FBG传感器监测气候条件对电力铁塔横担应变的影响*

刘 江， 闫思安， 李 川， 赵振刚， 谢 涛， 李英娜

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明650051)

FBG传感器监测气候条件对电力铁塔横担应变的影响*

刘 江， 闫思安， 李 川， 赵振刚， 谢 涛， 李英娜

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明650051)

在电力塔架横担长期运营过程中，绝缘横担的应力变化复杂。对横担应力的实时监测是保证塔架横担长期安全稳定的一个重要因素。提出一种可以把横担主材所受应力变化转换成光纤Bragg光栅(FBG)波长移位量的FBG应变传感器应用于变电站的电力塔架上。根据盐津变电站的气候特点，在塔架上下桁架主材表面中心处安装4只应变传感器。针对2011年2月份的气候条件，应变监测范围为-58.05×10-6～-242.52×10-6；同时在监测过程中2011年1月12日上午10点出现降雪、降雨天气，应变监测范围为-93.71×10-6～-3.46×10-6，并在10点4只应变传感器同时出现波动变化。实验表明正常情况下，电缆风舞、降雪、降雨等气候条件主要引起了电力铁塔中横担的形变。

横担； 应力； 光纤Bragg光栅； 气候条件； 形变

0 引 言

横担是电力铁塔、电线杆等的顶部横向固定的角铁，常用钢结构做成平面桁架式，用穿钉固定在主塔、主杆上，加上柔性吊杆以减轻横担在导线挂线处承受的荷载[1]。由于降雪、降水、风舞等自然灾害的不利因素，横担的应力会加大，可能会造成横担的主材或斜材发生受压扭曲破坏，导致整个横担被破坏，横担杆件发生拉、压破坏，导致横担折断，造成横担破坏，脱落等现象[2～4]。因此，在电力铁塔的使用过程中，需要对电力铁塔横担的应力进行实时监测。传统检测手段主要是视频监控和人员巡视，利用多种电类传感器但存在易受电磁干扰、存储信息容量不大、测量效率不高等缺点。Ogawa Y等人将光纤光栅贴在金属板上，金属板固定在电缆上，通过此种方式来监测电缆的荷载变化,没有直接与横担的应力相结合，反映横担的应力实时变化状况[5,6]。此类方法都无法满足当前国家对电路输电线路故障综合检测的迫切需求。因此,对电力铁塔横担应力的在线安全监测具有重大意义。

本文将在电力铁塔横担2根上平面桁架主材的上表面中心处和2根下平面桁架主材的下表面中心处安装4只FBG应变传感器，实时在线监测电力铁塔横担所受的应力的变化,并与当地气候条件的关联性进行综合分析。

1 FBG应变传感器结构设计与工作原理

FBG的两端分别固定于调节管内，两调节管又通过螺纹分别固定在两减敏管的一端，各减敏管的另一端通过螺纹分别固定于紧固管一端，两紧固管之间通过螺纹连接一应变管，两紧固管的下端设置固定支点[7]。应变传感器的原理参见图1。外加荷载通过挂钩将力传给外管，外管通过螺纹将力传给内管，内管带动光栅，发生波长移位。通过测量波长移位量，再加以合适的数学模型换算便可得到应变。

图1 应变传感器的原理图和安装图Fig 1 Principle and installation diagram of strain sensor

FBG应变响应指的是当FBG受到压缩或拉伸时，引起了Bragg波长移位，通过光纤光栅解调仪检测波长移位量就可以计算出与Bragg波长所对应的应变量[8～11]。

2 应变响应试验测试分析

测试本文所研制的FBG应变传感器的基本性能，该系统主要由宽带ASE光源、3 dB耦合器、光纤解调仪、应变FBG传感器、载荷组成。试验前，将应变FBG传感器检测系统各部分连接好。传感器的一端固定在支架上，另一端通过铁丝与砝码挂接，传感器与光纤解调仪连接，参见图2。

在实验正式开始之前，必须进行预载试验，主要是因为弹性元件要经过若干次载荷重复加卸循环后，变形关系才趋于稳定。加载从0 kg开始，依次增加重量，每次增加5 kg，直到50 kg；然后再开始卸载，依次减少重量，每次减少5 kg，每增加或减少5 kg砝码就记录一次FBG中心波长值，根据所记录的试验数据计算传感器的各种静态特征。

图2 FBG应变传感器检测系统原理框图Fig 2 Principle block diagram of FBG strain sensor detecting system

图3给出了4次实验数据的波长移位量与应变之间的关系，计算表明重复性误差为3.37 %FS。

图3 波长移位量的算术平均值与加、卸载的关系Fig 3 Relationship between arithmetic mean value of wavelength shift amount and loading and unloading

