CN104121945A - 一种光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统及方法，在线监测系统包括分布式光纤温度与应变解调仪、分布式光纤传感器、计算机系统与信息处理单元，分布式光纤温度与应变解调仪安装在高压输电线路输变电站内，所述的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线内的一根传感光纤，光纤复合架空地线的传感光纤通过变电站内的接口接入分布式光纤温度与应变解调仪，分布式光纤温度与应变解调仪与计算机系统与信息处理单元相连。本发明监测全线各档距的弧垂分布，系统可靠性强；采用在线监测，实时性好、效率高；检测设备主机置于变电站内，受环境影响小；现场无额外的传感器，易维护。

Description

一种光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统及方法

技术领域

本发明属于电力运维领域，特别涉及一种光纤复合架空地线(OpticalFiber Composite Overhead Ground Wire，即OPGW)的分布式弧垂在线监测系统及方法。

背景技术

弧垂测量对于控制线路的安全运行起到很重要的作用，尤其是新架线路经过一段运行时间后，导地线均会有不同程度的下垂，为了安全，就很有必要对弧垂进行观测记录，为电网安全运行提供可靠的数据；如线路的弧垂不符合规定要求，过大或过小都可能因线路应力超过允许值而造成断线接地故障，甚至破坏架设导线的杆塔结构或风吹摆线造成短路，产生电弧、跳闸的事故。因此，导线与地线的弧垂检查也成了线路施工、巡线中非常重要的一部分。

但是现阶段，导地线的弧垂测量基本靠巡线人员根据经验采用肉眼判断，只在特殊时候才会进行观测；虽然也有一些弧垂在线监测方法，但是均需要在线路的每个档距上安装传感器，每个传感器只能监测一个档距的弧垂，这些方式施工复杂、传感器受环境影响容易损坏。

发明内容

本发明的目的为了要解决的上述现有技术存在的问题，提供一种以电力系统基本数据为基础的输电线路的光纤复合架空地线(OPGW)的分布式弧垂在线检测系统及方法，该监测方法无需在OPGW上安装传感器，而是以光纤复合地线作为传感器，通过检测输电线路的应变及温度，并根据OPGW的弧垂分布模型，实现输电线路光纤复合地线全线的弧垂检测。

光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统，包括分布式光纤温度与应变解调仪、分布式光纤传感器、计算机系统与信息处理单元，分布式光纤温度与应变解调仪安装在高压输电线路输变电站内，所述的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线内的一根传感光纤，光纤复合架空地线的传感光纤通过变电站内的接口接入分布式光纤温度与应变解调仪，分布式光纤温度与应变解调仪与计算机系统与信息处理单元相连。所述的光纤复合架空地线内的一根传感光纤为单模光纤。以光纤复合架空地线OPGW内的一根单模光纤作为分布式光纤传感器，无需在输电线路上另外安装传感器。

所述的分布式光纤温度与应变解调仪，原理为向光纤复合架空地线也就是分布式光纤传感器发射脉冲激光信号，光信号在光纤中传播时，受光纤材料的影响会产生后向散射光信号；当OPGW的温度、应变发生变化后，OPGW的弧垂就会发生变化；同时光纤的微结构也会发生变化，导致后向散射光的中心波长会发生偏移；通过检测后向散射光的返回时间就可以计算出温度、应变发生变化的位置。

所述的分布式光纤传感器也就是光纤复合架空地线内的一根单模光纤，利用光纤复合架空地线中的一根单模光纤作为传感器，监测传感器的温度与应变参数。

所述的计算机系统与数据处理单元通过USB接口与分布式光纤温度与应变解调仪连接，接收分布式光纤温度与应变解调仪发送的分布式光纤传感器上各空间位置上的温度与应变信息；并完成存储、管理、计算、显示信息，通过现有相应算法计算出输电线路的弧垂，达到实时监测OPGW弧垂状态的目的。

弧垂指线路上任意一点到悬挂点连线之间的铅垂距离；最大弧垂指架空线在无风气象条件下，垂直平面内档距中央弧垂的最大值。通常电力部门所说的弧垂就是指最大弧垂。在电力系统中，线路的状态方程描述了线路应力随着气象条件变化的规律，在已知某一状态的比载、温度、应力之后(任何线路在初始安装时就会存在一个安装曲线，相当于记录了出初始的比载、温度与应力)，可以利用状态方程计算出其他状态下的应力，进而计算出弧垂等参量。

利用所述的光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统的监测方法，其特征在于按以下步骤进行：1)分布式光纤温度与应变解调仪测量出线路当前的温度t₂与应力σ₂；2)同时根据线路安装时的初始温度t₁、应力σ₁与比载参数γ₁，根据公式(1)计算出线路当前条件下的比载γ₂；3)进而由公式(2)或公式(3)计算出线路的最大弧垂，鉴于分布式光纤温度与应变解调仪测量能测量OPGW的分布式温度与应变，因此能测量出线路上各点的分布式弧垂；4)系统将自动判断线路的弧垂是否正常，若不正常，则进行报警；且无论弧垂正常与否，都将进行下一次的测量。

