CN109668619A - 一种输电线振动监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种输电线振动监测装置，所述装置包括：外套筒(2)、内套筒(3)、重物(5)和第一光纤光栅传感单元(1)；所述外套筒(2)与所述内套筒(3)滑动连接；所述内套筒(3)套接于被测导线上；所述重物(5)连接于外套筒(2)下方；所述第一光纤光栅传感单元(1)固定安装于所述内套筒(3)外壁。本发明提供的技术方案使用光纤光栅传感器作为主传感单元，对导线在垂向、横向和扭转三个方向振动进行监测，可靠性高、功能强，实现了对输电线振动参量的全面准确获取，保障线路安全，为设计改造提供重要数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及高压架空输电线路在线监测技术领域，具体涉及一种输电线振动监测装置。
背景技术
舞动，微风振动和脱冰跳跃，是架空输电线在风载荷和覆冰载荷作用下，常遭受的振动形式。这些振动发生时，均会伴随有导线水平或垂直方向的振动，其中舞动还伴随有沿导线轴向的扭转振动。同时，由于多数情况下导线上所覆冰形状都不规则，覆冰的质心偏离导线中心，脱冰时必然导致导线绕其轴线的扭转振动。目前对输电线动态特性监测存在如下问题：
(1)由于输电线的舞动和脱冰跳跃都伴随着水平、垂直和扭转方向的振动，但是目前公开的各种监测技术都未对导线扭转振动的监测；这限制了对现有舞动和脱冰跳跃三自由度理论模型的充分验证，以及对相应灾害的及时准确预警。
(2)现有输电线的监测方案中，视频监测只能实现对导线振动的定性监测，难以进行定量分析；而用测力或加速度传感器布置在绝缘子与杆塔之间，或导线与绝缘子之间，或固定在靠近杆塔的导线端的方案，可以对覆冰产生的静载荷实现有效监测，但由于导线振动时可能伴随着三个方向的位移，难以对导线振动时的真实弧垂、振幅、波形和不同相间导线的最小间距做出准确预测。
此外，现有技术多使用电量传感器，易受输电线路强电磁环境的干扰，尤其当一组传感器分散布置在一档内时，传感器及其信号传输的所需的稳定的现场电源也不易获得，例如采用太阳能电池板供电，遇到持续阴雨天无法正常工作。
发明内容
针对以往输电线在线监测装置无法同时对垂向、横向和扭转三个方向自由度进行监测、难以对整档导线不同位置进行分布式监测，以及电量传感器易受电磁干扰且现场供电困难等问题，本发明提供了一种输电线振动监测装置及系统，实现了对输电线振动参量的全面、准备获取，保障线路安全，并为设计改造提供重要数据支撑。
本发明提供的技术方案是：
一种输电线振动监测装置，其特征在于，所述装置包括：外套筒(2)、内套筒(3)、重物(5)和第一光纤光栅传感单元(1)；
所述外套筒(2)与所述内套筒(3)滑动连接；所述内套筒(3)套接于被测导线上；
所述重物(5)连接于外套筒(2)下方；
所述第一光纤光栅传感单元(1)固定安装于所述内套筒(3)外壁。
优选的，所述装置还包括轴承和钢球；
所述内套筒(3)的外壁上设置多个球形凹坑；
所述轴承外圈与外套筒(2)的内壁贴合，所述轴承内圈与所述内套筒(3)的外壁贴合；
所述内套筒(3)外壁上的多个球形凹坑放置钢球，使外套筒(2)绕所述内套筒(3)和被测导线的轴线自由转动。
优选的，所述装置还包括：橡胶套环(4)和螺栓；
所述内套筒(3)通过所述橡胶套环(4)套接于被测导线上；
所述橡胶套环(4)通过螺栓与所述内套筒(4)固定。
优选的，所述装置还包括：导线水平和垂直方向振动监测组件；
所述导线水平和垂直方向振动监测组件通过螺栓与内套筒(3)的上端后侧外壁连接。
进一步的，所述导线水平和垂直方向振动监测组件包括外壳、质量块(11)、第二光纤光栅传感单元和两个弹簧(10)；
所述两个弹簧(10)设置于所述质量块(11)与所述外壳之间；所述两个弹簧(10)一端分别连接所述质量块(11)的左/右外侧面，另一端分别连接所述外壳的左/右两内侧面；
所述第二光纤光栅传感单元固定安装于所述质量块(11)上。
进一步的，所述第二光纤光栅传感单元的数量为4，分别设于所述质量块(11)的上、下、前、后四个面上。
进一步的，所述第一光纤光栅传感单元(1)和第二光纤光栅传感单元均包括：触头、金属梁和光纤光栅；
所述光纤光栅粘结在所述金属梁上并随所述金属梁的变形而同步伸缩；所述触头位于所述金属梁的一端。
进一步的，所述第一光纤光栅传感单元(1)的触头与外套筒(2)上端前侧内壁接触；所述第二光纤光栅传感单元的触头与所述外壳的内壁接触。
