CN104567707A - 一种电力铁塔塔身结构受力变形的在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种电力铁塔塔身结构受力变形的在线监测系统，包括光纤Bragg光栅应变传感器，光纤Bragg光栅应变传感器通过接线盒引出光纤与光纤光栅解码仪连接，光纤光栅解调仪与上位机连接，上位机与显示器连接；其中光纤光栅解调仪、上位机、显示器设置在变电站主控室内。本发明专利监测系统准确、可靠，更能反映塔身受力变形的复杂情况，可实现实时在线监测。

Description

一种电力铁塔塔身结构受力变形的在线监测系统

技术领域

本发明具体涉及电力铁塔塔身结构受力变形在线监测系统，属光电子测量技术领域。

背景技术

作为电力铁塔的重要组成部分，塔身主材结构具体指塔身立体桁架的四根主要杆件，是电力铁塔受力的主要支撑构件，承受铁塔整体的水平和垂直载荷。由于地震、强风载荷、线路覆冰等自然灾害的影响，塔身主材受力形变会明显增加，将可能发生压坏、拉坏等现象，严重时还会发生倒塔断线事故。2010年谢强等人为研究风荷载下覆冰导线动张力对输电塔结构的动力作用，利用光纤Bragg光栅应变传感器，通过覆冰特高压输电塔分裂导线藕联体系风洞试验测得了导线的动应变，不平衡张力是容易成为输电塔结构破坏的重要原因。2013年黄平平等人通过光纤Bragg光栅应变传感器测试铁塔三条料拉索的应变，计算出铁塔塔顶的摆幅，倾料度误差约1/24000，能够满足铁塔安全报警的要求，可以代替人工定期测试的方法。因此，在电力铁塔的运行使用过程中，迫切需要一套实时、可靠的监测系统对电力铁塔塔身的受力变形情况进行实时监测。

发明内容

本发明的目的是提供电力铁塔塔身结构受力变形的光纤Bragg光栅在线监测系统，其测量准确，更能反映塔身结构受力变形的复杂情况，可以实现实时在线监测。该系统可以提示工作人员对电力铁塔塔身结构受力运行情况进行预防性的调整，可以避免电力铁塔塔身因受力变形增大影响而出现压坏、拉坏等现象。

实现本发明目的所采取的技术方案是：

一种电力铁塔塔身结构受力变形的在线监测系统，本发明特征是：包括光纤Bragg光栅应变传感器，光纤Bragg光栅应变传感器通过接线盒引出光纤与光纤光栅解码仪连接，光纤光栅解调仪与上位机连接，上位机与显示器连接；其中光纤光栅解调仪、上位机、显示器设置在变电站主控室内。

本发明将光纤Bragg光栅应变传感器焊接安装在电力铁塔塔身主材的表面，将塔身结构受力变形的应力转换成光纤Bragg光栅的波长移位，光纤Bragg光栅通过引出光纤与光纤光栅解码仪连接，利用光纤光栅解码仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值。

本发明所述的光纤Bragg光栅应变传感器的最佳测点位于4根电力铁塔塔身主材的表面的1/2处，这样可以有效获得较准确的光纤Bragg光栅的波长移位值。

本发明在线监测系统具体应用在云南楚雄腰站220KV变电站当中。

本发明所使用的光纤Bragg光栅应变传感器的数学模型如下：

当外界轴向应变ε作用于传感器两侧法兰盘时，法兰盘间距变化量ΔL为法兰盘间距L₁与轴向应变之间乘积，即：

ΔL＝L₁×  (1)

法兰盘通过螺纹固定在不锈钢管两端，法兰盘间距变化量与内部不锈钢管伸长量相同，即内部不锈钢管伸长量也为ΔL。

由于内部不锈钢管中间部位管径较小，横截面积小；两侧管径较大，横截面积大，形变主要发生在内部不锈钢管中间部位(长度为L₂)。忽略两侧较粗管径部位不锈钢管的形变，不锈钢管中间细管部位伸长量为ΔL，即：

ΔL＝L₂×'  (2)

其中，'为不锈钢管中间部位应变量。

光纤Bragg光栅经环氧树脂胶固定在内部不锈钢管内，由环氧树脂胶限位堵头控制粘接位置为不锈钢管中间部位两侧，因此，光纤Bragg光栅发生均匀轴向应变为：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\frac{L_1}{L_2}\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

$\mathrm{\Δ\λB}=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)L_1}{L_2}\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

式(4)中，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为波长移位量，P_e＝0.22为有效弹光系数。

可见，通过调整法兰盘距离L₁与内部不锈钢管应变发生部位尺寸L₂之间比例，可以适量增加传感器灵敏度。

本发明的有益效果是：

实现了电力铁塔塔身受力变形的实时在线监测，本测量方法直接将光纤Bragg光栅应变传感器安装在电力铁塔塔身主材的表面，通过将应变传感器受力产生的挠度变化转换成对光纤Bragg光栅的中心波长移位的测量来对塔身受力变形的状态进行实时的在线监测，因此本方法的测量更准确，监测的各项数值更能反映电力铁塔塔身的结构健康状况。

附图说明

图1为本发明FBG应变传感器在电力铁塔塔身上的安装位置及系统搭建原理图。

具体实施方式

下面结合附图1和具体的实施例对本发明进一步地说明。

见图1，一种电力铁塔塔身结构受力变形的在线监测系统，本发明特征是：包括光纤Bragg光栅应变传感器，光纤Bragg光栅应变传感器通过接线盒引出光纤与光纤光栅解码仪连接，光纤光栅解调仪与上位机连接，上位机与显示器连接；其中光纤光栅解调仪、上位机、显示器设置在变电站主控室内。

1.通过焊接安装的方式将4只光纤Bragg光栅应变传感器分别安装于塔身主材2根左平面桁架的表面和2根右平面桁架的表面。

2.将4个通道的引出光纤与接续盒中光缆的纤芯通过熔接的方式相连接，并将接续盒固定于铁塔塔身上。

3.其中4只光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长λ₁＝1527.000nm，λ₂＝1531.000nm，λ₃＝1536.000nm，λ₄＝1540.000nm。

4.将光缆通过埋设的方式引入变电站主控室，再与光纤光栅解调仪相连，从而获取光纤Bragg光栅的中心波长移位量。

5.将光纤光栅解码仪与上位机相连，通过建立的数学模型可计算出塔身主材受力变形的实时应变值，通过显示器显示在屏幕上，达到实时监测的目的。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电力铁塔塔身结构受力变形的在线监测系统，其特征是：包括光纤Bragg光栅应变传感器，光纤Bragg光栅应变传感器通过接线盒引出光纤与光纤光栅解码仪连接，光纤光栅解调仪与上位机连接，上位机与显示器连接；其中光纤光栅解调仪、上位机、显示器设置在变电站主控室内。