基于光纖光柵應變傳感器的架空輸電線弧垂實時監測

李路明，孟小波，張治國，孫欣，陳雪，張民

(1．江西省電力公司信息通信中心，南昌市，330029;2．信息光子學與光通信教育部重點實驗室(北京郵電大學)，北京市，100876)

0 引言

高壓架空線路的弧垂是線路設計和運行的主要指標，關系到線路的運行安全。由于線路運行負荷的變化，以及大氣溫度、風、導線覆冰等周圍環境的變化，都會造成線路弧垂的變化，而過大的弧垂不但會帶來安全事故的隱患，也限制了線路的輸送能力，尤其是在交叉跨越和人口密集地區［1-2］。因此，對高壓架空線路弧垂的實時監測就顯得尤為重要。

近些年來，一些新建電力線路普遍架設了光纖復合相線(optical phase conductor，OPPC)、光纖復合架空地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)等光纜，由于其具有傳輸光信號的光纖通道，因此在線路上安裝光纖傳感器就顯得異常便捷了，并且光纖傳感器能夠探測線路的溫度、應變、加速度等指標，因此光纖傳感器在電力線路的安全監測過程中有應用基礎和優勢。

目前，輸電線路弧垂的監測方法可分為:(1)利用經緯儀進行實地測量，如角度法［3］、高度法、樣板法［4］以及選定測站點進行幾何分析法［5］等;(2)將一些成熟的有源產品安裝在線纜上，進行實時監測［6-7］。前一種方法耗費人力，并且無法進行實時監測;后一種方法雖然提供了比較精確的實時監測功能，但是有源器件在高壓線路上工作要考慮諸如電磁感應等因素的影響，并且成本很高，因此也難以成為大規模使用的有效方案。由于基于光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，FBG)FBG傳感器為無源設備，有著很好的抗電磁干擾的特性［8］，并且價格相對低廉，本文提出了利用FBG應變傳感器進行在線實時弧垂監測的方案。

1 架空輸電線路弧垂計算

工程上，常忽略架空輸電線路的剛度而視其為柔索，這樣就可用懸鏈線或拋物線方程來進行線路弧垂計算［9］。懸鏈法假定架空線單位荷載沿其線長均勻分布，計算過程復雜，計算精度高;拋物線法雖精度略差，但計算較簡單，誤差在工程允許范圍內［10］。因而，本文采用拋物線法分析架空輸電線路。

1．1 架空輸電線路2懸掛點等高

當相鄰2高壓桿塔的高度相等，即架空輸電線路2懸掛點等高時，線路弧垂如圖1所示。圖中:A、B分別代表相鄰的桿塔;l是桿塔間檔距;f為線路弧垂。FBG傳感器安裝在其中1個懸掛點的附近。

在安裝FBG傳感器時，測得線路的初始弧垂f0，則初始下的檔間線路長度為

安裝于懸掛點附近的FBG應變傳感器可以實時監測到架空線的應變量，根據光纖應變與Bragg波長的對應關系［11］，得到檔間線路的長度為

式中e為光纖光柵的應變。

由式(1)(2)得到實時的架空線的弧垂值為

1．2 架空輸電線路2懸掛點不等高

當相鄰2高壓桿塔的高度不相等時，高壓架空輸電線路的弧垂如圖2所示。圖中:S點為AB平行線與架空線的切點;S點到AB的垂直距離即為此時架空線的弧垂f;h為架空線兩懸掛點的高度差;φ表示B點對A點的高差角。

圖2 2懸掛點不等高時的架空線弧垂Fig.2 Sags of overhead transmission line with non-isoheight suspension center

初始狀態的架空輸電線路長度為

根據傳感器測得的應變量，通過式(2)可計算出實時的架空線長度

根據式(4)(5)可得到實時監測懸掛點不等高時的線路弧垂

2 仿真試驗

仿真研究和試驗研究采用OPGW－2S1/24B1(64/46－93.4)型光纜，其直徑為14 mm，單位長度質量為497 kg/km，承載截面積為110.3 mm2，標稱抗張強度為78.8 kN，楊氏模量為105.4 kN/mm2，熱膨脹系數為166.6 ×10－6℃－1。

2．1 仿真結果

若2桿塔等高，檔距l=500 m，初始弧垂為f0=10 m。根據文獻［9］給出的弧垂與架空線軸向應力的關系，計算得出懸掛點軸向力約為電力線標稱抗張強度的20%，這符合架空電力線每日應力的范圍，因此10 m的初始弧垂在合理范圍內。仿真計算得出，線路的初始長度為500.533 m，實時弧垂與應變值間的關系如圖3所示。

圖3 2懸掛點等高時測量應變值與線路弧垂的關系Fig.3 Relationship between strain and sag of transmission line under the condition of isoheight suspension center

由圖3可看出，當FBG傳感器測得的應變值為－500～2 000 με時，仿真得到的弧垂變化約為10 m。而FBG應變傳感器的測量上限一般為3 000 με，在2桿塔等高時，本文提出的方案可以實時監控10 m以上的弧垂變化。

假定2桿塔的高度差為100 m，則高差角φ為0.197 4。檔距500 m，初始弧垂10 m，仿真得到弧垂與應變值之間的關系如圖4所示。

圖4 2懸掛點不等高時測量應變值與線路弧垂的關系Fig.4 Relationship between strain and sag of transmission line under the condition of non-isoheight suspension center

由圖3、4可看出，當2桿塔不等高時測得的應變值與架空線弧垂之間的關系，與2桿塔等高情況下差別不大，本文提出的實時監測弧垂的方案，能夠監測10 m以上的弧垂變化。

2．2 試驗結果

整體實驗環境如圖5所示，圖中電力線兩端連接著拉伸機，可對線纜進行拉伸操作。圖5的右上角顯示的是應變傳感器固定在OPGW上的方法，為了驗證這種方法是否能夠與線纜的伸縮同步，即能夠牢固地固定于線纜之上，利用兩端的拉伸機對線纜進行反復多次地拉伸操作，FBG應變傳感器獲得的應變曲線如圖6所示，可以看出這種安裝方法的牢固度很好，傳感器能夠實時反映線纜的長度變化情況。

圖5 實驗測試環境及FBG應變傳感器的安裝方案Fig.5 Experiment setting and installation of FBG strain sensor

圖6 對測試線纜反復拉伸時監測應變值的變化情況Fig.6 Variation of monitoring strain for repeated extension of test lines

應變傳感器的測量精度直接影響著弧垂的計算精度，觀察傳感器自身的波動范圍，發現其自身的應變波動范圍約為4 με，如圖7所示，也就是說這種應變傳感器的測量精度約為4 με。根據仿真結果，2 500 με對應10 m左右的弧垂變化，由此可推斷出，利用FBG應變傳感器進行弧垂實時監測的理論精度為16 mm。

圖7 不受任何因素影響時FBG應變傳感器的自身波動情況Fig.7 Fluctuation of FBG strain sensor without any external influence

3 結語

本文提出的利用FBG應變傳感器進行架空線弧垂的實時監測方案，是基于現階段高壓電網大規模使用OPPC和OPGW的基礎上的，在弧垂的監測范圍上可以達到10 m以上，并在理論上能夠提供16 mm的弧垂測量精度。由于本方案的成本相對于有源監測設備要低，并且安裝方便，能夠提供實時監測，因此所提方案對實現輸電線路弧垂實時監測具有較高實用價值。

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