輸電線路在線監測力學傳感器的設計及應用

黃新波，劉磊，宋栓軍

(西安工程大學，西安市710048)

0 引言

傳感器作為監測系統的感知部分，處于十分重要的地位，多年來一直是各國競相開發、應用的熱點。例如，架空輸電線路覆冰造成導線斷線、桿塔倒塌、絕緣子閃絡等事故［1］，給社會造成了巨大的經濟損失。對架空輸電線路進行覆冰在線監測可減少因覆冰引起的線路故障，具有重要的意義?，F有覆冰在線監測方法主要有氣象法、圖像監控器法、導線溫度傾角法和稱重法［2-3］。其中應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，利用拉力傳感器測量覆冰導線載荷。針對現有輸電線路覆冰在線監測系統［4-5］存在的各種問題，基于應變片形變的原理，設計了拉力傳感器，該傳感器是一種用于測量裝置在基體上應變片變化的儀器，具有安裝方便，使用靈活，容易確立基準，能適合惡劣環境下長期自動工作等優點。

本文設計了一種高強度、體積小、使用壽命長的拉力傳感器，通過模擬數字轉換器(analog to digital converter，ADC)對模擬信號進行數字化，并把數字信號送到數字器件，以便用于系統的數據處理，這對覆冰在線監測具有十分重要的意義［6］。

1 覆冰在線監測系統

1.1 監測系統的總體架構

基于力傳感器的覆冰雪在線監測裝置在設定的采樣時間內(采樣時間可修改)定時/實時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］傳輸到狀態監測代理(condition monitoring agent，CMA)，通過CMA將信息發送至監控中心(condition information acquisition gateway，CAG)，CAG將輸出的模擬信號經ADC處理得到數字信號，如圖1所示。

1.2 輸電線路覆冰在線監測力學計算原理

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

圖1 力學傳感器在線監測系統Fig.1 Online monitoring system of mechanical sensor

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

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

即

而風載荷可以通過傳感器測出，故可求解得

因此通過監測導線懸掛點處的拉力T和傾角θ，就可計算導線的覆冰荷載。

2 力學傳感器

2.1 拉力傳感器的結構設計

現有拉力傳感器的測量精度、靈敏度低，疲勞強度弱，而且圓柱形結構抗彎、抗偏載能力差。因此，為提高拉力測量的精度，并提高其疲勞強度，結合柱式結構和板環結構的優點，設計了一種適用于電阻應變片的圓型槽結構［13-14］，如圖3所示，三維實體模型如圖4所示。電阻應變片分別安裝在上、下表面的圓型槽內，然后用固體膠密封。

圖3 力傳感器結構設計Fig.3 Structure design of mechanical sensor

圖4 彈性體的實體模型Fig.4 Entity model of elastomer

2.2 傳感器的強度分析及優化

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

圖5 形變、應力分析結果(圓形槽)Fig.5 Deformation and strain analysis result

由圖5(a)、(b)分析得到的結果，可以看出安裝該力學傳感器圓槽處所受應力稍微偏大些，達到了37.685 MPa，而且形變達到了188.42 nm，如果外界壓力不斷增大，那么傳感器受到的應力也不斷增大。達到一定程度時，就會超過傳感器的疲勞強度，嚴重時會使傳感器從桿塔的懸掛點處因斷裂而墜落，從而不能實現覆冰力學在線監測的信息采集。因此，必須對該設計的結構進行改進，實現結構的優化。將傳感器的圓型槽改為方形槽，然后利用Ansys軟件對其進行形變和應力分析，結果分別如圖6(a)、(b)所示。

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

由圖6(a)、(b)的分析結果可以看出，在相同的壓力(30 MPa)下，方形槽傳感器受到的最大應力為33.519 MPa，最大形變為167.6 nm，可知優化后的傳感器有限元分析后得到的應力值、形變值較之前的傳感器的應力值、形變值都減少了，疲勞強度相對增強，從而保證了該傳感器覆冰在線監測的安全運行。

