CN106225826A - 一种高压输电线路覆冰状态监测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压输电线路覆冰状态监测设备，其特征在于，所述高压输电线路覆冰状态监测设备包括：第一支架、第二支架、光源、光纤温度传感器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、全息衍射光栅、聚焦透镜、成像装置、信号发射装置、覆冰状态监测服务器。本发明的用于高压输电线路的覆冰状况监测设备采用了与现有监测状况不同的监测原理。现有的覆冰状况监测要么通过红外方式要么通过光纤栅格距离受温度影响的变化进行温度监测。而本发明另辟蹊径，基于光纤传感器所测得的温度以及温度梯度来进行覆冰状况的监测。本发明的监测设备准确度更高、不受风力或其他外力的影响，能够更准确地反映出覆冰情况。

Description

一种高压输电线路覆冰状态监测设备及方法

技术领域

本发明涉及电力系统的安全保障领域，具体涉及一种用于对高压带电线路的覆冰状态进行监测的设备。

背景技术

电力系统的设备是国民经济的重要基础设施，是能源资源优化配置的重要手段。我国的资源分布，石油煤炭水利等资源主要集中在中西部地区，经济发达的东部沿海地区则资源相对较匮乏，为改变我国发电资源分布与用电负荷分布极不均衡的状况，解决我国电力的供需矛盾，我国政府推出了“西电东送”的战略性工程，实现资源的优化配置。

目前，西电东送已经进入了全面建设阶段，形成了北、中、南三大送电通道。全国各大区域电网之间的联网线路已形成“三交三直六条联网线路”的格局。西电东送、南北互供、全国联网的格局已经初步形成。

这种远距离的电力输送离不开高压输电线路，高压输电线路作为电力系统中至关重要的组成部分，其运行的安全性越来越受到电力系统运行、管理和科研人员的密切关注。

输电线路环境监测是通过建立专门的环境监测站跟踪监测输电线路所处地区气象要素的变化，实时向环境监测总站传送气候监测资料以及气候特征分析、气候灾害评价等综合分析报告，这些信息和成果有助于决策部门及时了解气候状况的变化，为及时采取防灾减灾措施，保障输电线路的运行安全提供科学依据。监测结果对判断分析线路所处环境的恶劣程度及指导运行部门进行外绝缘配置都具有重要意义，同时大气环境监测系统容易实现，便于实际应用。

目前国内常用的高压带电设备测温方式主要有接触测温法与红外测温法。传统的接触测温法主要利用热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等传感器件与带电体直接接触，然后使用金属导线将信号引出，尽管这种方 法测量精度较高，但由于电力设备的测温点往往有很高的电压，致使传感器件之间的绝缘问题难以解决，影响系统的稳定性。红外测温法主要利用被测触点的温度变化引起红外辐射变化，通过采集该测点表面的红外辐射，并送往红外解调装置进行解调，最后经过计算实现温度的测量，该方法需要手持式红外热成像仪或点测仪进行人工在线测量，不能满足现代数字化电力系统的要求，且易受环境中的灰尘污染及周围的电磁场干扰，测量误差大，准确度低，特别是无法监测高压电器封闭内接点的温度，不能进行实时在线监测

“西电东送”工程中长距离的输电线路大多需要穿越高海拔、多积雪、重覆冰的地区，这些地区的地形地况复杂，遭遇线路覆冰的概率非常高；特别是我国南方地区冬季由于湿度大，容易出现线路覆冰的现象。对于覆冰，仅仅监测温度是不够的。输电线路覆冰严重威胁电网的安全运行，概括起来，导线覆冰事故主要分为以下几类：过负载事故；绝缘子冰闪事故；不均匀覆冰或不同期脱冰事故；导线非均匀覆冰时，线路易发生舞动，产生舞动事故；由于舞动的幅度大，持续时间长，容易引起相间闪络，损坏地线、导线、金具等部件，导致线路跳闸停电、断线、倒塔等严重事故。

