輸電線路在線監(jiān)測力學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃新波，劉磊，宋栓軍

(西安工程大學(xué)，西安市710048)

0 引言

傳感器作為監(jiān)測系統(tǒng)的感知部分，處于十分重要的地位，多年來一直是各國競相開發(fā)、應(yīng)用的熱點(diǎn)。例如，架空輸電線路覆冰造成導(dǎo)線斷線、桿塔倒塌、絕緣子閃絡(luò)等事故［1］，給社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對架空輸電線路進(jìn)行覆冰在線監(jiān)測可減少因覆冰引起的線路故障，具有重要的意義。現(xiàn)有覆冰在線監(jiān)測方法主要有氣象法、圖像監(jiān)控器法、導(dǎo)線溫度傾角法和稱重法［2-3］。其中應(yīng)用最廣泛的是稱重法:通過力傳感器替代絕緣子的球頭掛環(huán)，利用拉力傳感器測量覆冰導(dǎo)線載荷。針對現(xiàn)有輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)［4-5］存在的各種問題，基于應(yīng)變片形變的原理，設(shè)計(jì)了拉力傳感器，該傳感器是一種用于測量裝置在基體上應(yīng)變片變化的儀器，具有安裝方便，使用靈活，容易確立基準(zhǔn)，能適合惡劣環(huán)境下長期自動(dòng)工作等優(yōu)點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種高強(qiáng)度、體積小、使用壽命長的拉力傳感器，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，這對覆冰在線監(jiān)測具有十分重要的意義［6］。

1 覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

基于力傳感器的覆冰雪在線監(jiān)測裝置在設(shè)定的采樣時(shí)間內(nèi)(采樣時(shí)間可修改)定時(shí)/實(shí)時(shí)完成絕緣子串拉力信息的采集，通過GSM/GPRS/CDMA/3G/WiFi/光纖等方式［7-9］傳輸?shù)綘顟B(tài)監(jiān)測代理(condition monitoring agent，CMA)，通過CMA將信息發(fā)送至監(jiān)控中心(condition information acquisition gateway，CAG)，CAG將輸出的模擬信號經(jīng)ADC處理得到數(shù)字信號，如圖1所示。

1.2 輸電線路覆冰在線監(jiān)測力學(xué)計(jì)算原理

專家系統(tǒng)利用懸掛的外拉力計(jì)算覆冰［10-12］，傳感器安裝在直線塔A上，其左、右檔距內(nèi)的線長分別為和(如圖2所示)，T為懸掛點(diǎn)處拉力。

圖1 力學(xué)傳感器在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Online monitoring system of mechanical sensor

圖2 輸電線路導(dǎo)線受力分析Fig.2 Force analysis of transmission lines

假設(shè)輸電線路覆冰均勻，導(dǎo)線覆冰時(shí)，由于主桿塔絕緣子串上的豎直方向上張力值TV與兩側(cè)導(dǎo)線最低點(diǎn)到主桿塔A點(diǎn)間導(dǎo)線上的豎向載荷相互平衡，即“平衡法”，并設(shè)導(dǎo)線上風(fēng)載荷集度為qw，覆冰載荷集度為qice，qo為未覆冰時(shí)導(dǎo)線荷載，TV為直線塔垂直方向上的拉力分量，ΔTV為有冰、風(fēng)載荷作用與只有自重載荷作用時(shí)主桿塔上豎向載荷的差值。

即

而風(fēng)載荷可以通過傳感器測出，故可求解得

因此通過監(jiān)測導(dǎo)線懸掛點(diǎn)處的拉力T和傾角θ，就可計(jì)算導(dǎo)線的覆冰荷載。

2 力學(xué)傳感器

2.1 拉力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有拉力傳感器的測量精度、靈敏度低，疲勞強(qiáng)度弱，而且圓柱形結(jié)構(gòu)抗彎、抗偏載能力差。因此，為提高拉力測量的精度，并提高其疲勞強(qiáng)度，結(jié)合柱式結(jié)構(gòu)和板環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適用于電阻應(yīng)變片的圓型槽結(jié)構(gòu)［13-14］，如圖3所示，三維實(shí)體模型如圖4所示。電阻應(yīng)變片分別安裝在上、下表面的圓型槽內(nèi)，然后用固體膠密封。

圖3 力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Structure design of mechanical sensor

