CN103925984B - 光纤振动传感器及应用其的输电线路微风振动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤振动传感器及应用该传感器的输电线路微风振动监测系统，所述光纤振动传感器包括依次连接的固定体、等强度梁和设置在所述导线上的接触体；所述固定体通过设置在所述导线上的卡具与所述导线连接，垂直于所述等强度梁轴线的上下表面均对称设有光纤布拉格光栅；所述传感器安装为正装法，安装点为导地线的疲劳危险点。所述监测系统包括依次连接的光纤振动传感器、光纤复合架空地线、波长调解装置和主机。该传感器及监测系统具有测量精度高、速度快、频率响应好、长期性能稳定等特点，克服了原有技术易受复杂电磁环境影响、测量精度和灵敏度差、体积大、系统稳定性差及无法实时传递现场信息等问题，提高了该系统的稳定性和可靠性。

Description

光纤振动传感器及应用其的输电线路微风振动监测系统

技术领域：

本发明涉及在线监测技术领域，更具体涉及一种光纤振动传感器及应用该传感器的输电线路微风振动监测系统。

背景技术：

输电线路导线微风振动是由于风的激励作用导致导线在垂直平面内发生谐振，形成上下有规律的波浪往复运动。发生振动的风速范围一般为0.5～10m/s，振动频率一般为3～150Hz，最大双振幅一般不大于导线直径的1～2倍，一般为数小时，有时可长达数天，高频微幅的微风振动最频繁，使导线产生不同程度的动弯应力，容易造成导线疲劳断股、金具、间隔棒及杆塔构件的疲劳损坏或磨损等，严重影响输电线路特别是特高压输电线路的安全运行。

为了评价导线微风振动的情况，目前国内外普遍采用IEEE标准规定的相对振幅测量法来衡量微风振动危害程度。即测量距离导线和线夹分离点89mm处的弯曲振幅。国内测量导线微风振动的在线监测装置通常采用正装法和倒装法进行测量，测量振动的传感器有以下几种：悬臂梁电阻应变式传感器、激光传感器和加速度传感器。

悬臂梁电阻应变式传感器是目前采用最多的一种传感器，优点是结构简单，但电阻应变式传感器容易受环境影响，存在电桥平衡难、非线性误差大和易受电磁干扰以及不能长期稳定运行等问题，对测量结果和稳定性有很大影响；另外，电阻应变式传感器需要电源供电，造成测量装置体积过大，倒装法安装的悬臂梁电阻应变式传感器对导线振动测量造成一定误差。

激光传感器是非接触式测量，优点是抗电磁干扰能力强，但存在测量精度略差和功耗较大等缺点，很不利于输电线路导线振动的测量。

加速度传感器通过测量振动的加速度来测量振动的振幅，优点是传感器体积小，但测量的振幅为绝对振幅，不是IEEE标准规定的相对振幅，绝对振幅测量法衡量微风振动危害程度目前还未得到广泛认可。

以上现有的传感器测量结果需要通过无线方式传递给监控中心，由于无线通信信号不稳定，导致振动测量结果无法传输。

针对上述现有架空输电线路存在的振动传感器需要现场电源、易受复杂电磁环境影响、测量精度和灵敏度差、体积大、系统稳定性差及无法实时传递现场信息、等问题，提出本发明申请。

发明内容：

本发明的目的是提供一种光纤振动传感器及应用该传感器的输电线路微风振动监测系统，该传感器该系统适合于各种气候测量，抗电磁干扰，利于长期监测，同时简化了监测系统结构，提高了系统的稳定性和可靠性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种光纤振动传感器，所述光纤振动传感器包括依次连接的固定体、等强度梁和设置在所述导线上的接触体；所述固定体通过设置在所述导线上的卡具与所述导线连接，垂直于所述等强度梁上下表面的轴线上均对称设有光纤布拉格光栅。

本发明提供的一种光纤振动传感器，所述固定体设有光纤座，将所述光纤布拉格光栅其光纤尾端依次通过所述光纤座和光纤连接器。

本发明提供的另一优选的一种光纤振动传感器，所述固定体为其径向方向设有凹槽的圆柱体，所述凹槽在所述光纤座下方，所述等强度梁将其底边设置在所述凹槽内。

本发明提供的再一优选的一种光纤振动传感器，所述等强度梁为悬臂梁式弹性体等腰三角板，其材料为铍青铜；所述等强度梁的厚度为1-1.5mm，宽度为10-20mm,悬挂长度为89mm。

