CN105783756A - 基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，包括监控中心和与监控中心依次连接的变电站和监测终端；监测终端包括若干个光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器通过OPGW与站内光纤光栅解调仪连接，与光纤光栅解调仪连接的还有光纤光栅倾斜传感器组，光纤光栅倾斜传感器组通过OPGW与站内光纤光栅解调仪连接；光纤光栅解调仪与检测主机连接，监测主机还与微气象传感器连接；解决了现有的检测方法在铁塔发生微小形变时无法准确监测到的问题。本发明还公开了基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法。

Description

基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置及方法

技术领域

本发明属于输变电设备状态监测领域，涉及一种基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，本发明还涉及该监测装置的监测方法。

背景技术

在运行线路的建设过程中，输电线路不可避免地经过软土质地区、山坡、河床等特殊地带，加上飓风、覆冰、地震等自然因素和各种人为因素的影响，很容易使铁塔发生形变，引起绝缘子串和地线线夹迈步，电气安全距离不够等问题，当问题扩大时容易造成跳闸、倒塔断线等事故。铁塔形变属于典型的“隐形故障”，往往不能被及时发现，当发现铁塔形变时输电线路已处于危险状态。

现有的用倾角传感器测量输电线路铁塔形变程度的方法是将铁塔作为刚体来进行研究，采用倾角传感器测量铁塔倾斜度，以得到的综合倾斜度评价铁塔的运行情况。但实际中铁塔结构存在宏观形变和微观形变，当铁塔发生微小形变时现有方法并不能准确监测到形变状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，解决了现有的检测方法在铁塔发生微小形变时无法准确监测到的问题。

本发明的技术方案是，基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，包括监控中心和与监控中心依次连接的变电站和监测终端；监测终端包括若干个光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器通过OPGW与站内光纤光栅解调仪连接，与光纤光栅解调仪连接的还有光纤光栅倾斜传感器组，光纤光栅倾斜传感器组通过OPGW与站内光纤光栅解调仪连接；光纤光栅解调仪与检测主机连接，监测主机还与微气象传感器连接；监测主机通过GSM/GPRS/3G/4G网络与监控中心进行数据传输。

本发明的特点还在于，

若干光纤光栅应变传感器设置在铁塔承力关键点处。

光纤光栅倾斜传感器组包括两个分别设置在铁塔中心线2/3高度处的和铁塔顶端的光纤光栅倾斜传感器。

本发明的另一目的是提供基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法。

本发明的另一技术方案是，基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法，具体按照以下步骤实施，

步骤1，装置系统的调试和初始化，

步骤2，等待定时时间，

步骤3，利用传感器采集各项数据，

步骤4，由解调仪进行数据分析，

步骤5，电信号传输至监测主机后，由监测主机计算出铁塔横向倾斜角和顺线倾斜角，并由横向倾斜角和顺线倾斜角计算出横向倾斜度、顺线倾斜度并得到综合倾斜度，

步骤6，综合倾斜度和应变值数据传输至监控中心后，由监控中心判断其是否超出阈值，如果超出阈值则报警，如果未超出阈值，返回步骤2，进行下一次的监测。

本发明的特征还在于，

步骤3中具体采集的数据包括由倾斜角度变化引起的中心波长变化量和由应变引起的中心波长变化量。

步骤3具体为：当铁塔发生形变时，钟摆式光纤光栅倾斜传感器中光纤的反射波长会发生变化，由反射波长的变化可得到铁塔的倾斜角度。所用光纤光栅应变传感器是将光纤光栅附着在弹性应变片上，当应变片受到压力时光纤光栅与应变片一起发生形变，导致光纤光栅中心波长发生变化，通过监测中心波长变化量即可得到应变值。由铁塔形变引起的角度变化和应力变化由光纤光栅倾斜传感器和光纤光栅应变传感器采集，并以光的形式发送到站内光纤光栅解调仪。

步骤4的具体步骤为：

站内光纤光栅解调仪将倾斜传感器和应变传感器发送来的光信号进行解调，分析出各传感器监测到的各中心波长变化量，然后将中心波长变化量以电信号输出至监测主机。

步骤5具体为：

光纤光栅倾斜传感器工作时，由倾斜引起的传感器表面应变与两光纤光栅总位移量有如下关系：

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{Ebh}}^2\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{12(1-P_e){\mathrm{mgL\λ}}_0}---\left(1\right)$