圖4 彈性體的實(shí)體模型Fig.4 Entity model of elastomer

2.2 傳感器的強(qiáng)度分析及優(yōu)化

在相同情況的條件下，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的慣性力矩較傳統(tǒng)柱式結(jié)構(gòu)的慣性力矩大，且提高了抗彎能力。使用有限元軟件對圓形槽式彈性體進(jìn)行了應(yīng)變計(jì)算，溫度20℃，且在圓形面上施加一定的壓力(一般為30 MPa)，壓阻式應(yīng)變片傳感器安裝處的形變、應(yīng)力結(jié)果分別如圖5(a)、(b)所示。

圖5 形變、應(yīng)力分析結(jié)果(圓形槽)Fig.5 Deformation and strain analysis result

由圖5(a)、(b)分析得到的結(jié)果，可以看出安裝該力學(xué)傳感器圓槽處所受應(yīng)力稍微偏大些，達(dá)到了37.685 MPa，而且形變達(dá)到了188.42 nm，如果外界壓力不斷增大，那么傳感器受到的應(yīng)力也不斷增大。達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)超過傳感器的疲勞強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使傳感器從桿塔的懸掛點(diǎn)處因斷裂而墜落，從而不能實(shí)現(xiàn)覆冰力學(xué)在線監(jiān)測的信息采集。因此，必須對該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。將傳感器的圓型槽改為方形槽，然后利用Ansys軟件對其進(jìn)行形變和應(yīng)力分析，結(jié)果分別如圖6(a)、(b)所示。

圖6 傳感器形變應(yīng)力分析結(jié)果(方形槽)Fig.6 Deformation and strain analysis result of sensor

由圖6(a)、(b)的分析結(jié)果可以看出，在相同的壓力(30 MPa)下，方形槽傳感器受到的最大應(yīng)力為33.519 MPa，最大形變?yōu)?67.6 nm，可知優(yōu)化后的傳感器有限元分析后得到的應(yīng)力值、形變值較之前的傳感器的應(yīng)力值、形變值都減少了，疲勞強(qiáng)度相對增強(qiáng)，從而保證了該傳感器覆冰在線監(jiān)測的安全運(yùn)行。

當(dāng)偏載發(fā)生時(shí)，彎矩引起的彈性體上、下表面應(yīng)變偏移量大小相等，方向相反，對2個(gè)應(yīng)變片測量結(jié)果求均值的方法可有效地減小偏載造成的測量誤差，被測拉力與應(yīng)變的關(guān)系為

式中:F為拉力;SA為截面面積;E為彈性體楊氏模量;ε1和ε2分別為彈性體上、下表面的應(yīng)變值。

3 傳感器的數(shù)據(jù)采集

力學(xué)傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換成電流/電壓的器件，用于測量壓力、位移等物理量，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線覆冰、導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)和桿塔應(yīng)力等的在線監(jiān)測［15］。壓力傳感器可分為電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。本文設(shè)計(jì)的傳感器主要是基于電阻應(yīng)變片壓力傳感器的原理，它具有較高的精度和較好的線性特性。其中，電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密地粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給信號處理電路［16-17］(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其電路設(shè)計(jì)原理如圖7所示。

圖7 力學(xué)傳感器電路設(shè)計(jì)原理Fig.7 Circuit design principle of mechanical sensor

3.1 傳感器的數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證拉力傳感單元的測量性能，考慮覆冰后傳感器處受到的最大拉力，拉力實(shí)驗(yàn)的量程設(shè)定為50 kN。多次實(shí)驗(yàn)表明，拉力傳感單元重復(fù)性良好，由多組數(shù)據(jù)擬合后的方程，可以看出拉力傳感單元有良好的線性度。由上述利用Ansys軟件分析得到圓形槽、方形槽傳感器上基體所受的壓力與應(yīng)變片形變的測量數(shù)據(jù)表見表1。

3.2 傳感器的精度分析

本文設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測傳感器［18］是基于壓力應(yīng)變片的基礎(chǔ)上，它的靈敏度、精度的高低受彈性體形變向應(yīng)變片電阻值變化傳遞能力的影響。力學(xué)傳感器在一般情況下，應(yīng)由4個(gè)應(yīng)變片組成1個(gè)測量電橋，且內(nèi)部4個(gè)應(yīng)變片同時(shí)受力，同時(shí)在受壓形變的作用下，必須實(shí)現(xiàn)2個(gè)應(yīng)變片阻值增大，2個(gè)變小。電阻應(yīng)變壓力傳感器在選擇電源時(shí)，應(yīng)該采用恒流源以此來減少溫度誤差方面的影響。由于應(yīng)變片電橋電路的輸出信號微弱，采用直流放大器又容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，故多采用交流放大器對信號進(jìn)行放大處理，所以應(yīng)變片電橋電路一般都采用交流電源供電。利用圖8所示的拉力機(jī)模擬裝置，對本文設(shè)計(jì)的力學(xué)傳感器進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，并對測量得到的拉力數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析，從而完成對該傳感器的精度分析。

