CN109297662B - 一种架空电缆振动试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种架空电缆振动试验装置及试验方法，包括架空电缆试验台、光纤光栅传感器阵列、振动台、光纤光栅CCD解调装置、PC机。架空电缆试验台上的架空电缆表面沿轴向粘接光纤光栅传感器阵列；振动台位于架空电缆试验台的下方，台面与架空电缆铰接，控制端口与所述的PC机连接；光纤光栅CCD解调装置的光接口与光纤光栅传感器阵列连接，数据传输端口与所述的PC机连接。该装置通过振动台激振，调整档距以及电缆的初始张力去模拟真实环境的架空电缆振动，系统分析各种复杂环境下架空电缆的振动特性。通过优化试验方法，重点监测故障易发处，准确抓取架空电缆上的极限振动参数。相比较在线电缆的监测方案，该装置调节方便，无需高空作业，避免了高强度的现场施工，具有很强的科研价值及可操作性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器振动测量技术领域，具体是一种架空电缆振动试验装置及试验方法，用于架空电缆在一定张力和各种激振条件下的振动规律及轴向应变情况试验。
背景技术
近年来，我国电网获得高速发展，架空输电线路逐步形成北、中、南三大通道，输电线路总长度超过了118万公里，电网规模和输送容量已跃居世界首位。但架空输电线路存在地域分布广泛、运行条件复杂、易受自然环境影响和外力破坏等问题，诸如微风振动、舞动等引起的架空电缆振动，极易酿成倒塔等安全隐患。搭建架空电缆振动试验装置，系统研究架空电缆的振动特性很有必要。
目前，传统的电缆振动监测技术有：电子式传感器和电子电路处理器等组成的系统，当导线振动时，通过电子式传感器将振动信息传给远端处理器，最后得到监测结果，但这种方式有以下缺点：1)安装在导线上其自身重量会影响测量的准确性；2)易受电缆周围强磁场影响。近年来，新兴的激光振动监测方法也获得应用，中国专利(一种架空输电线路振动监测系统及监测方法CN 104483007A)提出一种基于激光测振的电缆振动监测系统，通过将分光镜将激光分成两束光，一束用于监测电缆振动，另一束与反射光发生干涉，然后将干涉变化的信息解调出来即可得到振动信息。但这种方法存在明显的缺点：1)激光在空气传播，若在风致振动情况下，空气的折射率不断变化，会影响激光的传播；2)该装置只能一个点接一个点地测量，不能同时监测。
光纤传感具有无源、抗干扰、远距离传输等优点，在架空电缆监测中具有明显的优势。目前报道应用于架空线路监测的光纤传感器主要有反射式光纤光栅和光时域反射(OTDR)两大类，一种是反射式光纤光栅传感器(FBG)，一种是基于光时域反射(OTDR)的光纤传感器。当电缆因振动而产生应变时，前者由于发生弹光效应会导致反射波长变化，最终通过波长变化反推电缆振动和应变，测量精度高，可靠性好；后者由于光纤中的各个位置都会产生后向散射光，当光纤受到外界影响时，散射光频率、功率、相位均发生变化，通过解调上述变化可以分析出电缆振动和应变，但测量精度不高。中国专利(输电线路微风振动在线监测方法CN 105258780A)提出了一种基于光纤光栅传感器的双光信号干涉解调的在线监测方法，该方法需要在在架空线缆上预先安装悬臂梁式的光纤光栅传感器，当遇到风或其它环境因素导致线缆振动时，传感器的反射光与入射光干涉，通过解调干涉信号的变化来分析线缆上的振动信息。该方法的传感器结构复杂，安装步骤繁多，需要预设参量，且易受温度的影响，测量精度不高；中国专利(基于的高压输电线路覆冰舞动监测CN 107727227A)提出了一种基于光时域反射的连续监测的方法，该方法在架空电缆预先布设光纤，当线缆出现振动时，相邻的光脉冲之间的相位出现变化，通过解调这种相位变化，可以获取电缆振动情况。但这种方法的信号弱，易受传输线路的影响，设备昂贵且精度不高。此外，上述两种在线监测方法都存在明显的缺点：1)在熔接和沿缆铺设光纤传感器时，需要高空作业，工作量大危险性高，而且操作复杂；2)这种测量是被动式测量，需要等待环境的变化导致线缆振动，不易监测到线缆振动应变的上限值，很难实现对架空电缆振动特性的系统研究。
发明内容