发明内容

因此，如果能够实时地监控高压输电线路中的覆冰情况，及时根据覆冰情况采取相应措施，将能够为保障电力安全提供有力地支撑。

因此，本发明提出了一种高压输电线路覆冰状态监测设备，其特征在于，所述高压输电线路覆冰状态监测设备包括：第一支架、第二支架、光源、光纤温度传感器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、全息衍射光栅、聚焦透镜、成像装置、信号发射装置、覆冰状态监测服务器。

进一步地，所述覆冰状态监测服务器安装在电力监控中心，所述高压输电线路覆冰状态监测设备中的其他设备安装在高压输电线路上，所述高压输电线路至少包括第一高压输电塔和第二高压输电塔；

所述第一支架安装在第一高压输电塔上，所述光源、所述第一光纤耦合器以及所述传输光纤的第一端固定在所述第一支架上；

所述第二支架安装在第二高压输电塔上，所述第二光纤耦合器、所述 全息衍射光栅、所述聚焦透镜、所述成像装置和所述信号发射装置固定在所述第二支架上；

所述光源与所述光纤温度传感器通过所述第一光纤耦合器耦合在一起，所述光源发出预定波长的单色光，并且将所发出的单色光通过所述光纤耦合器输入至所述光纤温度传感器中；

所述光纤温度传感器的另一端与所述第二光纤耦合器耦合，从所述光纤温度传感器输出的光入射至所述全息衍射光纤；

所述全息衍射光栅对来自所述光纤温度传感器的光进行衍射分光，以将不同波长的光进行分离；

所述聚焦成像透镜将分离出的各束单色光分别聚焦到所述成像装置上；

所述成像装置分别生成针对各个单色光束的信号，并且将所生成的信号通过所述信号发射器发送至所述覆冰状态监测服务器；

所述覆冰状态监测服务器基于所述信号确定所述光纤温度传感器测得温度，并且基于所述温度判断相应高压输电线路是否覆冰。

进一步地，所述覆冰状态监测服务器包括定时器，所述定时器每隔10s触发所述覆冰状态监测服务器计算一次所述光纤温度传感器测得的温度。

进一步地，所述光纤温度传感器沿所述高压输电线路的地线，与所述地线平行设置。

进一步地，所述高压输电线路覆冰状态监测设备还包括第三支架，所述第三支架设置于所述光纤光栅所在位置的上方，一端固定在高压输电线路上，另一端固定在所述光纤光栅的外侧。

进一步地，所述高压输电线路覆冰状态监测设备包括一台覆冰状态监测服务器和多个光纤温度传感器。

进一步地，所述光纤温度传感器为光纤布拉格光栅温度传感器。

另一方面，本发明提供一种利用所述的高压输电线路覆冰状态监测设备进行高压输电线路覆冰状态监测的方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)利用所述光源发出单色光；

(2)将所述光源发出的单色光输送至所述光纤温度传感器；

(3)利用所述光纤温度传感器中的光栅对所述单色光进行衍射；

(4)将经过衍射的光输出至所述全息衍射光栅，利用所述全息衍射光栅进行衍射分光；

(5)利用所述聚焦透镜对分光后的各单色光进行分别聚焦；

(6)利用所述成像装置对聚焦后的单色光进行采集；

(7)基于所采集到的光的光谱确定所述光纤温度传感器的温度；

(8)计算所述光纤温度传感器处的温度判断所述输电线路的覆冰状况。

基于温度梯度来进行覆冰状况的监测主要是因为，输电线路一旦覆冰之后，其温度变化的速度将会减慢。因此，在一种优选实现方式中，对不同的时间点以及室外平均温度设定温度梯度阈值，一旦温度梯度小于温度梯度阈值，则发出覆冰预警。

考虑到室外温度本身也存在温度梯度比较平稳的时候，在另一种优选实现方式中，在高压输电线路上，设置参考测量点，在参考测量点处，设置干燥箱，在其内进行温度测量，并将所测得的参考温度及温度梯度送至覆冰状况监测服务器。