相邻两个杆塔之间无高差时，状态方程可以表示为式(1)，

${\mathrm{\σ}}_2-\frac{E{\mathrm{\γ}}_2^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_2^2}={\mathrm{\σ}}_1-\frac{E{\mathrm{\γ}}_1^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_1^2}-\mathrm{\σE}(t_2-t_1)---\left(1\right)$

式中，σ₁、σ₂——１、２状态下线路最低点的应力，N/mm²，牛顿/平方毫米；

γ₁、1₂Ｂ——１、２状态下线路的比载，N/(m·ｍｍ^２）；

ｔ_１、ｔ_２——1、2状态下的大气温度，℃；

α——线路的温度膨胀系数，１/℃；

E——线路的弹性系数，N/mm²，牛顿/平方毫米；

l——档距，对于直线杆塔的连续档，则为耐张段的代表档距，m。

相邻两个杆塔无高差时，最大弧垂的计算公式为：

$f_m=\frac{\mathrm{\γ}{l}^2}{8\mathrm{\σ}}---\left(2\right)$

式(2)中，f_m为最大弧垂，γ为线路的自重比载，l为线路的档距，σ？为线路最低点的应力；

相邻两个杆塔之间有高差时，最大弧垂的计算公式为：

$f_m^{\′}=\frac{f_m}{\cos \mathrm{\β}}---\left(3\right)$

式(3)中，β为两悬挂点连线与水平线的夹角。

分布式光纤传感器中的传感元件仅为光纤，分布式光纤温度与应变解调仪可以在极短时间内完成整体线路的OPGW在空间上的温度分布及应力分布，空间分辨率甚至可以精确到数米量级。通过分布式光纤温度与应变解调仪获取的温度与应变参数、输电线路基础参数就可以通过公式(1)、(2)、(3)计算出OPGW的弧垂分布。本方法可以高效获取OPGW沿线路的弧垂分布特征，并实现在线监测；无需现场安装传感器，极大提高弧垂测量的效率。

本发明使用OPGW中的一根单模光纤作为传感器，解决了现有弧垂监测系统需要现场安装大量传感器甚至需要现场供电的问题；可以监测全线各档距的弧垂分布，系统可靠性强；采用在线监测技术，实时性好、效率高；检测设备主机置于变电站内，受环境影响小；现场无额外的传感器，易维护。该技术智能化程度高，便于计算机编程诊断，能够极大的减少人力、财力、时间成本，具有重要的经济价值和社会价值。

本发明的有益效果是：

本发明所述的分布式弧垂在线监测方法，可以依据从电网的各数据系统中获取的线路基础信息(初始安装曲线、线路参数等)，并根据本方法获取的输电线路温度与应变参数，基于弧垂计算公式，实现输电线路的分布式弧垂在线监测。当弧垂超过正常运行的阈值时，报警提示工作人员进行线路整改。

附图说明

图1是本发明的方法步骤流程图；

图2是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统，包括分布式光纤温度与应变解调仪、分布式光纤传感器、计算机系统与信息处理单元，其特征在于：分布式光纤温度与应变解调仪安装在高压输电线路输变电站内，所述的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线内的一根传感光纤，光纤复合架空地线的传感光纤通过变电站内的接口接入分布式光纤温度与应变解调仪，分布式光纤温度与应变解调仪与计算机系统与信息处理单元相连。所述的光纤复合架空地线内的一根传感光纤为单模光纤。所述的计算机系统与数据处理单元通过USB接口与分布式光纤温度与应变解调仪连接，接收分布式光纤温度与应变解调仪发送的分布式光纤传感器上各空间位置上的温度与应变信息；并完成存储、管理、计算及信息显示，通过现有现有算法计算出输电线路的弧垂。

分布式光纤温度与应变解调仪向光纤复合架空地线内的一根单模光纤中发射脉冲激光信号，光信号在光纤中传播时，受光纤材料的影响会产生后向散射光信号。当OPGW的温度、应变发生变化后，OPGW的弧垂就会发生变化；同时光纤的微结构也会发生变化，导致后向散射光的中心波长会发生偏移；解调仪通过检测后向散射光的返回时间就可以计算出温度、应变发生变化的位置，并解调出沿线各位置的温度与应变大小。分布式光纤温度与应变解调仪将获取的温度与应变数据及其位置信息通过USB接口传输给计算机系统及信息处理单元，进行OPGW的弧垂计算，并完成数据的存储、管理、计算、结果显示、异常报警等，达到实时监测OPGW弧垂状态的目的。

如图1所示：利用所述的光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统的监测方法，其特征在于按以下步骤进行：1)分布式光纤温度与应变解调仪测量出线路当前的温度t₂与应力σ₂；2)同时根据线路安装时的初始温度t₁、应力σ₁与比载参数γ₁，根据公式(1)计算出线路当前条件下的比载γ₂；3)进而由公式(2)或公式(3)计算出线路的最大弧垂，鉴于分布式光纤温度与应变解调仪测量能测量OPGW的分布式温度与应变，因此能测量出线路上各点的分布式弧垂；4)计算机系统将自动判断线路的弧垂是否正常，若不正常，则进行报警；且无论弧垂正常与否，都将进行下一次的测量；