本发明的目的在于构建一种架空电缆振动试验装置及试验方法，用于系统分析架空电缆的振动特性。本发明采取较为特殊的连接方式与方法步骤，实现了对架空电缆故障易发处的振动监测。本发明装置具有操作简便、安全可靠、测量精度高等优点。
本发明采取的技术方案为：
一种架空电缆振动试验装置，包括架空电缆试验台、光纤光栅传感器阵列、振动台、光纤光栅CCD解调装置、PC机。
所述架空电缆试验台包括夹具、支架、张力调节器；架空电缆一侧穿过夹具后通过张力调节器固定在支架上，架空电缆的表面沿轴向粘接光纤光栅传感器阵列。
所述振动台位于架空电缆试验台的下方，振动台的台面与架空电缆铰接，振动台的控制端口与PC机连接；
所述光纤光栅CCD解调装置的光接口与光纤光栅传感器阵列连接，光纤光栅CCD解调装置的数据传输端口与所述PC机连接。
所述PC机，用于编程加载设定频率和幅度的振动信号，经振动台后，在架空电缆上产生对应频率和幅度的振动；光纤光栅传感器阵列，用于感测架空电缆不同位置的应变变化，将应变变化转化成光栅的波长变化；波长变化信号经光纤光栅CCD解调装置采集后，再传输给PC机；PC机对采集的信号进行拟合处理，提取光纤光栅传感器阵列的瞬时峰值波长，经过快速傅里叶变换，获取各个监测点的振动频率和幅度，与加载的振动波形比较，分析评价架空电缆的振动响应特性。
一种架空电缆振动试验装置，所述光纤光栅传感器阵列由多个FBG传感器按照反射率由低到高依次熔接，再根据每一次试验加载的RTS和防振锤安装距离公式计算得到所述光纤光栅传感器阵列点粘接位置，并记录各个FBG反射中心波长。具体如下：
1)波腹处位置：
式中，fd为电缆固有自振频率，Hz；λ为振动波长，m；T为电缆RTS，N；p为电缆自重单位荷载，N/m。当固有自振频率fd等于策动力频率fp即振动台施加的频率，电缆振动振幅最大，从而得到所以波腹位置为从固定端起λ/4处；
2)防振锤安装位置：根据模拟架空电缆微风振动环境，由如下公式：
式中，d为防振锤安装距离，m；D为电缆直径，mm；Tav为平均RTS，N；p为电缆自重单位荷载，N/m。从可以得到每一种运行张力下的防震锤的安装位置；
所述光纤光栅传感器阵列与架空电缆按照以上所得位置粘接时，先将熔接好的光纤光栅传感器阵列接入光纤光栅CCD解调装置和PC机，再对每个光栅传感器进行预应力加载粘贴，通过PC机在线观测，确保每个光栅传感器粘接后的剩余预应大于500με，在收缩时不会导致自身结构被破坏；
所述光纤光栅CCD解调装置包括ASE光源、环形器、CCD解调模块；ASE光源连接环形器输入端口，环形器输出端口与CCD解调模块连接。
所述架空电缆上的初始张力，能够通过张力调节器按照试验要求准确施加，模拟不同张力场景下的工况。
所述架空电缆档距为30.25m，型号为AACSR/EST-500/280。
一种架空电缆振动试验方法，当张力调节器调到试验所需的张力后，PC机编程加载设定频率和幅度的振动信号给振动台后，在架空电缆上产生对应频率和幅度的振动；此时光纤光栅传感器阵列感测架空电缆光栅点处的应变变化，当振动稳定后，将应变变化转化成光栅的波长变化；波长变化信号经光纤光栅CCD解调装置采集后，再传输给PC机；PC机对采集的信号进行拟合处理，提取光纤光栅传感器阵列的瞬时峰值波长，经过快速傅里叶变换，获取各个监测点的振动频率和幅度，与加载的振动波形比较，分析评价架空电缆的振动响应特性。
一种架空电缆振动试验方法，包括以下步骤：
步骤1：调节张力调节器，给电缆施加18％的运行张力RTS，将架空电缆的参数等代入相应的力学公式，得到张力大小，再计算该张力条件下三种振动频率的波腹位置，标记为光栅监测点；
步骤2：在18％的运行张力RTS下，根据防振锤安装距离公式，计算防振锤的安装位置，得到n个距离电缆固定端的安装位置，并做好标记；
步骤3：首先将n个不同反射波长的FBG传感器，按照反射率从低到高的顺序熔接起来，再根据步骤1和步骤2得到的结果，将光栅传感器依次粘贴在电缆的监测点和防振锤安装位置，然后再接入光纤光栅CCD解调装置和PC机，并检测整个光路的通顺；
步骤4：固定振动台的振动频率为15Hz，给架空电缆施加不同的振幅，在每一个振幅测量中，等到振动台施加的频率和振幅达到稳定后，读取PC机上的峰值波长数据并绘制波形图，读取波长漂移的最大值；