其中，Δλ为两光纤光栅的中心波长位移量，λ₀为入射光的中心波长，P_e为光纤材料的光弹系数，m为摆锤的质量，L为等强度梁的长度，E为材料的弹性模量，b为梁的宽度，h为梁的厚度。

监测主机由上式可分别计算出铁塔2/3处及顶部的顺线及横向倾斜角，分别记为θ_h1、θ_h2、θ_v1、θ_v2，通过空间直角坐标系由监测主机根据下式计算出顺线倾斜度TG_x，横向倾斜度TG_y，最终得到综合倾斜度TG：

${\mathrm{TG}}_x=\frac{L_{1}sin\left({\mathrm{\θ}}_{h1}\right)+L_2\sin \left({\mathrm{\θ}}_{h2}\right)}{L_1+L_2}---\left(2\right)$

${\mathrm{TG}}_y=\frac{L_{1}sin\left({\mathrm{\θ}}_{v1}\right)+L_2\sin \left({\mathrm{\θ}}_{v2}\right)}{L_1+L_2}---\left(3\right)$

$TG=\sqrt{({\mathrm{TG}}_x{\mathrm{TG}}_x+{\mathrm{TG}}_y{\mathrm{TG}}_y)}---\left(4\right)$

其中，θ_h1为倾斜传感器1顺线倾斜角度，θ_v1为倾斜传感器1横向倾斜角度，θ_h2为倾斜传感器2顺线倾斜角度，θ_v2为倾斜传感器2横向倾斜角度，L₁为2/3铁塔高度，L₂为铁塔2/3处至塔顶的高度。

光纤光栅应变传感器工作时，利用(5)式可计算出由应力引起的布拉格反射波长，根据中心波长位移量Δλ_ε，可最终由式(6)得到应变值Δε：

λ_Β＝2n_effΛ(5)

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\mathrm{\ϵ}}{(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B}---\left(6\right)$

式中，n_eff为光纤基模在布拉格波长上的有效折射率，Λ为光栅的周期，Δλ_ε为应变变化引起的波长位移，P_e为光纤的弹光系数，Δε为应变值。

最终，监测主机以得到的综合倾斜度最为监测铁塔发生宏观形变的依据，以应变值作为监测铁塔发生微观形变的依据。并将得到的综合倾斜度和应变值经GSM/GPRS/3G/4G传输至监控中心。

本发明的有益效果是，本发明通过光纤光栅倾斜传感器和光纤光栅应变传感器配合工作，能够更加准确地测量出输电线路铁塔倾斜程度及应变大小，进而实现对铁塔形变的监测。不仅能实时监测铁塔的倾斜度和应变大小，还能在监测值超出阀值时发出预警信息，这也是本发明的一大突出。由于光纤光栅不受电磁干扰，与现有方法相比本发明能够在恶劣电磁环境下可靠运行。

附图说明

图1是本发明基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的整体结构示意图；

图2是本发明的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的模块结构示意图；

图3是本发明基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置中的光纤光栅倾斜传感器安装示意图；

图4是本发明的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法流程图软件实现过程。

图中，1.监控中心，2.监测主机，3.光纤光栅解调仪，4.光纤光栅倾斜传感器组，5.光纤光栅应变传感器，6.微气象传感器，7.变电站，8.监测终端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，如图1所示，包括监控中心1和与监控中心1依次连接的变电站7和监测终端8。