进一步的，所述外套筒(2)上端前侧内壁设有轮廓线，所述轮廓线为凸轮槽。
优选的，所述重物(5)为球形重锤。
优选的，所述装置还包括端盖(7)；
所述端盖(7)包括两个中间有孔的半圆薄板；所述两个薄板通过螺栓分别固定在外套筒(2)的两个侧面。
优选的，所述内套筒(3)由上下对称的两部分螺栓连接而成；所述外套筒(2)由上下两部分螺栓连接而成。
一种输电线振动监测方法，其特征在于，所述方法包括：
当被测导线发生扭转振动时，外套筒因重物的重力作用相对地面保持静止，被测导线及内套筒相对外套筒发生扭转；
所述内套筒和外套筒的相对转动使内套筒和外套筒上端前段内壁之间的间隙发生改变；
所述间隙的改变使固定于内套筒上的光纤光栅传感单元产生压力及应变变化，并导致光栅反射波中心波长发生变化；
根据事先设定的内套筒和外套筒的相对转角与光纤光栅传感单元应变变化及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定导线的转角及角加速度。
优选的，所述方法还包括：
当被测导线发生水平或垂直振动时，质量块因惯性作用对光纤光栅传感单元产生压力作用；
所述压力作用引起光纤光栅传感单元的应变变化，并导致光栅反射波中心波长发生变化；
根据事先设定的水平和垂直方向加速度与光纤光栅传感单元应变变化及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定导线在水平和垂直方向振动的加速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种输电线振动监测装置，所述装置包括：外套筒(2)、内套筒(3)、重物(5)和第一光纤光栅传感单元(1)；所述外套筒(2)与所述内套筒(3)滑动连接；所述内套筒(3)套接于被测导线上；所述重物(5)连接于外套筒(2)下方；所述第一光纤光栅传感单元(1)固定安装于所述内套筒(3)外壁。本专利提供的技术方案实现了对舞动和脱冰跳跃时导线扭转方向振动进行监测。
本专利提供的技术方案除了在舞动和脱冰跳跃时导线扭转方向振动进行监测外还实现了对水平和垂直方向振动的监测。
本发明提供的技术方案使用光纤光栅传感器作为主传感单元，使监测系统避免了输电线路强烈的电磁干扰，且不需要现场电源供电，实现了信号的远距离低损耗传输。
本发明提供的技术方案解决了以往输电线在线监测装置无法同时对垂向、横向和扭转三个方向自由度进行监测、难以对整档导线不同位置进行分布式监测，以及电量传感器易受电磁干扰且现场供电困难等问题，可靠性高、功能强，实现了对输电线振动参量的全面、准确获取，保障线路安全，并为设计改造提供重要数据支撑。
附图说明
图1为本发明的输电线振动监测装置的主视图；
图2为本发明的输电线振动监测装置的左视图；
图3为本发明的水平和垂直方向振动监测组件的示意图；
图4为本发明的光纤光栅传感单元的结构图；
图5为本发明实施例的输电线振动监测系统的整体图；
其中，1-光纤光栅传感单元；2-外套筒；3-内套筒；4-橡胶套环；5-球形重锤；6-钢球；7-端盖；8-上壳体；9-下壳体；10-弹簧；11-质量块；12-光纤光栅传感单元；13-光纤光栅传感单元；14-光纤光栅传感单元；15-光纤光栅传感单元；16-光纤光栅；17-触头；18-导线；19-输电线振动监测装置；20-光纤；21-光纤耦合器；22-用于温度补偿的光纤光栅传感器；23-光纤复合架空地线；24-光纤光栅解调仪；25-计算机；26-金属梁；
图6为本发明的一种输电线振动监测方法实施流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明作进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明实施例提供的一种输电线振动监测装置，其主视图如图1所示，左视图如图2所示，主要包括：外套筒2、内套筒3、重物5、端盖7和光纤光栅传感单元1；
其中，外套筒2与内套筒3滑动连接；内套筒3套接于被测导线上；
重物5连接于外套筒2下方；
光纤光栅传感单元1固定安装于所述内套筒3外壁。
内套筒3用于夹紧导线，由上下对称的两部分螺栓连接而成；
内套筒3通过一个橡胶套环4与导线18实现软接触，并通过螺栓固定，保证其不会相对导线18发生转动和滑移；
外套筒2可绕导线18的轴线回转，外套筒2由上下两部分螺栓连接而成；