表1 壓力與應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of stress and strain

圖8 力傳感器模擬裝置Fig.8 Simulator of force sensor

拉力機(jī)模擬裝置得到的測量值與給定值的數(shù)據(jù)見表2，拉力實(shí)測值取最大值和最小值時(shí)所產(chǎn)生的誤差率如表2所示。

3.3 溫度對傳感器的影響及處理

上述分析過程是在溫度不變的條件下完成的，但在實(shí)際測量中傳感器的溫度會(huì)發(fā)生變化，而光纖光柵(fiber bragg grating，F(xiàn)BG)對應(yīng)變和溫度交叉敏感，首先對光纖布拉格光柵溫度和應(yīng)變對波長的綜合影響進(jìn)行分離，現(xiàn)有的解決溫度-應(yīng)變交叉敏感的方法主要有以下幾種:參考光纖光柵法、雙波長疊柵法、雙參量矩陣法等。參考光纖光柵法是解決溫度-應(yīng)變交叉敏感現(xiàn)象最簡單、有效的方法。溫度變化將導(dǎo)致拉力測量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此應(yīng)消除溫度的影響。

其中溫度補(bǔ)償片是消除傳感器應(yīng)變測量溫度影響的有效方案。具體方案如下:在拉力傳感器的底部裝上溫補(bǔ)FBG，而且在安裝過程中保證其不受力，那么，溫補(bǔ)FBG波長的變化只能由溫度的變化引起，因此用它可消除拉力測量中溫度因素的影響。由于溫度補(bǔ)償?shù)脑颍ΣㄩL關(guān)系式為

表2 力學(xué)傳感器的測量誤差Tab.2 Measurement errors of mechanical sensor

式中:λ1、λ2分別為上、下表面粘貼的拉力傳感FBG中心波長;Δλ1與Δλ2分別為上、下表面粘貼拉力傳感FBG布拉格波長的變化量;Kt1為拉力傳感FBG溫補(bǔ)傳感FBG的溫度補(bǔ)償系數(shù)，即相同溫度變化下，拉力傳感FBG反射波中心波長變化與溫補(bǔ)傳感FBG反射波長變化之比，該系數(shù)可通過實(shí)驗(yàn)確定;KForce為拉力傳感系數(shù)。

除了溫度的變化對力學(xué)傳感器的測量有一定影響外，傳感器電源電壓的穩(wěn)定性對其也有很大影響，因此，輸電線路在線監(jiān)測時(shí)應(yīng)使拉力傳感器的電源電壓始終保持穩(wěn)定，才能使得測量的相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精度符合實(shí)際要求。

4 力學(xué)傳感器在直流線路中的應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的力學(xué)傳感器在直流400 kV紫拉線1395覆冰桿塔得到了初步應(yīng)用，其數(shù)據(jù)分析軟件如圖9所示，監(jiān)測到的2012年12月到2013年4月日期與綜合懸掛載荷的關(guān)系如圖10所示。

5 結(jié)語

本文介紹了覆冰在線監(jiān)測力學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對其實(shí)體模型的疲勞強(qiáng)度、形變大小進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果顯示，方形槽結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度較圓型槽的疲勞強(qiáng)度強(qiáng)，進(jìn)一步得到了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。同時(shí)采用了電阻應(yīng)變壓力傳感器設(shè)計(jì)的電路原理圖將彈性體受到的壓力信號轉(zhuǎn)化為應(yīng)變片的電阻值變化的電信號，從而完成了數(shù)據(jù)的采集。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該傳感器的重復(fù)性和精確度偏低，從而帶來一定的覆冰監(jiān)測誤差，有待進(jìn)一步提高。

圖9 1395覆冰桿塔力學(xué)傳感器數(shù)據(jù)分析軟件Fig.9 Analysis software of mechanical sensor data for 1395 icing tower

圖10 力傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.10 Monitoring data of mechanical sensor

致 謝

本文中實(shí)驗(yàn)方案的制定和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量記錄工作是在西安金源電氣股份有限公司朱永燦、趙隆等工作人員的大力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。

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