测试结果表明:4次应变测试实验中，FBG的波长移位量和应变之间呈线性关系，灵敏度为0.685 pm/10-6。应变测试试验从0～50 kg间的波长变化量为0.089 nm，通过最小二乘法拟合后的最大偏差值为0.003 nm。由非线性误差的计算公式可知，本文研制的传感器温度测试试验中的非线性误差为3.37 %FS，可满足电力铁塔横担应变精确测量的要求(图4)。

图4 应变测试试验误差棒图Fig 4 Bar graphs of strain test experimental error

3 盐津变电站应变传感器在电力铁塔横担的监测数据分析

运行电压为75 V和100 V的恒定负载试验。监测安装传感器的电力铁塔横担选择位于变电站外墙下游山坡上电力铁塔上的鸭嘴式横担。为了分析气候条件对横担应变的影响，结合监测地点的气候特点，12,1月有降雪天气，2,3月有大风，6,7月份有降雨的影响，温度也基本处于20 ℃左右，温度对应变监测结果的影响可以忽略，结合监测数据和气候条件分析参见图5和图6。

图5 2011年2月份应变日平均变化值Fig 5 Average daily change in value of strain on February,2011

图5表明:电力铁塔的横担日平均应变在长期监测中的变化范围为-58.05×10-6～-242.52×10-6，结合风向的变化范围，风舞对电力铁塔横担应力日平均变化影响较大，特别是2#横担，在2月19号出现较大应变变化，达到-242.52×10-6。

同时图5表明:电缆风舞主要引起了电力铁塔中横担的形变，应变传感器有效地检测到了绝缘横担的应变变化，实现了应变的长期在线监测。通过对绝缘横担的应变的长期监测，应变变化正常波动，无异常突变情况。

图6表明：在2011年1月12号上午10点，由于降雪、降雨的缘故，安装在绝缘横担的4只FBG应变传感器监测到的数据都有一定范围的波动，波动范围40×10-6～50×10-6。

图6 2011年1月12日每小时应变平均变化值Fig 6 Average strain changes in the value hourly on January 12,2011

同时图5、图6表明:气候条件是影响电力铁塔绝缘横担安全运行的主要因素之一。

4 结 论

本文研制的传感器通过电力铁塔横担主材所受应力变化转换成FBG波长移位量，实现了对电力铁塔横担应力的实时在线监测。应变响应试验表明：该传感器的非线性误差为3.37 %FS，灵敏度为0.685 pm/10-6。通过对盐津变电站电力铁塔横担4只FBG应变传感器的在线实时监测，监测数据表明：电力铁塔的横担日平均应变在长期监测中的变化范围为-58.05×10-6～-242.52×10-6。最大应变达到了-242.52×10-6。在2011年1月12号上午10点出现降雪天气，安装在绝缘横担的4只FBG应变传感器监测到的数据都有一定范围的波动，变化范围为40×10-6～50×10-6。结合监测数据表明，风舞、降雪、降水等各种气候条件是影响电力铁塔横担安全运行的主要因素之一。

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Effect of climate conditions monitored by FBG sensors on electricity tower cross arm strain*

LIU Jiang， YAN Si-an， LI Chuan， ZHAO Zhen-gang， XIE Tao， LI Ying-na

(School of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650051,China)

During process of electric power tower cross arm long-term operation,the stress of insulation cross arm change complex.Real-time monitoring on cross arm stress is an important factor that ensure long-term security and stability of tower cross arm.Put forward a kind of fiber Bragg grating(FBG)strain sensor which can transform stress variation beared by cross arm into wavelength shift of FBG,and applied in substation of power tower.According to the climatic feature of Yan Jin transformer substation,install four strain sensors in the center of the tower truss material up and down surface.Aiming at the climatic conditions on February,2011,strain monitoring range is -58.05 ×10-6～ -242.52×10-6; snow,rain weather occur at 10 o’clock，on January 12,2011,the strain monitoring range is -93.71×10-6～-3.46×10-6and four strain sensors simultaneously fluctuations at the same time.The experiment indicates that in normal circumstances,cable dance,snow,rain and other weather conditions are the important factors which cause cross arm deformation of tower.

cross arm; stress; fiber Bragg grating(FBG); climatic conditions; deformation

2013—09—06

云南省自然科学基金资助项目(2007F181M)； 昆明理工大学人才培养基金资助项目(KKSY201303044)； 云南省应用基础研究计划资助项目(2013FZ021)

TM 754

A

1000—9787(2014)04—0062—03

刘 江(1988-)，男，陕西安塞人，硕士研究生，主要从事光纤传感技术研究。