基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的架空輸電線弧垂實時監(jiān)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(xué)與光通信教育部重點實驗室(北京郵電大學(xué))，北京市，100876)

0 引言

高壓架空線路的弧垂是線路設(shè)計和運行的主要指標(biāo)，關(guān)系到線路的運行安全。由于線路運行負(fù)荷的變化，以及大氣溫度、風(fēng)、導(dǎo)線覆冰等周圍環(huán)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(qū)［1-2］。因此，對高壓架空線路弧垂的實時監(jiān)測就顯得尤為重要。

近些年來，一些新建電力線路普遍架設(shè)了光纖復(fù)合相線(optical phase conductor，OPPC)、光纖復(fù)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(yīng)變、加速度等指標(biāo)，因此光纖傳感器在電力線路的安全監(jiān)測過程中有應(yīng)用基礎(chǔ)和優(yōu)勢。

目前，輸電線路弧垂的監(jiān)測方法可分為:(1)利用經(jīng)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(chǎn)品安裝在線纜上，進行實時監(jiān)測［6-7］。前一種方法耗費人力，并且無法進行實時監(jiān)測;后一種方法雖然提供了比較精確的實時監(jiān)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(yīng)等因素的影響，并且成本很高，因此也難以成為大規(guī)模使用的有效方案。由于基于光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)FBG傳感器為無源設(shè)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(yīng)變傳感器進行在線實時弧垂監(jiān)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(fù)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(nèi)［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(dāng)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(yīng)變傳感器可以實時監(jiān)測到架空線的應(yīng)變量，根據(jù)光纖應(yīng)變與Bragg波長的對應(yīng)關(guān)系［11］，得到檔間線路的長度為

式中e為光纖光柵的應(yīng)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(dāng)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(tài)的架空輸電線路長度為

根據(jù)傳感器測得的應(yīng)變量，通過式(2)可計算出實時的架空線長度

根據(jù)式(4)(5)可得到實時監(jiān)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(zhì)量為497 kg/km，承載截面積為110.3 mm2，標(biāo)稱抗張強度為78.8 kN，楊氏模量為105.4 kN/mm2，熱膨脹系數(shù)為166.6 ×10－6℃－1。

2．1 仿真結(jié)果

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

圖3 2懸掛點等高時測量應(yīng)變值與線路弧垂的關(guān)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(dāng)FBG傳感器測得的應(yīng)變值為－500～2 000 με時，仿真得到的弧垂變化約為10 m。而FBG應(yīng)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(jiān)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(yīng)變值之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 2懸掛點不等高時測量應(yīng)變值與線路弧垂的關(guān)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(dāng)2桿塔不等高時測得的應(yīng)變值與架空線弧垂之間的關(guān)系，與2桿塔等高情況下差別不大，本文提出的實時監(jiān)測弧垂的方案，能夠監(jiān)測10 m以上的弧垂變化。

2．2 試驗結(jié)果

整體實驗環(huán)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(yīng)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(fù)多次地拉伸操作，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器獲得的應(yīng)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?qū)崟r反映線纜的長度變化情況。

圖5 實驗測試環(huán)境及FBG應(yīng)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(fù)拉伸時監(jiān)測應(yīng)變值的變化情況Fig.6 Variation of monitoring strain for repeated extension of test lines

應(yīng)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(fā)現(xiàn)其自身的應(yīng)變波動范圍約為4 με，如圖7所示，也就是說這種應(yīng)變傳感器的測量精度約為4 με。根據(jù)仿真結(jié)果，2 500 με對應(yīng)10 m左右的弧垂變化，由此可推斷出，利用FBG應(yīng)變傳感器進行弧垂實時監(jiān)測的理論精度為16 mm。

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

3 結(jié)語

本文提出的利用FBG應(yīng)變傳感器進行架空線弧垂的實時監(jiān)測方案，是基于現(xiàn)階段高壓電網(wǎng)大規(guī)模使用OPPC和OPGW的基礎(chǔ)上的，在弧垂的監(jiān)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(jiān)測設(shè)備要低，并且安裝方便，能夠提供實時監(jiān)測，因此所提方案對實現(xiàn)輸電線路弧垂實時監(jiān)測具有較高實用價值。

［1］湯城存．500 kV惠汕線導(dǎo)線弧垂的檢查［J］．廣東輸電與變電技術(shù)，2005(2):59-61．

［2］郝蘭榮，王國龍，譚磊．淺析送電線路大負(fù)荷運行與導(dǎo)線弧垂的關(guān)系［J］．高電壓技術(shù)，2006，32(1):107-109．

［3］竇小晶，瑚躍進，陳貴鋒，等．大檔距架空線弧垂測量及其誤差分析［J］．供用電，2009，26(4):15-17．

［4］賀元輝，寇彥江．高壓送電線路弧垂測量的幾種方法［J］．新疆電力，2006(2):41-43．

［5］傅太生，謝運山．高壓電纜最低弧垂點的測量方法［J］．測繪技術(shù)裝備，2006，8(2):35．

［6］徐青松，季洪獻，王孟龍．輸電線路弧垂的實時監(jiān)測［J］．高電壓技術(shù)，2007，33(7):206-209．

［7］陳紹鑫，吳培勝，孫云濤，等．輸電線路溫度和弧垂在線監(jiān)測裝置應(yīng)用研究［J］．華北電力技術(shù)，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．探析非承力導(dǎo)線弧垂的計算及承力鋼絞線的選用［J］．科技促進發(fā)展，2009(11):201-202．

［10］李博之．高壓架空輸電線路施工技術(shù)手冊［M］．中國電力出版社，1997:1-11．