本发明提供的又一优选的一种光纤振动传感器，所述卡具通过螺栓分别与所述固定体和导线垂直连接，所述卡具为由两个半圆金属环组成，所述金属环内部附有绝缘橡胶。

本发明提供的又一优选的一种光纤振动传感器，所述接触体为沿其径向方向设置在所述导线上的圆柱体，其材料为铝合金，所述接触体直径为3cm，厚度为1cm。

本发明提供的又一优选的一种光纤振动传感器，所述等强度梁上下表面的光纤布拉格光栅为应变光纤布拉格光栅或温补光纤布拉格光栅，上下两支光栅的布拉格波长差0.1纳米。

本发明提供的又一优选的一种光纤振动传感器，所述光纤布拉格光栅和等强度粱采用激光焊接方法固定连接，通过无缝焊接使所述光纤布拉格光栅的应变片或温度补偿片紧密固定在等强度粱上。

本发明提供的又一优选的一种光纤振动传感器，所述等强度梁厚度为1或1.5mm，宽度为15mm,悬挂长度为89mm。

本发明提供的一种输电线路微风振动监测系统，所述监测系统包括依次连接的上述内容中任意一项技术方案的光纤振动传感器、光纤复合架空地线、波长调解装置和主机。

由于采用了上述技术方案，本发明得到的有益效果是：

1、本发明中光纤光栅传感器由于采用光纤布拉格光栅对光信号进行反射测量，在测量现场为无源测量方式，适合于各种气候测量，抗电磁干扰，利于长期监测；克服了现有技术中的在线监测方法为现场有源测量，需要在测量点附近提供电源，有源测量容易受到天气环境、电磁环境及蓄电容量等影响。

2、本发明中的传感器的应用使得该系统采用分布式测量技术，使用一套解调系统对多个微风振动区域进行同时监测，大大降低了系统成本；

3、本发明中使用光纤布拉格光栅对导线振动进行测量，采用的波长解调技术，与光信号强度无关，传输光纤的舞动、接头变化等情况不会对测量造成影响，提高了系统的可靠性和稳定性；

4、本发明的系统在动态测量中，该系统测量精度高、速度快、频率响应好、长期性能稳定；

附图说明

图1为本发明光纤振动传感器的结构示意图；

图2为本发明监测系统示意图；

其中，1-等强度梁，2-固定体，3-接触体，4-光纤座，5-卡具，6-导线，7-光纤布拉格光栅。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-2所示，本例的发明述的光纤振动传感器包括依次连接的等强度梁1和固定体2、等强度梁1和设置在所述导线上的接触体3；所述固定体2通过设置在所述导线6上的卡具5与所述导线6连接，在所述等强度梁1上下表面的垂直于其中轴线上分别对称粘贴一支光纤布拉格光栅7。

所述固定体2设有光纤座4，将所述光纤布拉格光栅7其光纤尾端依次通过所述光纤座4和光纤连接器。

所述等强度梁1为悬臂梁式弹性体等腰三角板，其材料优选为铍青铜，该材料具有屈服强度大，弹性形变范围大，弹性滞后小，耐磨，耐低温，耐腐蚀等优点，这种材料的杨氏模量为128GPa，屈服强度为1000Ma，抗拉强度为1250Ma，相应的弹性应变范围为7812.5微应变，大于光纤布拉格光栅应变范围。过薄的铍青铜容易造成接触体和导线脱离接触，而过薄过窄的铍青铜在不受力的情况下也会发生变形，过厚的铍青铜将会降低传感器灵敏度，因此本实施例中铍青铜的厚度厚度为1-1.5mm，宽度为10-20mm，悬挂长度为89mm；本实施例中所述铍青铜的厚度为1mm，宽度为20mm，悬挂长度为89mm或所述铍青铜的厚度为1.5mm，宽度为10mm，悬挂长度为89mm或所述铍青铜的厚度为1.25mm，宽度为15mm，悬挂长度为89mm。所述固定体2为其径向方向设有凹槽的圆柱体，所述凹槽将固定体2分为上下两部分，所述所述凹槽在所述光纤座4下方，所述等强度梁1将根部底边设置在所述凹槽内，所述等强度梁1顶端通过焊接和接触体3进行固定连接；所述卡具5通过螺栓分别与所述固定体2和导线6垂直连接，所述卡具5为由两个半圆金属环组成的环形结构，所述金属环内部附有绝缘橡胶。

所述的裸光纤布拉格光栅的布拉格波长精确到0.1纳米以下，通过对同波段FBG进行波长挑选，将两个光纤布拉格光栅7（FBG）的初始布拉格波长差控制在0.1纳米以内。

所述的裸光纤布拉格光栅的布拉格波长精确到0.1纳米以下，通过对同波段FBG进行波长挑选，将两个光纤布拉格光栅（FBG）的初始布拉格波长差控制在0.1纳米以内。

所述光纤布拉格光栅7和等强度粱1固定连接采用激光焊接方法，通过无缝焊接使光纤布拉格光栅应变片或温度补偿片紧密固定在等强度粱1上。所述两支光纤布拉格光栅7分别安装在等强度梁1的上下表面，所述上下表面安装的为应变光纤布拉格光栅或温补光纤布拉格光栅，上下两支光栅的布拉格波长差精确到0.1纳米。