在一种优选实现方式中，本发明的监测设备及相应方法基于所述光纤温度传感器处的温度随时间的温度梯度判断所述覆冰线路的覆冰状况。

在另一种优选实现方式中，光纤温度传感器包括：第一传输光纤、光纤布拉格光栅、第二传输光纤，第一传输光纤和光纤布拉格光栅之间设置第一弹性连接段，光纤布拉格光栅与第二传输光纤之间设置第二弹性连接段。采用这种方式是为了避免受到风力的影响。

在另一种优选实现方式中，光纤温度传感器包括：第一传输光纤、光纤布拉格光栅、第二传输光纤，第一传输光纤和光纤布拉格光栅之间设置第三光纤耦合器，光纤布拉格光栅与第二传输光纤之间设置第四光纤耦合器。第三光纤耦合器和第四光纤耦合器与光纤布拉格光纤的耦合方式均为可伸缩式耦合，即，其允许第一传输光纤和第二传输光纤相对两个耦合器有一定的相对运动。采用这种实现方式可以避免风力作用下传输光纤拉伸光纤布拉格光栅(光纤温度传感器)进而带动起光栅间距发生变化。

在另一种优选实现方式中，光纤温度传感器包括：第一传输光纤、光 纤布拉格光栅、第二传输光纤，刚性固定连接器，第一传输光纤和光纤布拉格光栅之间设置第三光纤耦合器，光纤布拉格光栅与第二传输光纤之间设置第四光纤耦合器。所述刚性固定连接器的一端固定在所述第三光纤耦合器上，所述刚性固定连接器的第二端固定在所述第四光纤耦合器上。采用这种实现方式，第三光纤耦合器和第四光纤耦合器受到所述刚性固定连接器的固定，二者间距保持基本固定，进而，第三和第四光纤耦合器之间的距离在温度不变的情况下保持不变。可以避免风力作用下传输光纤拉伸光纤布拉格光栅(光纤温度传感器)进而带动起光栅间距发生变化。

更优选地，所述刚性固定连接器采用热膨胀系数等于或高于光纤(石英)的材料制成。目前，光纤温度传感器的测温原理基本是利用光纤光栅随着温度变化而带来的栅格间距变化，一般光纤的成分为石英，石英的热膨胀系数为12*10^-6/K，而铝的热膨胀系数为23*10^-6/K，接近石英的两倍，利用固定连接器的热胀冷缩拉动光纤，可以增加光纤温度传感器的敏感度(不过，如果是采用这种实现方式，需要对光纤温度传感器进行重新标定)。

在另一种优选实现方式中，光纤温度传感器包含有分布式布拉格光栅。

有益效果：

本发明的用于高压输电线路的覆冰状况监测设备采用了与现有监测状况不同的监测原理。现有的覆冰状况监测要么通过红外方式要么通过光纤长度受拉力影响的变化。但是本申请的发明人发现，如果监测光纤长度变化引起的测温结果变化，会受到风力的较严重影响，因为从微观角度来讲，风力的变化也会改变光纤的拉伸程度，这样将无法准确判定测量结果的变化是由于覆冰重力对光纤的拉扯造成的还是由于风力大小变化造成的。

而本发明另辟蹊径，基于光纤传感器所测得的温度以及温度梯度来进行覆冰状况的监测。通过温度梯度来进行覆冰状况的监测，准确度更高、不受风力或其他外力的影响，能够更准确地反映出覆冰情况。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的覆冰状况监测设备的示意图。

图2为本发明实施例三中采用的光纤温度传感器的示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实施例中的覆冰状况监测设备包括：第一支架1、第二支架2、光源3、光纤温度传感器4、第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器6、全息衍射光栅7、聚焦透镜8、成像装置9、信号发射装置10、覆冰状态监测服务器11。

