一種耐高壓FBG壓力傳感器在電力鐵塔塔基的應(yīng)用

黃冰晶+謝明鴻+汪應(yīng)龍

摘要：云南屬低緯度高原及其向南傾斜的斜坡地區(qū)，地質(zhì)條件與氣候環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害繁多，這致使大多數(shù)山區(qū)電力鐵塔塔基存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)安全問題，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為應(yīng)對各種威脅鐵塔安全的突發(fā)情況，設(shè)計一種耐高壓的FBG壓力傳感器，實現(xiàn)對山區(qū)電力鐵塔塔基土壓力的實時監(jiān)測預(yù)警，為變電站結(jié)構(gòu)的安全維護(hù)工作提供輔助決策依據(jù)與技術(shù)支持。該傳感器技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于云南省玉溪市山區(qū)某個220kV變電站。

關(guān)鍵詞：FBG壓力傳感器；耐高壓；電力鐵塔塔基；實時監(jiān)測預(yù)警

0 引言

云南大多數(shù)山區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣候多變，部分地區(qū)處于地震多發(fā)帶，這可能會造成電力鐵塔變形甚至倒塔、斷線等嚴(yán)重后果。所以，對電力鐵塔的實時監(jiān)測預(yù)警可以有效地維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。但是目前對包括電力鐵塔在內(nèi)的多數(shù)變電站結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測仍然是以人工周期性觀測為主，難以響應(yīng)突發(fā)性事件和極端氣候條件下連續(xù)監(jiān)測的需要，因此對變電站結(jié)構(gòu)安全的實時監(jiān)測研究就顯得尤為重要。

光纖布拉格光柵（ Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）具有抗電磁干擾能力強、傳輸損耗小、精度高和實時性強等特點，特別適合需要實時監(jiān)控多參量（應(yīng)變，溫度，位移）的大型建筑如大壩、橋梁、邊坡、電力設(shè)備等。2012年，劉江利用FBG傳感器進(jìn)行對邊坡工程結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測研究[31；2013年，蔡周春利用FBG傳感器對某公路隧道進(jìn)行壓力的監(jiān)測研究； 2011年，盧艷研究了基于光纖光柵傳感技術(shù)的變壓器溫度檢測系統(tǒng)，將光纖光柵傳感器應(yīng)用在電力系統(tǒng)上。

基于山區(qū)電力鐵塔結(jié)構(gòu)安全的實時監(jiān)測需求，本文采用光纖布拉格光柵（ Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG；傳感技術(shù)，利用FBG材料的耐腐蝕、非電量傳感傳輸、高精度、高靈敏度、電絕緣、抗電磁干擾、穩(wěn)定性強和使用壽命長等特殊物理屬性，對電力鐵塔塔基土壓力進(jìn)行實時預(yù)警監(jiān)測。如果發(fā)生地震等自然地質(zhì)災(zāi)害，那么山區(qū)電力鐵塔塔基所承受的土壓力肯定比平時要高出很多倍，所以設(shè)計一種耐高壓的光纖布拉格光柵壓力傳感器，比普通的FBG壓力傳感器能承受更大的支撐力，可適用于電力鐵塔塔基土壓力的高壓實時測量。

1 耐高壓FBG傳感器設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為加強FBG壓力傳感器在山區(qū)等各種惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，提高傳感器的抗壓范圍，現(xiàn)提出一種耐高壓的FBG壓力傳感器，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示：

這種耐高壓傳感器的基本結(jié)構(gòu)是雙膜式土壓力傳感器。其中，承壓板和環(huán)狀膜片構(gòu)成一次膜片，一次膜片和二次膜片與殼體相連構(gòu)成傳壓油腔，二次膜片通過位于其下表面圓心處的圓球與懸臂梁的自由端相連，懸臂梁的固定端與殼體連接，殼體與底蓋螺紋連接。

當(dāng)土壓力作用在一次膜片上，使一次膜片中心產(chǎn)生大小與所受應(yīng)力呈線性關(guān)系的撓度變化，同時傳壓油腔內(nèi)的液壓油受到一次膜片的擠壓作用，二次膜片受到液壓油產(chǎn)生的等值壓力而產(chǎn)生撓度變化，推動下方的網(wǎng)球向下移動，壓迫懸臂梁自由端發(fā)生相同的撓度變化，從而使懸臂梁中心軸線上的光纖布拉格光柵發(fā)生布拉格波長移位。為提高傳感器的耐壓能力，我們改進(jìn)傳感器頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖2所示。