监测终端8包括若干个光纤光栅应变传感器5，光纤光栅应变传感器5通过OPGW与站内光纤光栅解调仪3连接，

与站内光纤光栅解调仪3连接的还有光纤光栅倾斜传感器4，光纤光栅倾斜传感器组4通过OPGW与站内光纤光栅解调仪3连接；

光纤光栅解调仪3与检测主机2连接，监测主机2还与微气象传感器6连接；

监测主机通过GSM/GPRS/3G/4G网络与监控中心进行数据传输。

若干光纤光栅应变传感器5设置在铁塔承力关键点处。

每个光纤光栅倾斜传感器组4包括两个分别设置在铁塔中心线2/3高度处的和铁塔顶端的光纤光栅倾斜传感器；

光纤光栅倾斜传感器为钟摆式光纤光栅倾斜传感器，该传感器的测量范围为-10°～10°，误差为±0.04°，满足相关规范要求。

本发明的装置的工作过程是，安装在铁塔中心线2/3高度处及铁塔顶端的光纤光栅倾斜传感器通过OPGW与光纤光栅解调仪连接，安装在铁塔承力关键点处的光纤光栅应变传感器同样通过OPGW与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅解调仪将由倾斜和应变引起的反射中心波长变化量分别解析后，通过RS485发送到监测主机。监测主机通过中心波长变化量分别计算出倾斜传感器的角度变化和应变传感器的应变大小，再通过铁塔倾斜模型计算出铁塔的顺线倾斜度、横向倾斜度和综合倾斜度，最终通过GSM/GPRS/3G/4G将数据传输至监控中心。监控中心同时考虑铁塔应变变化大小及铁塔倾斜度，判断是否超出安全阀值，从而决定是否报警，具体的监测方法流程见图4。

本发明提出一种应变传感器与倾斜传感器相结合的测量方法，通过实时在线监测铁塔倾斜应变前后光纤光栅中心波长的变化量来计算获取铁塔倾斜度和铁塔应变大小等参数，数据传输至监控中心并由专家软件对这些信息进行统计、分析和存储，当监测值超出阀值时系统会及时发出预警信息。

角度的测量是通过分别安装在铁塔中心线距地面2/3高度处和铁塔顶端处的两组光纤光栅倾斜传感器来完成，每组中包含两个互相垂直放置的光纤光栅倾斜传感器。

本发明基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法，如图4所示，具体按照以下步骤实施，

步骤1，装置系统的调试和初始化，

步骤2，等待定时时间，

步骤3，利用传感器采集各项数据，

具体采集的数据包括由倾斜角度变化引起的中心波长变化量和由应变引起的中心波长变化量。

当铁塔发生形变时，钟摆式光纤光栅倾斜传感器中光纤的反射波长会发生变化，由反射波长的变化可得到铁塔的倾斜角度。所用光纤光栅应变传感器是将光纤光栅附着在弹性应变片上，当应变片受到压力时光纤光栅与应变片一起发生形变，导致光纤光栅中心波长发生变化，通过监测中心波长变化量即可得到应变值。由铁塔形变引起的角度变化和应力变化由光纤光栅倾斜传感器和光纤光栅应变传感器采集，并以光的形式发送到站内光纤光栅解调仪。

步骤4，由解调仪进行数据分析，具体步骤为：

站内光纤光栅解调仪将倾斜传感器和应变传感器发送来的光信号进行解调，分析出各传感器监测到的各中心波长变化量，然后将中心波长变化量以电信号输出至监测主机。

步骤5，电信号传输至监测主机后，由监测主机计算出铁塔横向倾斜角和顺线倾斜角，并由横向倾斜角和顺线倾斜角计算出横向倾斜度、顺线倾斜度并得到综合倾斜度，具体步骤为：

光纤光栅倾斜传感器工作时，由倾斜引起的传感器表面应变与两光纤光栅总位移量有如下关系：

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{Ebh}}^2\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{12(1-P_e){\mathrm{mgL\λ}}_0}---\left(1\right)$

其中，Δλ为两光纤光栅的中心波长位移量，λ₀为入射光的中心波长，P_e为光纤材料的光弹系数，m为摆锤的质量，L为等强度梁的长度，E为材料的弹性模量，b为梁的宽度，h为梁的厚度。

监测主机由上式可分别计算出铁塔2/3处及顶部的顺线及横向倾斜角，如图3所示，分别记为θ_h1、θ_h2、θ_v1、θ_v2，通过空间直角坐标系由监测主机根据下式计算出顺线倾斜度TG_x，横向倾斜度TG_y，最终得到综合倾斜度TG：