當偏載發生時，彎矩引起的彈性體上、下表面應變偏移量大小相等，方向相反，對2個應變片測量結果求均值的方法可有效地減小偏載造成的測量誤差，被測拉力與應變的關系為

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、下表面的應變值。

3 傳感器的數據采集

力學傳感器是將壓力轉換成電流/電壓的器件，用于測量壓力、位移等物理量，可實現導線覆冰、導線微風振動和桿塔應力等的在線監測［15］。壓力傳感器可分為電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。本文設計的傳感器主要是基于電阻應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，電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密地粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續的儀表放大器進行放大，再傳輸給信號處理電路［16-17］(通常是A/D轉換和CPU)顯示或執行機構，其電路設計原理如圖7所示。

圖7 力學傳感器電路設計原理Fig.7 Circuit design principle of mechanical sensor

3.1 傳感器的數據分析

為驗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，拉力實驗的量程設定為50 kN。多次實驗表明，拉力傳感單元重復性良好，由多組數據擬合后的方程，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變片形變的測量數據表見表1。

3.2 傳感器的精度分析

本文設計的在線監測傳感器［18］是基于壓力應變片的基礎上，它的靈敏度、精度的高低受彈性體形變向應變片電阻值變化傳遞能力的影響。力學傳感器在一般情況下，應由4個應變片組成1個測量電橋，且內部4個應變片同時受力，同時在受壓形變的作用下，必須實現2個應變片阻值增大，2個變小。電阻應變壓力傳感器在選擇電源時，應該采用恒流源以此來減少溫度誤差方面的影響。由于應變片電橋電路的輸出信號微弱，采用直流放大器又容易產生零點漂移，故多采用交流放大器對信號進行放大處理，所以應變片電橋電路一般都采用交流電源供電。利用圖8所示的拉力機模擬裝置，對本文設計的力學傳感器進行強度驗證，并對測量得到的拉力數據作進一步分析，從而完成對該傳感器的精度分析。

表1 壓力與應變片測量數據Tab.1 Measurement data of stress and strain

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

拉力機模擬裝置得到的測量值與給定值的數據見表2，拉力實測值取最大值和最小值時所產生的誤差率如表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，但在實際測量中傳感器的溫度會發生變化，而光纖光柵(fiber bragg grating，FBG)對應變和溫度交叉敏感，首先對光纖布拉格光柵溫度和應變對波長的綜合影響進行分離，現有的解決溫度-應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-應變交叉敏感現象最簡單、有效的方法。溫度變化將導致拉力測量結果不準確，因此應消除溫度的影響。

其中溫度補償片是消除傳感器應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FBG，而且在安裝過程中保證其不受力，那么，溫補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。由于溫度補償的原因，拉力波長關系式為

表2 力學傳感器的測量誤差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溫補傳感FBG的溫度補償系數，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傳感FBG反射波長變化之比，該系數可通過實驗確定;KForce為拉力傳感系數。

除了溫度的變化對力學傳感器的測量有一定影響外，傳感器電源電壓的穩定性對其也有很大影響，因此，輸電線路在線監測時應使拉力傳感器的電源電壓始終保持穩定，才能使得測量的相關數據的準確度和精度符合實際要求。

4 力學傳感器在直流線路中的應用

本文設計的力學傳感器在直流400 kV紫拉線1395覆冰桿塔得到了初步應用，其數據分析軟件如圖9所示，監測到的2012年12月到2013年4月日期與綜合懸掛載荷的關系如圖10所示。

5 結語

本文介紹了覆冰在線監測力學傳感器的結構設計，并對其實體模型的疲勞強度、形變大小進行了有限元分析。分析結果顯示，方形槽結構的疲勞強度較圓型槽的疲勞強度強，進一步得到了結構優化。同時采用了電阻應變壓力傳感器設計的電路原理圖將彈性體受到的壓力信號轉化為應變片的電阻值變化的電信號，從而完成了數據的采集。經過多次實驗發現，該傳感器的重復性和精確度偏低，從而帶來一定的覆冰監測誤差，有待進一步提高。

圖9 1395覆冰桿塔力學傳感器數據分析軟件Fig.9 Analysis software of mechanical sensor data for 1395 icing tower

圖10 力傳感器監測數據Fig.10 Monitoring data of mechanical sensor

致 謝

本文中實驗方案的制定和實驗數據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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