耐高壓FBG壓力傳感器頭的主要組成部分是彈性筒和耐高溫膠封裝的FBG。為了使FBG和彈性筒完好粘接，在粘接前用耐高溫膠均勻涂敷在FBG上并放入溫箱高溫固化，然后將FBG沿彈性筒的軸向內(nèi)部放置。彈性筒和懸臂梁表面用密封圈即彈性橡膠圈連接，光纖Bragg光柵通過光纖引出孔與外接光纖相連接。需要注意的是，懸臂梁材料的受壓范圍需要與傳感器的相一致，這樣塔基土壓力才可以有效地傳遞到內(nèi)部彈性筒上并產(chǎn)生軸向壓縮形變，帶動其上的FBG產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，引起FBG波長移位。

1.2 工作原理

一次膜片受到的土壓力通過傳壓油腔和圓球均勻傳遞到懸臂梁的自由端，然后有效傳遞到懸臂梁上表面中心軸線上的光纖布拉格光柵的彈性筒上并產(chǎn)生軸向壓縮形變，帶動FBG產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，引起光纖布拉格光柵波長移位。通過對光纖布拉格光柵波長移位的測量可以對土壓力進(jìn)行實時監(jiān)測。光纖布拉格光柵均勻軸向應(yīng)變引起的波長移位為：

公式（1）中，λ_B為光纖布拉格光柵的中心波長，△λ_B為波長移位量，P_e=0.22為有效彈光系數(shù)，ε為軸向應(yīng)變量。

當(dāng)一次膜片受到一個均勻分布壓力P并達(dá)到穩(wěn)定時，根據(jù)靜止流體力學(xué)，二次膜片也受到來自傳壓油腔內(nèi)油體的均勻分布壓力P。根據(jù)圓形薄板小撓度變形理論，二次膜片產(chǎn)生的撓度為：

公式（2）中，t_e為二次膜片厚度，E₂為二次膜片楊氏彈性模量，u₂為二次膜片泊松比，x為從二次膜片中心沿半徑方向的距離。

在二次膜片的中心處，最大撓度為：

二次膜片的變形推動其中心下方的圓球向下移動，壓迫懸臂梁發(fā)生方向相當(dāng)、大小相等的撓度變化，即懸臂梁的撓度變化為ω₀。

根據(jù)懸臂梁上各點應(yīng)變量與撓度的關(guān)系為：

公式（4）中，h為懸臂梁厚度，l為懸臂梁長度。把公式（3）帶入公式（4），則懸臂梁上的應(yīng)變與均勻分布壓力PO的關(guān)系為：

當(dāng)傳感器所處的外界發(fā)生壓力變化時，由懸臂梁的應(yīng)變量傳到彈性筒，隨后彈性圓筒進(jìn)一步產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變，與彈性筒材料的彈性模量，泊松比，圓筒內(nèi)半徑，圓筒外半徑有如下關(guān)系：結(jié)合公式（1），（5）和（6），可得：

易看出：通過選用不同彈性模量的材料，改變彈性筒的內(nèi)徑和壁厚，都可以調(diào)整壓力傳感器的量程和壓力靈敏度。耐高壓FBG傳感器所受到的均勻分布土壓力與光纖布拉格光柵的中心波長移位之間的數(shù)學(xué)模型因此建立起來，通過測量光纖布拉格光柵的中心波長移位可以計算出土壓力值。endprint

理論計算結(jié)果表明，該傳感器的靈敏度為-0.035nm/MPa，量程為0～50MPa.測量精度為0.4%FS。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

為檢驗該傳感器在安裝前性能正常和保證傳感器安裝的一次成活率，需提前對傳感器進(jìn)行壓力測試。測試該傳感器的實驗裝置原理圖如3所示：

實驗采用YS-60型活塞式壓力計控制壓力輸入，壓力計利用液壓油作為傳壓介質(zhì)，精確度等級為0.05，測量范圍0～50MPa。待測耐高壓FBG壓力傳感器和精密壓力表，分別連接于壓力計的左右兩個壓力輸出接口。實驗中，通過往中央平臺上逐個添加標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每次可向待測FBG壓力傳感器和精密壓力表施加lMPa壓力，最大可施加壓力為50 MPa。