${\mathrm{TG}}_x=\frac{L_{1}sin\left({\mathrm{\θ}}_{h1}\right)+L_2\sin \left({\mathrm{\θ}}_{h2}\right)}{L_1+L_2}---\left(2\right)$

${\mathrm{TG}}_y=\frac{L_{1}sin\left({\mathrm{\θ}}_{v1}\right)+L_2\sin \left({\mathrm{\θ}}_{v2}\right)}{L_1+L_2}---\left(3\right)$

$TG=\sqrt{({\mathrm{TG}}_x{\mathrm{TG}}_x+{\mathrm{TG}}_y{\mathrm{TG}}_y)}---\left(4\right)$

其中，θ_h1为倾斜传感器1顺线倾斜角度，θ_v1为倾斜传感器1横向倾斜角度，θ_h2为倾斜传感器2顺线倾斜角度，θ_v2为倾斜传感器2横向倾斜角度，L₁为2/3铁塔高度，L₂为铁塔2/3处至塔顶的高度。

光纤光栅应变传感器工作时，利用(5)式可计算出由应力引起的布拉格反射波长，根据中心波长位移量Δλ_ε，可最终由式(6)得到应变值Δε：

λ_Β＝2n_effΛ(5)

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{\ϵ}}}{(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B}---\left(6\right)$

式中，n_eff为光纤基模在布拉格波长上的有效折射率，Λ为光栅的周期，Δλ_ε为应变变化引起的波长位移，P_e为光纤的弹光系数，Δε为应变值。

最终，监测主机以得到的综合倾斜度最为监测铁塔发生宏观形变的依据，以应变值作为监测铁塔发生微观形变的依据。并将得到的综合倾斜度和应变值经GSM/GPRS/3G/4G传输至监控中心。

步骤6，综合倾斜度和应变值数据传输至监控中心后，由监控中心判断其是否超出阈值，如果超出阈值则报警，如果未超出阈值，返回步骤2，进行下一次的监测。

本发明的方法，能够通过测量输电线路铁塔的倾斜程度及应变大小来实时监测铁塔形变。一方面通过光纤光栅倾斜传感器，实时采集由角度变化引起的中心波长变化，另一方面通过光纤光栅应变传感器实时采集由应变引起的中心波长变化，由光纤光栅解调仪分析出中心波长的变化，并由站内监测主机计算出铁塔的倾斜角度、倾斜度及应变值，并将数据实时发送到监控中心，以便及时获取铁塔的运行情况。此方法为输电线路铁塔形变在线监测研究提供了一种新的思路。

该技术通过光纤光栅倾斜传感器和光纤光栅应变传感器中心波长的变化，实时监测铁塔倾斜度和铁塔应变大小，进而反映铁塔形变程度，及时发现铁塔存在的安全隐患，提前采取应对措施，保证铁塔安全正常工作。

Claims (9)

1.基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，其特征在于，包括监控中心(1)和与监控中心(1)依次连接的变电站(7)和监测终端(8)；所述的监测终端(8)包括若干个光纤光栅应变传感器(5)，所述的光纤光栅应变传感器(5)通过OPGW与站内光纤光栅解调仪(3)连接，与光纤光栅解调仪(3)连接的还有光纤光栅倾斜传感器组(4)，光纤光栅倾斜传感器组(4)通过OPGW与站内光纤光栅解调仪(3)连接；所述的光纤光栅解调仪(3)与检测主机(2)连接，所述的监测主机(2)还与微气象传感器(6)连接；所述的监测主机通过GSM/GPRS/3G/4G网络与监控中心进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，其特征在于，所述的若干光纤光栅应变传感器(5)设置在铁塔承力关键点处。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，其特征在于，所述的光纤光栅倾斜传感器组(4)包括两个分别设置在铁塔中心线2/3高度处的和铁塔顶端的光纤光栅倾斜传感器。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置，所述的光纤光栅倾斜传感器组(4)中的两个光纤光栅倾斜传感器为钟摆式光纤光栅倾斜传感器，该传感器的测量范围为-10°～10°，误差为±0.04°。