外套筒2下端连接的重物5是球形重锤；
内套筒3的外壁上设有球形凹坑，球形凹坑内放置钢球6，实现与外套筒2中段内壁的接触，从而保证外套筒2与内套筒3和导线18的相对转动；
外套筒2前段内壁的轮廓线为凸轮槽，光纤光栅传感单元1安装在内套筒3的一端面上，光纤光栅传感单元1的触头与外套筒2前段内壁接触，用于监测导线18扭转振动；
端盖7，由上下两个中间有孔的半圆薄板组成，通过螺栓固定在外套筒2端面，用于封装整个监测装置，以抵御雨雪天气的影响。
装置还包括导线水平和垂直方向振动监测组件，通过螺栓与内套筒3的上端后侧外壁连接，其结构示意图如图3所示，包括一正方体形的外壳，一正方体形的质量块11、两个弹簧10及四个光纤光栅传感器12,13,14,15，其中外壳由上壳体8和下壳体9组成，两个弹簧10的一端分别连接质量块11的左右侧面，另一端分别连接外壳的左右两内侧面，四个光纤光栅传感器12,13,14,15分别安装在质量块11的上下前后四个面。
其中，如图4所示，光纤光栅传感单元1和光纤光栅传感器12,13,14,15的结构相同，均包含一易于发生轴向弹性变形的金属梁26，一粘结在该梁上并可随梁的变形而同步伸缩的光纤光栅16和一触头17，通过触头17实现与外套筒2的前段内壁或外壳的点接触，可保证金属梁26和光纤光栅16只承受轴向力作用。同时，在安装时采用一定的预应力安装，以保证每个传感单元在导线18振动的整个过程中，始终与外套筒2的前段内壁或外壳保持接触，且都是承受压力，保证触头17不会松动和脱落。
实施例2：
对输电线扭转振动的监测方法如下：
外套筒2下端连接一个球形重锤5，当导线18及内套筒3相对地面发生扭转时，因重锤5的重力作用可保证外套筒2相对地面保持静止，从而造成了内外套筒的相对转动，当内外套筒发生相对转动时，内套筒3和外套筒2的前端内壁之间的间隙将发生改变，此时固定在内套筒上的光纤光栅传感单元1所受到的压力及应变就会发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，这一变化经光纤传回光纤光栅解调仪24，然后根据整个装置安装前事先标定的内外套筒相对转角与光纤光栅传感单元1应变及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，就可以确导线18的转角及角加速度，从而实现了对导线18扭转振动的监测。
实施例3：
对导线水平和垂直方向振动的监测方法如下：
当导线18发生水平和垂直方向的振动时，质量块11因惯性作用会对光纤光栅传感器12,13,14,15产生压力作用，引起光纤光栅传感器12,13,14,15的应变发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，这一变化经光纤传回光纤光栅解调仪24，然后根据整个装置安装前事先标定的水平和垂直方向加速度与光纤光栅传感器12,13,14,15应变及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，就可以确导线18在水平和垂直方向的加速度，从而实现了对导线水平和垂直振动的监测。
实施例4：
如图5所示，输电线的振动监测系统包括计算机系统25、光纤光栅解调仪24、光纤复合架空地线23、用于温度补偿的光纤光栅传感器22、光纤耦合器21、光纤20、输电线振动监测装置19。
导线振动时，由一组分散布置在导线18上的输电线振动监测装置19，测得该监测装置19所在位置的振动信号，将该信号经附着在导线上的光纤20传输到杆塔端，然后用光纤耦合器21将该档内信号，和用于温度补偿的光纤光栅传感器22所测信号耦合进光纤复合架空地线23，然后经光纤复合架空地线23将所有信号传输到变电站的光纤光栅解调仪24和计算机系统25进行分析和存储。
实施例5：
本发明还提供一种输电线振动监测方法，其具体实施过程如图6所示，包括：
S101：当被测导线发生扭转振动时，外套筒因重物的重力作用相对地面保持静止，被测导线及内套筒相对外套筒发生扭转；
S102：所述内套筒和外套筒的相对转动使内套筒和外套筒上端前段内壁之间的间隙发生改变；
S103：所述间隙的改变使固定于内套筒上的光纤光栅传感单元产生压力及应变变化，并导致光栅反射波中心波长发生变化；