步骤5：固定振动台的振动频率为22Hz，重复步骤4；
步骤6：固定振动台的振动频率为25Hz，重复步骤4；
步骤7：根据步骤二中计算得到位置分别加上防振锤a和防振锤b，再重复步骤4～6，同理通过读取波长漂移的最大值；
步骤8：对电缆分别施加22％的运行张力RTS，依次重复步骤1到7，然后在PC机5上读取反射波长漂移的最大值；
步骤9：对电缆分别施加25％的运行张力RTSRTS，依次重复步骤1到7，然后在PC机5上读取反射波长漂移的最大值；
步骤10：分析不同运行压力和激振频率下，架空电缆11的振动影响特性。
本发明一种架空电缆振动试验装置及试验方法，取得了以下技术效果：
1：本发明采用小跨距段实地构建架空电缆的测试平台，通过人工模拟外界环境的影响，能够稳定地、可持续地模拟监测电缆的振动响应情况，避免了在线监测的各种缺点，节省人力物力财力，测量精度较高。
2：本发明引入高速CCD波长解调技术，能准确解调1000Hz以下的振动信号频率和幅度，通过光纤光栅阵列的多点监测，准确提取架空电缆上关键点的振动信号特征；整个传感系统无源、抗干扰，可以推广应用于高压架空线路的实际监测。
3：本发明的监测方法能够有效验证架空电缆的相关理论，例如，在安装防振锤后，电缆各频率的波腹的应变有了明显的削弱，并且频率越高，振幅越大，削减得越明显，可有效指导生产实践。
4：本发明提出的一种架空电缆振动试验装置及试验方法，该发明通过振动台激振，调整档距以及电缆的初始张力去模拟真实环境，系统分析架空电缆在各种复杂工况的行为。将理论分析与试验相结合，监测架空电缆上受力最大处(一般为波腹处)的振动和应变情况，优化防振锤的配置，有效减轻波腹处振动幅度和应变，达到对整个电缆的保护作用。该试验装置无需高空作业，即可模拟架空电缆的各种工况，系统分析复杂环境下的振动特性，验证理论分析的正确性；此外，通过优化试验方法，重点监测故障易发处，抓取架空电缆上的极限振动参数，指导工程实践。
附图说明
图1为本发明架空电缆振动试验装置结构示意图；
图1中：1为架空电缆试验台；2为光纤光栅传感器阵列；3为振动台；4为光纤光栅CCD解调装置；5为PC机。
图2为架空电缆试验台；
图2中：11为架空电缆；12为夹具；13支架；14张力调节器；15为防振锤。
图3为光纤光栅传感器阵列图；
图4为光纤光栅CCD解调装置结构图。
图4中：41为宽带光源；42为环形器；43为CCD解调模块。
图5为光纤光栅结构图；
图5中：1.1为纤芯；1.2为包层；1.3为涂覆层；1.4为光纤光栅。
图6为操作流程图。
图7-1为反射波长图；
图7-2为25％RTS波腹应变图。
具体实施方式
如图1所示，整个架空电缆振动试验装置包括架空电缆试验台1、光纤光栅传感器阵列2、振动台3、光纤光栅CCD解调装置4、PC机5，所述的振动台2位于架空电缆试验台1的下方，台面与架空电缆11铰接，控制端口与所述的PC机5连接；所述的光纤光栅CCD解调装置4的光接口与光纤光栅传感器阵列2连接，数据传输端口与所述的PC机5连接。
如图2所示，所述的架空电缆试验台所述的架空电缆试验台1包括夹具12、支架13、张力调节器14，架空电缆11的一端被固定在混凝土支架13上，另一端穿过夹具12，通过张力调节器14固定在支架13。架空电缆11的表面沿轴向粘接光纤光栅传感器阵列2。夹具12采用钢板夹具，支架13采用混凝土支架。
如图3所示，所述的光纤光栅传感器阵列2是由6个不同反射波长的光纤光栅：1#光纤光栅、2#光纤光栅、3#光纤光栅、4#光纤光栅、5#光纤光栅、6#光纤光栅，按照反射率从小到大的顺序熔接而成。在电缆所加的某一RTS下，所述1#点是指防振锤a安装处，2#点是指15Hz的波腹处，3#点是指防振锤b安装处，4#点是指22Hz波腹处，5#点是指25Hz波腹处，6#点是指防振锤基点处。在每一种RTS下，这6个点的位置是不同的。
如图4所示，所述的光栅光纤CCD解调装置由三部分组成，首先由所述宽带光源41连接环形器42的输入端，为试验装置提供光源，所述环形器将电缆振动后经光栅反射回来的光传输到CCD解调模块43进行解调，所述CCD解调模块43连接PC机5，经过软件中快速傅里叶变换显示出光栅点处的振动频率和幅度。