5.一种如权利要求1所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施，

步骤1，装置系统的调试和初始化，

步骤2，等待定时时间，

步骤3，利用传感器采集各项数据，

步骤4，由解调仪进行数据分析，

步骤5，电信号传输至监测主机后，由监测主机计算出铁塔横向倾斜角和顺线倾斜角，并由横向倾斜角和顺线倾斜角计算出横向倾斜度、顺线倾斜度并得到综合倾斜度，

步骤6，综合倾斜度和应变值数据传输至监控中心后，由监控中心判断其是否超出阈值，如果超出阈值则报警，如果未超出阈值，返回步骤2，进行下一次的监测。

6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述的步骤3中具体采集的数据包括由倾斜角度变化引起的中心波长变化量和由应变引起的中心波长变化量。

7.根据权利要求5或6所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：当铁塔发生形变时，钟摆式光纤光栅倾斜传感器中光纤的反射波长会发生变化，由反射波长的变化可得到铁塔的倾斜角度。所用光纤光栅应变传感器是将光纤光栅附着在弹性应变片上，当应变片受到压力时光纤光栅与应变片一起发生形变，导致光纤光栅中心波长发生变化，通过监测中心波长变化量即可得到应变值，由铁塔形变引起的角度变化和应力变化由光纤光栅倾斜传感器和光纤光栅应变传感器采集，并以光的形式发送到站内光纤光栅解调仪。

8.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述的步骤4的具体步骤为：

站内光纤光栅解调仪将倾斜传感器和应变传感器发送来的光信号进行解调，分析出各传感器监测到的各中心波长变化量，然后将中心波长变化量以电信号输出至监测主机。

9.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述的步骤5具体为：

光纤光栅倾斜传感器工作时，由倾斜引起的传感器表面应变与两光纤光栅总位移量有如下关系：

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{Ebh}}^2\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{12(1-P_e){\mathrm{mgL\λ}}_0}---\left(1\right)$

其中，Δλ为两光纤光栅的中心波长位移量，λ₀为入射光的中心波长，P_e为光纤材料的光弹系数，m为摆锤的质量，L为等强度梁的长度，E为材料的弹性模量，b为梁的宽度，h为梁的厚度；

监测主机由上式可分别计算出铁塔2/3处及顶部的顺线及横向倾斜角，分别记为θ_h1、θ_h2、θ_v1、θ_v2，通过空间直角坐标系由监测主机根据下式计算出顺线倾斜度TG_x，横向倾斜度TG_y，最终得到综合倾斜度TG：

${\mathrm{TG}}_x=\frac{L_{1}sin\left({\mathrm{\θ}}_{h1}\right)+L_2\sin \left({\mathrm{\θ}}_{h2}\right)}{L_1+L_2}---\left(2\right)$

${\mathrm{TG}}_y=\frac{L_{1}sin\left({\mathrm{\θ}}_{v1}\right)+L_2\sin \left({\mathrm{\θ}}_{v2}\right)}{L_1+L_2}---\left(3\right)$

$TG=\sqrt{({\mathrm{TG}}_x{\mathrm{TG}}_x+{\mathrm{TG}}_y{\mathrm{TG}}_y)}---\left(4\right)$

其中，θ_h1为倾斜传感器1顺线倾斜角度，θ_v1为倾斜传感器1横向倾斜角度，θ_h2为倾斜传感器2顺线倾斜角度，θ_v2为倾斜传感器2横向倾斜角度，L₁为2/3铁塔高度，L₂为铁塔2/3处至塔顶的高度；

光纤光栅应变传感器工作时，利用(5)式可计算出由应力引起的布拉格反射波长，根据中心波长位移量Δλ_ε，可最终由式(6)得到应变值Δε：

λ_Β＝2n_effΛ(5)

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{\ϵ}}}{(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B}---\left(6\right)$

式中，n_eff为光纤基模在布拉格波长上的有效折射率，Λ为光栅的周期，Δλ_ε为应变变化引起的波长位移，P_e为光纤的弹光系数，Δε为应变值；

最终，监测主机以得到的综合倾斜度最为监测铁塔发生宏观形变的依据，以应变值作为监测铁塔发生微观形变的依据，并将得到的综合倾斜度和应变值经GSM/GPRS/3G/4G传输至监控中心。