而直接由光纤频移表征光纤的应变大小。由于 覆冰后的荷载变化关乎内部光纤应变，故通 过拉力机逐步增加 张力而模拟覆冰荷载， 并反映光纤应变情况。光缆拉力与内部光纤频移的 关系测试结果如图 所示。 由图 可见，当光缆所受到的拉力大于 的额定拉断力（ ，） 时， 光缆所受应力与内部光纤的布里渊频移之间的关系 线性度明显。而受光缆结构设计时的光纤余长或应 变余度影响，在小于 时的光纤受力及其 应变值关系识别度不明显 ，但在分析放大后的 曲线后（ 如图 所示） 证实其依然具有一定的递增趋 南方电网技术第 卷 万方数据 图 光缆拉力与内部光纤频移的关系 图 光缆拉力小于 时与内部光纤频移关系 . 势，仅是变化程度小。由此可确定光缆所受拉力与 内部光纤的布里渊频移在不同的张力区间亦具有相 关性，可以采用布里渊频移监测值换算光缆覆冰的 等值张力。 以上研究内容确立了光纤温度与 温度 之间的关系，以及光纤应变（ 光纤频移） 与光缆应变 之间的关系。 温度和应变的测量方法 光在光纤中传播的反方向会产生散射光，其背 向散射光中包括布里渊散射光谱，而布里渊散射频 移与光纤的温度、应变形成近似的线性关系 。 因此监测 覆冰荷载的总体思路和步骤如下： ） 采集其内部光纤中的光参量信号； ） 基于布里渊光时域反射技术检测布里渊散射 光的强度和布里渊散射频移； ） 确定沿传感光纤上的温度和应变分布； ） 计算 光缆上的温度和应变分布； ） 计算覆冰荷载的大小。 具体方法分以下两部分： ） 由激光器向 内部光纤发射光脉冲信 号，并采集散射返回信号； ） 对采集到的信号进行处理分析。 采用光外差检测的方式采集光信号，以消除由 光源频率漂移造成的影响 ，从而提高温度和应 变的测量精度及动态范围。 为实现 内部光纤的温度和应变监测， 进而对 进行分布式覆冰监测，试制了如 图所示的监测系统 。系统采用窄带激光器作为 两路光源，一路光被调制成脉冲光，放大后沿传感 光纤传输，产生后向的自发布里渊散射光；另一路 为参考光，和布里渊散射光相干检测，再通过滤 波、放大、 转换、采集、累加处理后，被送到 计算机进行分析，得到温度 应变传感信息。 图 基于光外差检测法的监测系统 温度应变解耦方法及仿真测试 以上研究确定了输电线路 光缆温度与 光纤温度的关系以及光纤布里渊频移（ 光纤应变） 与 应变的关系，但是以上研究均在理想条件下 进行，而实际线路上气候条件较复杂，监测的光纤 布里渊频移同时受温度和应变的共同影响，因此需 要寻找合适的方法进行 温度与应变的解耦。 为验证 解耦的方法以及以上理论模型的适 用性和准确性，进行了以下两个实验。 为消除温度对光纤布里渊频移的影响，在恒定 温度条件下搭建如图 所示的应变实验平台，通过 此实验获取 内光纤布里渊频移的应变系 数 ，并与已有的理论值进行比较分析，验证本 文理论模型中采用的布里渊频移光纤应变系数的准 确性。 搭建实际线路实验平台，基于以上 内 第 期张炜，等：基于应变分析的光纤复合架空地线覆冰荷载监测 万方数据 部光纤布里渊频移与 张力的研究模型，计 算获取 的实时张力值，并与实际张力值进 行比较研究，验证 温度应变解耦的有效性 及以上覆冰监测理论模型的准确性和适用性。 图 应变实验平台 应变实验平台搭建以及实验步骤如下： ） 如图 所示，将长度为 的裸光纤以“ ” 形的方式缠绕在应变实验平台的滑轮 和滑轮 上， 此段裸光纤的起始端通过 光纤跳线连接至 仪器，此段裸光纤尾端与一盘长光纤串接。 ） 被研究“ ” 形布置段光纤两端采用应变仪的 夹具固定在水平基座上；螺旋测微仪可以微调两个 滑轮之间的距离，进而控制被测裸光纤所产生的应 力 应变大小。 ） 调节螺旋测微仪读数，并记录 测量 光纤的频移值变化。完成一次实验后，再重复一次