相邻两个杆塔之间无高差时，状态方程可以表示为式(1)，

${\mathrm{\σ}}_2-\frac{E{\mathrm{\γ}}_2^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_2^2}={\mathrm{\σ}}_1-\frac{E{\mathrm{\γ}}_1^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_1^2}-\mathrm{\σE}(t_2-t_1)---\left(1\right)$

式中，σ₁、σ₂——1、2状态下线路最低点的应力，N/mm²，牛顿/平方毫米；

γ₁、γ₂——1、2状态下线路的比载，Ｎ/(m·mm²)；

t₁、t₂——1、2状态下的大气温度，℃；

α——线路的温度膨胀系数，1/℃；

E——线路的弹性系数，N/mm²，牛顿/平方毫米；

l——档距，对于直线杆塔的连续档，则为耐张段的代表档距，m。

相邻两个杆塔无高差时，最大弧垂的计算公式为：

$f_m=\frac{\mathrm{\γ}{l}^2}{8\mathrm{\σ}}---\left(2\right)$

式(2)中，t^m为最大弧垂，γ为线路的自重比载，l为线路的档距，σ为线路最低点的应力；

相邻两个杆塔之间有高差时，最大弧垂的计算公式为：

$f_m^{\′}=\frac{f_m}{\cos \mathrm{\β}}---\left(3\right)$

式(3)中，β为两悬挂点连线与水平线的夹角。

分布式光纤传感器中的传感元件仅为光纤，分布式光纤温度与应变解调仪可以在极短时间内完成整体线路的OPGW在空间上的温度分布及应力分布，空间分辨率甚至可以精确到数米量级。通过分布式光纤温度与应变解调仪获取的温度与应变参数、输电线路基础参数就可以通过公式(1)、(2)、(3)计算出OPGW的弧垂分布。本方法可以高效获取OPGW沿线路的弧垂分布特征，并实现在线监测；无需现场安装传感器，极大提高弧垂测量的效率。

Claims (4)

1.光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统，包括分布式光纤温度与应变解调仪、分布式光纤传感器、计算机系统与信息处理单元，其特征在于：分布式光纤温度与应变解调仪安装在高压输电线路输变电站内，所述的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线内的一根传感光纤，光纤复合架空地线的传感光纤通过变电站内的接口接入分布式光纤温度与应变解调仪，分布式光纤温度与应变解调仪与计算机系统与信息处理单元相连。

2.根据权利要求1所述的光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统，其特征在于：所述的光纤复合架空地线内的一根传感光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统，其特征在于：所述的计算机系统与数据处理单元通过USB接口与分布式光纤温度与应变解调仪连接，接收分布式光纤温度与应变解调仪发送的分布式光纤传感器上各空间位置上的温度与应变信息；并完成存储、管理、计算及信息显示，通过现有相应算法计算出输电线路的弧垂。

4.利用根据权利要求1－3之一所述的光纤复合架空地线的分布式弧垂在线监测系统的监测方法，其特征在于按以下步骤进行：1)分布式光纤温度与应变解调仪测量出线路当前的温度t₂与应力σ₂；2)同时根据线路安装时的初始温度t₁、应力σ₁与比载参数γ₁，根据公式(1)计算出线路当前条件下的比载γ₂；3)进而由公式(2)或公式(3)计算出线路的最大弧垂，鉴于分布式光纤温度与应变解调仪测量能测量OPGW的分布式温度与应变，因此能测量出线路上各点的分布式弧垂；4)计算机系统将自动判断线路的弧垂是否正常，若不正常，则进行报警；且无论弧垂正常与否，都将进行下一次的测量；

相邻两个杆塔之间无高差时，状态方程可以表示为式(1)，

${\mathrm{\σ}}_2-\frac{E{\mathrm{\γ}}_2^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_2^2}={\mathrm{\σ}}_1-\frac{E{\mathrm{\γ}}_1^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_1^2}-\mathrm{\σE}(t_2-t_1)---\left(1\right)$

式中，σ₁、σ₂——1、2状态下线路最低点的应力，N/mm²；

γ₁、γ₂——1、2状态下线路的比载，N/(m·mm²)；

t₁、t₂——1、2状态下的大气温度，℃；

α——线路的温度膨胀系数，1/℃；

E——线路的弹性系数，N/mm²；

l——档距，对于直线杆塔的连续档，则为耐张段的代表档距，m。

相邻两个杆塔无高差时，最大弧垂的计算公式为：

$f_m=\frac{\mathrm{\γ}{l}^2}{8\mathrm{\σ}}---\left(2\right)$

式(2)中，f_m为最大弧垂，γ为线路的自重比载，l为线路的档距，σ为线路最低点的应力；

相邻两个杆塔之间有高差时，最大弧垂的计算公式为：

$f_m^{\′}=\frac{f_m}{\cos \mathrm{\β}}---\left(3\right)$

式(3)中，β为两悬挂点连线与水平线的夹角。