基于光纤光栅应变传感器的架空输电线弧垂实时监测

李路明，孟小波，张治国，孙欣，陈雪，张民

(1．江西省电力公司信息通信中心，南昌市，330029;2．信息光子学与光通信教育部重点实验室(北京邮电大学)，北京市，100876)

0 引言

高压架空线路的弧垂是线路设计和运行的主要指标，关系到线路的运行安全。由于线路运行负荷的变化，以及大气温度、风、导线覆冰等周围环境的变化，都会造成线路弧垂的变化，而过大的弧垂不但会带来安全事故的隐患，也限制了线路的输送能力，尤其是在交叉跨越和人口密集地区［1-2］。因此，对高压架空线路弧垂的实时监测就显得尤为重要。

近些年来，一些新建电力线路普遍架设了光纤复合相线(optical phase conductor，OPPC)、光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)等光缆，由于其具有传输光信号的光纤通道，因此在线路上安装光纤传感器就显得异常便捷了，并且光纤传感器能够探测线路的温度、应变、加速度等指标，因此光纤传感器在电力线路的安全监测过程中有应用基础和优势。

目前，输电线路弧垂的监测方法可分为:(1)利用经纬仪进行实地测量，如角度法［3］、高度法、样板法［4］以及选定测站点进行几何分析法［5］等;(2)将一些成熟的有源产品安装在线缆上，进行实时监测［6-7］。前一种方法耗费人力，并且无法进行实时监测;后一种方法虽然提供了比较精确的实时监测功能，但是有源器件在高压线路上工作要考虑诸如电磁感应等因素的影响，并且成本很高，因此也难以成为大规模使用的有效方案。由于基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)FBG传感器为无源设备，有着很好的抗电磁干扰的特性［8］，并且价格相对低廉，本文提出了利用FBG应变传感器进行在线实时弧垂监测的方案。

1 架空输电线路弧垂计算

工程上，常忽略架空输电线路的刚度而视其为柔索，这样就可用悬链线或抛物线方程来进行线路弧垂计算［9］。悬链法假定架空线单位荷载沿其线长均匀分布，计算过程复杂，计算精度高;抛物线法虽精度略差，但计算较简单，误差在工程允许范围内［10］。因而，本文采用抛物线法分析架空输电线路。

1．1 架空输电线路2悬挂点等高

当相邻2高压杆塔的高度相等，即架空输电线路2悬挂点等高时，线路弧垂如图1所示。图中:A、B分别代表相邻的杆塔;l是杆塔间档距;f为线路弧垂。FBG传感器安装在其中1个悬挂点的附近。

在安装FBG传感器时，测得线路的初始弧垂f0，则初始下的档间线路长度为

安装于悬挂点附近的FBG应变传感器可以实时监测到架空线的应变量，根据光纤应变与Bragg波长的对应关系［11］，得到档间线路的长度为

式中e为光纤光栅的应变。

由式(1)(2)得到实时的架空线的弧垂值为

1．2 架空输电线路2悬挂点不等高

当相邻2高压杆塔的高度不相等时，高压架空输电线路的弧垂如图2所示。图中:S点为AB平行线与架空线的切点;S点到AB的垂直距离即为此时架空线的弧垂f;h为架空线两悬挂点的高度差;φ表示B点对A点的高差角。

图2 2悬挂点不等高时的架空线弧垂Fig.2 Sags of overhead transmission line with non-isoheight suspension center

初始状态的架空输电线路长度为

根据传感器测得的应变量，通过式(2)可计算出实时的架空线长度

根据式(4)(5)可得到实时监测悬挂点不等高时的线路弧垂

2 仿真试验

仿真研究和试验研究采用OPGW－2S1/24B1(64/46－93.4)型光缆，其直径为14 mm，单位长度质量为497 kg/km，承载截面积为110.3 mm2，标称抗张强度为78.8 kN，杨氏模量为105.4 kN/mm2，热膨胀系数为166.6 ×10－6℃－1。

2．1 仿真结果

若2杆塔等高，档距l=500 m，初始弧垂为f0=10 m。根据文献［9］给出的弧垂与架空线轴向应力的关系，计算得出悬挂点轴向力约为电力线标称抗张强度的20%，这符合架空电力线每日应力的范围，因此10 m的初始弧垂在合理范围内。仿真计算得出，线路的初始长度为500.533 m，实时弧垂与应变值间的关系如图3所示。