覆冰状态监测服务器11安装在电力监控中心，高压输电线路覆冰状态监测设备中的其他设备(第一支架1、第二支架2、光源3、光纤温度传感器4、第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器6、全息衍射光栅7、聚焦透镜8、成像装置9、信号发射装置10)安装在高压输电线路上。

第一支架1安装在第一高压输电塔上，光源3、第一光纤耦合器5以及传输光纤4的第一端固定在第一支架上1。

第二支架2安装在第二高压输电塔上，第二光纤耦合器6、全息衍射光栅7、聚焦透镜8、成像装置9和信号发射装置10固定在第二支架2上。

光源3与光纤温度传感器4通过第一光纤耦合器5耦合在一起，光源3发出预定波长的单色光，并且将所发出的单色光通过光纤耦合器输入至光纤温度传感器4中。光纤温度传感器4的另一端与第二光纤耦合器6耦合，从光纤温度传感器4输出的光入射至全息衍射光纤7；

全息衍射光栅7对来自光纤温度传感器4的光进行衍射分光，以将不同波长的光进行分离。具体而言，全息衍射光栅7输出的光产生衍射色散，从而把不同波长的光分开。全息衍射光栅7可以采用透射式的衍射光栅也可以采用反射式的衍射光栅。

聚焦成像透镜8将分离出的各束单色光分别聚焦到成像装置9上。成像装置9分别生成针对各个单色光束的信号，并且将所生成的信号通过信号发射器10发送至覆冰状态监测服务器11。

覆冰状态监测服务器11基于信号确定光纤温度传感器测得的温度，并且基于温度随时间的变化判断相应高压输电线路是否覆冰。

优选地，覆冰状态监测服务器11基于温度随-时间梯度判断高压输电线路是否覆冰。光纤温度传感器沿高压输电线路的地线，与地线平行设置。

本申请的发明人发现，输电线路在没有覆冰的情况下，其温度会随环境变化较快，而一旦输电线路覆冰，则其温度随环境的变化会由于覆冰层的作用而变缓慢，因此，本申请提出了一种基于温度梯度来进行覆冰状况监测的装置。覆冰报警的温度阈值可以根据输电线路的耐受程度而适应性地调整。

优选地，考虑到单一通过温度梯度进行温度测量可能存在一定误报情况。本发明基于温度和温度梯度二者结合进行报警。

实施例二

在本实施例中，光纤温度传感器4包括：第一传输光纤、光纤光栅、第二传输光纤，第一传输光纤和光纤光栅之间设置第一弹性连接段，光纤光栅与第二传输光纤之间设置第二弹性连接段。

高压输电线路覆冰状态监测设备还包括第三支架，第三支架设置于光纤光栅所在位置的上方，一端固定在高压输电线路上，另一端固定在光纤光栅的外侧。光纤温度传感器4不需要设置成整条线路都具有测温功能，只需要其中间或某几个位置设置测温光栅即可，光纤优选采用单模光纤。

实施例三

如图2所示，在本实施例中，光纤温度传感器包括：第一传输光纤21、光纤布拉格光栅22、第二传输光纤23，刚性固定连接器24，第一传输光纤21和光纤布拉格光栅22之间设置第三光纤耦合器25，光纤布拉格光栅22与第二传输光纤23之间设置第四光纤耦合器26。所述刚性固定连接器24的一端固定在所述第三光纤耦合器25上，所述刚性固定连接器24的第二端固定在所述第四光纤耦合器26上。采用这种实现方式，第三光纤耦合器25和第四光纤耦合器26受到所述刚性固定连接器的固定，二者间距保持基本固定，进而，第三和第四光纤耦合器之间的距离在温度不变的情况下保持不变。可以避免风力作用下传输光纤拉伸光纤布拉格光栅(光纤温度传感器)进而带动起光栅间距发生变化。

在实验室中，已经制备出来本发明产品的样品，并且，通过对传输光 纤吊挂重物或施加抖动的方式进行了测试，测试结果发现，本发明的产品受牵拉和抖动的影响很小，能够进行准确的预报。