所述接触体3为沿其径向方向设置在所述导线6上的圆柱体轮式结构，其材料为铝合金，所述接触体直径为3cm，厚度为1cm，可实现与导线6及等强度梁1的点接触。

本例发明的输电线路微风振动监测系统，所述系统包括光纤振动传感器，所述监测系统包括依次连接的设置在导线6上的光纤振动传感器、设置在输电线塔上的光纤复合架空地线、波长调解装置和主机。

所述光纤振动传感器测量导线微风振动的频率和幅值等情况，所述固定体2设有光纤座4，将所述光纤布拉格光栅7其光纤尾端依次通过所述光纤座4和光纤连接器连接到光纤复合架空地线(OPGW，OpticalFiberCompositeOverhead GroundWire)上。所述光纤复合架空地线OPGW将光纤振动传感器与变电站内的光纤解调装置连接，将测量数据传输到变电站内，在变电站内安装的波长解调装置对光纤布拉格光栅的反射中心波长进行解调，然后将解调出的中心波长值发送给主机。

当导线6发生振动时，垂直导线6方向的振动将导致等强度梁1沿长度方向发生弯曲，等强度梁1通过接触体实现和导线6同步振动，由于接触体3始终和导线6处于接触状态，所述光纤振动传感器测量出来的振动幅值为等强度梁1顶端相对梁的根部底边的相对幅值。由于等强度梁1为应变梁，梁的上下表面处任一点产生的应变相同，导致光纤布拉格光栅的反射波长发生变化，通过对反射波长的解调，进行相应信号处理，可以得微风振动的相对振幅和振动频率数据。

在等强度梁1受力产生形变后，其上下表面粘贴的光纤布拉格光栅7FBG1(FiberBraggGrating)受到拉应变的影响，布拉格波长(Bragggrating wavelength)λ1增大，相对的下表面光纤布拉格光栅7FBG2布拉格波长λ2减小。由于等强度梁1上下表面应变大小相同方向相反，通过在等强度梁1上下表面对称粘贴此种裸光纤布拉格光栅的方法克服了应变与温度交叉影响问题。

由于测量设备和解调设备都为电气测量，在输电线路的强电磁场区域内极易受到电磁干扰的影响；将多个光纤振动传感器分别安装在不同的微风振动监测区域内，使用OPGW将这些光纤振动传感器连接到变电站内的一套光纤光栅解调系统，这样就可以实时监测多个光纤光栅振动传感器的振动状况，分别计算出不同监测区域的微风情况，分布式测量大大降低了系统成本。

本发明的上述实施例的光纤光栅监测系统适合于各种气候测量，抗电磁干扰，利于长期监测；在动态测量中，该系统测量精度高、速度快、频率响应好、长期性能稳定；测量得到的应变通过波长编码实现，光纤光栅振动测量系统不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响；测量灵敏度好、分辨率高；采用分布式测量技术，可以使用一套解调系统对多个微风振动区域进行同时监测，大大降低了系统成本；光纤光栅解调系统由变电站电源系统功能，电源安全稳定。

最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种光纤振动传感器，其特征在于：所述光纤振动传感器包括依次连接的固定体、等强度梁和设置在导线上的接触体；所述固定体通过设置在所述导线上的卡具与所述导线连接，垂直于所述等强度梁上下表面的轴线上均对称设有光纤布拉格光栅；

所述固定体为其径向方向设有凹槽的圆柱体，所述凹槽在所述光纤座下方，所述等强度梁将其底边设置在所述凹槽内；

所述等强度梁为悬臂梁式弹性体等腰三角板，其材料为铍青铜；

所述固定体设有光纤座，将所述光纤布拉格光栅其光纤尾端依次通过所述光纤座和光纤连接器；

所述卡具通过螺栓分别与所述固定体和导线垂直连接，所述卡具为由两个半圆金属环组成，所述金属环内部附有绝缘橡胶；

所述接触体为沿其径向方向设置在所述导线上的圆柱体，其材料为铝合金，所述接触体直径为3cm，厚度为1cm；

所述等强度梁上下表面的光纤布拉格光栅为应变光纤布拉格光栅或温补光纤布拉格光栅，上下两支光栅的布拉格波长差0.1纳米；

所述光纤布拉格光栅和等强度梁采用激光焊接方法固定连接，通过无缝焊接使所述光纤布拉格光栅的应变片或温度补偿片紧密固定在等强度梁上；

所述等强度梁厚度为1或1.5mm，宽度为15mm,悬挂长度为89mm。

2.一种输电线路微风振动监测系统，其特征在于：所述监测系统包括依次连接的权利要求1所述的光纤振动传感器、光纤复合架空地线、波长调解装置和主机。