S104：根据事先设定的内套筒和外套筒的相对转角与光纤光栅传感单元应变变化及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定导线的转角及角加速度。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (14)
1.一种输电线振动监测装置，其特征在于，所述装置包括：外套筒(2)、内套筒(3)、重物(5)和第一光纤光栅传感单元(1)；
所述外套筒(2)与所述内套筒(3)滑动连接；所述内套筒(3)套接于被测导线上；
所述重物(5)连接于外套筒(2)下方；
所述第一光纤光栅传感单元(1)固定安装于所述内套筒(3)外壁。
2.如权利要求1所述的输电线振动监测装置，其特征在于，所述装置还包括轴承和钢球；
所述内套筒(3)的外壁上设置多个球形凹坑；
所述轴承外圈与外套筒(2)的内壁贴合，所述轴承内圈与所述内套筒(3)的外壁贴合；
所述内套筒(3)外壁上的多个球形凹坑放置钢球，使外套筒(2)绕所述内套筒(3)和被测导线的轴线自由转动。
3.如权利要求1所述的输电线振动监测装置，其特征在于，所述装置还包括：橡胶套环(4)和螺栓；
所述内套筒(3)通过所述橡胶套环(4)套接于被测导线上；
所述橡胶套环(4)通过螺栓与所述内套筒(4)固定。
4.如权利要求1所述的输电线振动监测装置，其特征在于，所述装置还包括：导线水平和垂直方向振动监测组件；
所述导线水平和垂直方向振动监测组件通过螺栓与内套筒(3)的上端后侧外壁连接。
5.如权利要求4所述的输电线振动监测装置，其特征在于，所述导线水平和垂直方向振动监测组件包括外壳、质量块(11)、第二光纤光栅传感单元和两个弹簧(10)；
所述两个弹簧(10)设置于所述质量块(11)与所述外壳之间；所述两个弹簧(10)一端分别连接所述质量块(11)的左/右外侧面，另一端分别连接所述外壳的左/右两内侧面；
所述第二光纤光栅传感单元固定安装于所述质量块(11)上。
6.如权利要求5所述的输电线振动监测装置，其特征在于，所述第二光纤光栅传感单元的数量为4，分别设于所述质量块(11)的上、下、前、后四个面上。
7.如权利要求1或权利要求5所述的输电线振动监测装置，其特征在于，所述第一光纤光栅传感单元(1)和第二光纤光栅传感单元均包括：触头、金属梁和光纤光栅；
所述光纤光栅粘结在所述金属梁上并随所述金属梁的变形而同步伸缩；所述触头位于所述金属梁的一端。
8.如权利要求7所述的输电线振动监测装置，其特征在于，
所述第一光纤光栅传感单元(1)的触头与外套筒(2)上端前侧内壁接触；
所述第二光纤光栅传感单元的触头与所述外壳的内壁接触。
9.如权利要求8所述的输电线振动监测装置，其特征在于，
所述外套筒(2)上端前侧内壁设有轮廓线，所述轮廓线为凸轮槽。
10.如权利要求1所述的输电线振动监测装置，其特征在于，所述重物(5)为球形重锤。
11.如权利要求1所述的输电线振动监测装置，其特征在于，所述装置还包括端盖(7)；
所述端盖(7)包括两个中间有孔的半圆薄板；所述两个薄板通过螺栓分别固定在外套筒(2)的两个侧面。
12.如权利要求1所述的输电线振动监测装置，其特征在于，所述内套筒(3)由上下对称的两部分螺栓连接而成；所述外套筒(2)由上下两部分螺栓连接而成。
13.一种应用权利要求1-12所述的输电线振动监测装置的输电线振动监测方法，其特征在于，包括：
当被测导线发生扭转振动时，外套筒因重物的重力作用相对地面保持静止，被测导线及内套筒相对外套筒发生扭转；
所述内套筒和外套筒的相对转动使内套筒和外套筒上端前段内壁之间的间隙发生改变；
所述间隙的改变使固定于内套筒上的光纤光栅传感单元产生压力及应变变化，并导致光栅反射波中心波长发生变化；
根据事先设定的内套筒和外套筒的相对转角与光纤光栅传感单元应变变化及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定导线的转角及角加速度。
14.如权利要求13所述的输电线振动监测方法，其特征在于，所述方法还包括：
当被测导线发生水平或垂直振动时，质量块因惯性作用对光纤光栅传感单元产生压力作用；
所述压力作用引起光纤光栅传感单元的应变变化，并导致光栅反射波中心波长发生变化；
根据事先设定的水平和垂直方向加速度与光纤光栅传感单元应变变化及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定导线在水平和垂直方向振动的加速度。
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