尤其是实施例三中的样品，其在施加拉力和抖动的情况下测量结果与无干扰情况基本没有差异。

需要说明的是，附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本发明的原理进行说明，并非意在对本发明进行限制。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高压输电线路覆冰状态监测设备，其特征在于，所述高压输电线路覆冰状态监测设备包括：第一支架、第二支架、光源、光纤温度传感器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、全息衍射光栅、聚焦透镜、成像装置、信号发射装置、覆冰状态监测服务器。

2.根据权利要求1所述的高压输电线路覆冰状态监测设备，其特征在于，

所述覆冰状态监测服务器安装在电力监控中心，所述高压输电线路覆冰状态监测设备中的其他设备安装在高压输电线路上；

所述第一支架安装在第一高压输电塔上，所述光源、所述第一光纤耦合器以及所述传输光纤的第一端固定在所述第一支架上；

所述第二支架安装在第二高压输电塔上，所述第二光纤耦合器、所述全息衍射光栅、所述聚焦透镜、所述成像装置和所述信号发射装置固定在所述第二支架上；

所述光源与所述光纤温度传感器通过所述第一光纤耦合器耦合在一起，所述光源发出预定波长的单色光，并且将所发出的单色光通过所述光纤耦合器输入至所述光纤温度传感器中；

所述光纤温度传感器的另一端与所述第二光纤耦合器耦合，从所述光纤温度传感器输出的光入射至所述全息衍射光栅；

所述全息衍射光栅对来自所述光纤温度传感器的光进行衍射分光，以将不同波长的光进行分离；

所述聚焦成像透镜将分离出的各束单色光分别聚焦到所述成像装置上；

所述成像装置分别生成针对各个单色光束的信号，并且将所生成的信号通过所述信号发射器发送至所述覆冰状态监测服务器；

所述覆冰状态监测服务器基于所述信号确定所述光纤温度传感器测得的温度，并且基于所述温度判断相应高压输电线路是否覆冰。

3.根据权利要求1所述的高压输电线路覆冰状态监测设备，其特征在于，

所述覆冰状态监测服务器包括定时器，所述定时器每隔10s触发所述覆冰状态监测服务器计算一次所述光纤温度传感器测得的温度。

4.根据权利要求1所述的高压输电线路覆冰状态监测设备，其特征在于，所述光纤温度传感器沿所述高压输电线路的地线，与所述地线平行设置。

5.根据权利要求4所述的高压输电线路覆冰状态监测设备，其特征在于，所述高压输电线路覆冰状态监测设备还包括第三支架，所述第三支架设置于所述光纤光栅所在位置的上方，一端固定在高压输电线路上，另一端固定在所述光纤光栅的外侧。

6.根据权利要求4所述的高压输电线路覆冰状态监测设备，其特征在于，所述高压输电线路覆冰状态监测设备包括一台覆冰状态监测服务器和多个光纤温度传感器。

7.根据权利要求4所述的高压输电线路覆冰状态监测设备，其特征在于，所述光纤温度传感器为光纤布拉格光栅温度传感器。

8.一种利用权利要求1-7中任意一项所述的高压输电线路覆冰状态监测设备进行高压输电线路覆冰状态监测的方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)利用所述光源发出单色光；

(2)将所述光源发出的单色光输送至所述光纤温度传感器；

(3)利用所述光纤温度传感器中的光栅对所述单色光进行衍射；

(4)将经过衍射的光输出至所述全息衍射光栅，利用所述全息衍射光栅进行衍射分光；

(5)利用所述聚焦透镜对分光后的各单色光进行分别聚焦；

(6)利用所述成像装置对聚焦后的单色光进行采集；

(7)基于所采集到的光的光谱确定所述光纤温度传感器的温度；

(8)计算所述光纤温度传感器处的温度判断所述输电线路的覆冰状况。