图3 2悬挂点等高时测量应变值与线路弧垂的关系Fig.3 Relationship between strain and sag of transmission line under the condition of isoheight suspension center

由图3可看出，当FBG传感器测得的应变值为－500～2 000 με时，仿真得到的弧垂变化约为10 m。而FBG应变传感器的测量上限一般为3 000 με，在2杆塔等高时，本文提出的方案可以实时监控10 m以上的弧垂变化。

假定2杆塔的高度差为100 m，则高差角φ为0.197 4。档距500 m，初始弧垂10 m，仿真得到弧垂与应变值之间的关系如图4所示。

图4 2悬挂点不等高时测量应变值与线路弧垂的关系Fig.4 Relationship between strain and sag of transmission line under the condition of non-isoheight suspension center

由图3、4可看出，当2杆塔不等高时测得的应变值与架空线弧垂之间的关系，与2杆塔等高情况下差别不大，本文提出的实时监测弧垂的方案，能够监测10 m以上的弧垂变化。

2．2 试验结果

整体实验环境如图5所示，图中电力线两端连接着拉伸机，可对线缆进行拉伸操作。图5的右上角显示的是应变传感器固定在OPGW上的方法，为了验证这种方法是否能够与线缆的伸缩同步，即能够牢固地固定于线缆之上，利用两端的拉伸机对线缆进行反复多次地拉伸操作，FBG应变传感器获得的应变曲线如图6所示，可以看出这种安装方法的牢固度很好，传感器能够实时反映线缆的长度变化情况。

图5 实验测试环境及FBG应变传感器的安装方案Fig.5 Experiment setting and installation of FBG strain sensor

图6 对测试线缆反复拉伸时监测应变值的变化情况Fig.6 Variation of monitoring strain for repeated extension of test lines

应变传感器的测量精度直接影响着弧垂的计算精度，观察传感器自身的波动范围，发现其自身的应变波动范围约为4 με，如图7所示，也就是说这种应变传感器的测量精度约为4 με。根据仿真结果，2 500 με对应10 m左右的弧垂变化，由此可推断出，利用FBG应变传感器进行弧垂实时监测的理论精度为16 mm。

图7 不受任何因素影响时FBG应变传感器的自身波动情况Fig.7 Fluctuation of FBG strain sensor without any external influence

3 结语

本文提出的利用FBG应变传感器进行架空线弧垂的实时监测方案，是基于现阶段高压电网大规模使用OPPC和OPGW的基础上的，在弧垂的监测范围上可以达到10 m以上，并在理论上能够提供16 mm的弧垂测量精度。由于本方案的成本相对于有源监测设备要低，并且安装方便，能够提供实时监测，因此所提方案对实现输电线路弧垂实时监测具有较高实用价值。

［1］汤城存．500 kV惠汕线导线弧垂的检查［J］．广东输电与变电技术，2005(2):59-61．

［2］郝兰荣，王国龙，谭磊．浅析送电线路大负荷运行与导线弧垂的关系［J］．高电压技术，2006，32(1):107-109．

［3］窦小晶，瑚跃进，陈贵锋，等．大档距架空线弧垂测量及其误差分析［J］．供用电，2009，26(4):15-17．

［4］贺元辉，寇彦江．高压送电线路弧垂测量的几种方法［J］．新疆电力，2006(2):41-43．

［5］傅太生，谢运山．高压电缆最低弧垂点的测量方法［J］．测绘技术装备，2006，8(2):35．

［6］徐青松，季洪献，王孟龙．输电线路弧垂的实时监测［J］．高电压技术，2007，33(7):206-209．

［7］陈绍鑫，吴培胜，孙云涛，等．输电线路温度和弧垂在线监测装置应用研究［J］．华北电力技术，2008(3):14-15．

［8］ Kersey A D，Davis M A，Patrick H J，et al．Fiber grating sensors［J］．Journal of Lightwave Technology，1997，15:1442-1463．

［9］王彤．探析非承力导线弧垂的计算及承力钢绞线的选用［J］．科技促进发展，2009(11):201-202．

［10］李博之．高压架空输电线路施工技术手册［M］．中国电力出版社，1997:1-11．