實驗過程中，從LED寬帶光源（帶寬為40dB，功率為O.lmW）發(fā)H{的光先經(jīng)過3dB耦合器，再通過FBG壓力傳感器端部引出的尾纖入射到FBG上，反射光又經(jīng)3dB耦合器后由光譜儀（AQ6319型，分辨力為O.Olnm）檢測FBG的反射峰值中心波長。從0MPa開始，往中央平臺逐個添加標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每增加lMPa需記錄下精密壓力表的讀數(shù)和光譜分析儀中FBG的中心波長，直至達(dá)到壓力計最大值50 MPa后停止加載；然后，再以l MPa的間隔遞減砝碼進(jìn)行降壓。

根據(jù)實驗測得的壓力和FBG波長值，得到FBG壓力傳感器的波長與壓力關(guān)系曲線，如圖4所示：對傳感器的波長與壓力關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合，得到：

Y=-0.0311x+1543.9958，（8）

R²=0.9959

公式（8）中，y表示波長，x表示測試的壓力。該式表明設(shè)計的耐高壓FBG壓力傳感器的壓力靈敏度為-0.03 11 Iun/MPa。傳感器的波長與外界壓力呈良好的線性關(guān)系，線性擬合度為0.9959。經(jīng)過多次的升降壓實驗表明，該壓力傳感器的壓力靈敏度穩(wěn)定，波長與壓力保持良好的線性度和重復(fù)性。

2.2實際應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

在云南玉溪某一典型220kV山區(qū)變電站的電力鐵塔施工過程中使用本文提出的耐高壓FBG傳感器。將兩支該傳感器安裝在鐵塔塔基，采用光纖布拉格光柵分析儀進(jìn)行檢測，按照提前分配好的傳感通道將光纖跳線對應(yīng)接好。現(xiàn)場檢測結(jié)果顯示每個傳感器波長信號基本正常，傳感器一次成活率100%。

投入使用后開始記錄每天的測量數(shù)據(jù)，比如2016年10月3日的兩組數(shù)據(jù)如圖5所示：

圖5顯示監(jiān)測系統(tǒng)一天24小時采集的數(shù)據(jù)曲線，l#傳感器和2#傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)十分接近。根據(jù)這兩組監(jiān)測結(jié)果，2016年9月6日電力鐵塔塔基的土壓力值在492-499KPa之間，該范圍屬于正常狀態(tài)下的土壓力范圍，因此數(shù)據(jù)顯示塔基在這24小時內(nèi)較為穩(wěn)定。

傳感器檢測至今，已累計采集2個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為了更加精確的描述設(shè)計的耐高壓FBG壓力傳感器，我們提取l#傳感器9月和10月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，記錄每天的最大監(jiān)測值和最小監(jiān)測值，繪制成圖6所示：

根據(jù)圖6顯示，在9月的中上旬時期，l}≠傳感器測得鐵塔塔基土壓力較大，然后在10月中下旬時期達(dá)到這兩個月期間的頂峰。在9月底和10月初的時間段中，測得的土壓力值跟正常狀態(tài)下一樣。后來，我們根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報得知，在9月底和10月初這兩個時間段，鐵塔所在地區(qū)經(jīng)歷了長時間的連續(xù)降雨，出現(xiàn)山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，這導(dǎo)致塔基土壓力增大。因此該傳感器測得的壓力數(shù)據(jù)是符合正常情況的，并且鐵塔處的土壓力變化完全沒有影響鐵塔的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

根據(jù)云南山區(qū)較為特殊的地質(zhì)和氣候環(huán)境以及對FBG壓力傳感器的應(yīng)用要求，本文提出了一種耐高壓FBG壓力傳感頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對其進(jìn)行理論分析和壓力實驗，研究結(jié)果表明：該壓力傳感器靈敏度為-0.03llnm/MPa.線性擬合度為0.9959，量程為0～50MPa。說明該傳感器具有良好的線性度和重復(fù)性，達(dá)到耐高壓的設(shè)計目的。

基于耐高壓FBG壓力傳感器的山地電力鐵塔塔基土壓力監(jiān)測系統(tǒng)運行至今，對塔基周邊土壓力進(jìn)行持續(xù)的實時預(yù)警監(jiān)測，并經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理得知： 在天氣較好的情況下，塔基土壓力在500KPa附近波動；在遇到大量降雨時期，由于雨水沖刷等影響，塔基土壓力在1000～1500KPa范圍內(nèi)；如果遇到山體滑坡，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示塔基土壓力在2000KPa左；右若遭遇更為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害比如地震，那監(jiān)測到的塔基土壓力數(shù)據(jù)一定會更大，因此，耐高壓FBG壓力傳感器的作用就顯得尤為重要。endprint