如图5所示，所述光纤光栅结构图中，纤芯1.1主要作为光传输的载体，包层1.2是保护纤芯，保证光能完全在纤芯中传输，涂覆保护层1.3能够保护纤芯在电缆振动时不被损坏。在电缆施加一定频率和幅度的振动时，粘贴处的光栅间距也在不断地发生变化，导致反射回来的光波长也在实时变化，从而，粘贴处电缆轴向伸缩信息被反射光瞬时波长记录下来。通过CCD解调出的光谱图中中心波长漂移1pm对应纤芯处1με的变化。
基于光纤光栅应力传感器的电缆振动测量方法，包括以下步骤：
1)、首先给电缆施加18％的运行张力(约为113.364kN)，根据试验电缆的参数等代入式(1)，得到下表：
| 运行张力/kN | 113.364 | 113.364 | 113.364 |
| 施加频率/Hz | 15 | 22 | 25 |
| 振动波长/m | 11.818 | 8.909 | 7.839 |
根据振动波长，可以得到三种频率下的图1中靠近左端的波腹位置，并在电缆相应位置做好标记。
2)、在18％RTS下，再经过防振锤安装距离公式(2)，可以计算得到防振锤的安装位置；最后，得到这6个点距离电缆固定端(左端)的距离如下表：
| 传感点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 距离/mm | 4260 | 3130 | 2130 | 2140 | 1910 | 700 |
并在电缆相应的位置做好标记。
3)、首先将6个不同反射波长的光纤光栅按照反射率从小到大的顺序熔接起来，再根据1)得到的结果，对每一个光栅点依次粘贴在电缆标记处，然后再接到应变解调及显示模块，以检验整个光路通顺。
4)、根据1)在18％RTS下，通过振动台首先施加15Hz的振动，在该振动频率下测试了几种不同振幅，如下表：
| 振幅/mm | 0.5 | 0.75 | 1.0 | 1.25 | 1.5 | 2.0 | 3.0 |
在每一个振幅测量中，必须要等到振动台施加的频率和振幅达到稳定后再开始CCD解调软件上保存数据。然后将保存的数据通过LabVIEW等软件，实现数据到图形的转换，可以更加清晰地读到波长漂移的最大值，再经过快速傅里叶变换，得到光栅点处的振动频率和幅度。
5)、固定振动台的振动频率为22Hz，重复步骤4)；
6)、固定振动台的振动频率为25Hz，重复步骤4)；
7)、在1号点和3号点分别加上防振锤a和防振锤b，再重复过程4)至6)，同理通过读取波长漂移的最大值；
8)、对电缆分别施加22％的RTS，依次重复步骤1)到7)，然后在PC机上读取反射波长漂移的最大值；
9)、对电缆分别施加25％的RTS，依次重复步骤1)到7)，然后在PC机上读取反射波长漂移的最大值。
10)、分析不同运行压力和激振频率下，架空电缆的振动影响特性。结合图7-1和7-2分析如下：
(1)如图7-1所示，振动台施加频率15Hz，振幅1.0mm，不加防振锤，振动稳定后1号点处反射回来的光波长的漂移特征。光栅反射的光波长具有稳定的周期性，并且与这种状态下的振动频率一致，波长漂移的最大值反映了此光栅点处的应变情况。
(2)如图7-2所示，电缆处于25％RTS，横坐标1—7，表示振动频率为15Hz，幅度0.5—3.0，15Hz波腹处的光栅应变大小；横坐标8—13，表示振动频率为22Hz，幅度0.5—2.0，22Hz波腹处的光栅应变大小；横坐标14—19，表示振动频率为25Hz，幅度0.5—2.0，25Hz波腹处的光栅应变大小，分析得出如下结论：
a.对于同一频率，振幅越大，粘有光栅的电缆处的轴向应变越大；且波腹处应变最大；
b.对于同一振幅，频率越大，粘有光栅的电缆处的轴向应变越大；且波腹处应变最大；
c.加防振锤之后，粘贴在对应频率的波腹处的应变减小了，同一种频率下，振幅越大，波腹处应变减小得越明显；同一种幅度下，频率越大，波腹处应变减小得更加明显；
d.加防振锤之后，防振锤处的应变超过波腹处应变。所以，此时还需要在防振锤处固定线夹。
综上所述，本发明公开的一种架空电缆振动试验装置及试验方法，通过对架空电缆试验台中的张力调节器模拟架空电缆真实环境下的张力，再经过本装置施加的振动，在光纤光栅处反射的光波长再经CCD解调后，在PC机上显示波长图，并经过快速傅里叶变换，从而获得光栅点出的振动和应变特征。本发明克服了在线监测的各种缺点，节省大量人力物力，具有操作简便、安全可靠、测量精度高等优点，具有很强的科研价值及可操作性。
Claims (3)
1.一种架空电缆振动试验方法，其特征在于：该方法采用一种架空电缆振动试验装置，所述架空电缆振动试验装置包括架空电缆试验台(1)、光纤光栅传感器阵列(2)、振动台(3)、光纤光栅CCD解调装置(4)、PC机(5)；
所述架空电缆试验台(1)包括夹具(12)、支架(13)、张力调节器(14)；架空电缆(11)一侧穿过夹具(12)后通过张力调节器(14)固定在支架(13)上，架空电缆(11)的表面沿轴向粘接光纤光栅传感器阵列(2)；
所述振动台(3)位于架空电缆试验台(1)的下方，振动台(3)的台面与架空电缆(11)铰接，振动台(3)的控制端口与PC机(5)连接；
所述光纤光栅CCD解调装置(4)的光接口与光纤光栅传感器阵列(2)连接，光纤光栅CCD解调装置(4)的数据传输端口与所述PC机(5)连接；
基于上述架空电缆振动试验装置的架空电缆振动试验方法，具体如下：
当张力调节器(14)调到试验所需的张力后，PC机(5)编程加载设定频率和幅度的振动信号给振动台后，在架空电缆(11)上产生对应频率和幅度的振动；此时光纤光栅传感器阵列(2)感测架空电缆光栅点处的应变变化，当振动稳定后，将应变变化转化成光栅的波长变化；波长变化信号经光纤光栅CCD解调装置(4)采集后，再传输给PC机(5)；PC机(5)对采集的信号进行拟合处理，提取光纤光栅传感器阵列(2)的瞬时峰值波长，经过快速傅里叶变换，获取各个监测点的振动频率和幅度，与加载的振动波形比较，分析评价架空电缆(11)的振动响应特性；
架空电缆振动试验方法，包括以下步骤：
步骤1：调节张力调节器(14)，给电缆施加18％的运行张力RTS，将架空电缆的参数等代入相应的力学公式，得到张力大小，再计算该张力条件下三种振动频率的波腹位置，标记为光栅监测点；
步骤2：在18％的运行张力RTS下，根据防振锤安装距离公式，计算防振锤(15)的安装位置，得到n个距离电缆固定端的安装位置，并做好标记；
步骤3：首先将n个不同反射波长的FBG传感器，按照反射率从低到高的顺序熔接起来，再根据步骤1和步骤2得到的结果，将光栅传感器依次粘贴在电缆的监测点和防振锤(15)安装位置，然后再接入光纤光栅CCD解调装置(4)和PC机(5)，并检测整个光路的通顺；
步骤4：固定振动台(3)的振动频率为15Hz，给架空电缆(11)施加不同的振幅，在每一个振幅测量中，等到振动台(3)施加的频率和振幅达到稳定后，读取PC机(5)上的峰值波长数据并绘制波形图，读取波长漂移的最大值；
步骤5：固定振动台(3)的振动频率为22Hz，重复步骤4；
步骤6：固定振动台(3)的振动频率为25Hz，重复步骤4；
步骤7：根据步骤二中计算得到位置分别加上防振锤a和防振锤b，再重复步骤4～6，同理通过读取波长漂移的最大值；
步骤8：对电缆分别施加22％的运行张力RTS，依次重复步骤1到7，然后在PC机(5)上读取反射波长漂移的最大值；
步骤9：对电缆分别施加25％的运行张力RTSRTS，依次重复步骤1到7，然后在PC机(5)上读取反射波长漂移的最大值；
步骤10：分析不同运行压力和激振频率下，架空电缆(11)的振动影响特性。
2.根据权利要求1所述架空电缆振动试验方法，其特征在于：所述光纤光栅传感器阵列(2)与架空电缆(11)粘接时，先将熔接好的光纤光栅传感器阵列(2)接入光纤光栅CCD解调装置(4)和PC机(5)，再对每个光栅传感器进行预应力加载粘贴，通过PC机(5)在线观测，确保每个光栅传感器粘接后的剩余预应大于500με。
3.根据权利要求1所述架空电缆振动试验方法，其特征在于：所述架空电缆(11)上的初始张力，能够通过张力调节器(14)按照试验要求准确施加，模拟不同张力场景下的工况。
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