CN110285768A - 一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法，包括：包括光纤光栅应变传感器模块、光纤光栅波长解调模块、数据采集模块、数据存储模块、通信模块以及起到供电作用的电源模块。在输电线路杆塔薄弱钢构表面，基于测点角钢横截面型号，设计两片L型金属夹具，固定应变传感器，对角钢应变进行测量；光纤光栅波长解调模块接收应变传感器反射的波长信号并将其解调为应变信息进行保存与实时显示；采用蓄电池和太阳能光伏板联合供电，解决野外取电难题。本发明方法监测装置安装固定方式简单合理，可对杆塔运行工况下钢构应变进行长期在线监测，为输电线路杆塔状态检修、灾害预防提供了一种有效手段。

Description

一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测 装置及方法

技术领域

本发明属于输电线路杆塔防灾减灾在线监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法

背景技术

输电线路是我国电力系统中重要的生命线工程，承担着电能的传输、调节和分配等重要任务。我国地域辽阔，能源分布不均，输电线路网络遍布全国各地，输电线路杆塔作为支撑输电线路的骨骼，在受到自然灾害和极端天气的影响下通常会发生损坏甚至倒塌事故，严重威胁输电线路的安全稳定运行，近年来，输电线路倒塔事故屡见不鲜，所以输电线路健康状态在线监测技术亟待完善。

目前国内外输电线路在线监测常用的技术主要包括输电线路视频监测系统、覆冰在线监测系统、杆塔倾斜在线监测系统及杆塔不平衡张力在线监测等。这些技术主要是针对输电线路导线、地线及杆塔整体运行工况的监测，是对输电线路状态的一种间接监测，不能直接对输电线路中杆塔钢构失效进行判断。通过对以往输电杆塔损坏失稳案例分析发现，杆塔倒塌事故的发生大多是由于杆塔上某些薄弱钢构发生屈服断裂现象，导致杆塔结构失稳。因此杆塔钢构屈服失效是输电线路杆塔倒塌事故发生的直接原因，所以对输电杆塔钢构进行在线监测是一种更有效和更直接的判断杆塔结构健康状态的方法。

现有的对钢构应变进行监测的方法主要基于传统的电阻式应变片，而输电线路杆塔长期处于野外，电阻式应变片极易受到自然环境条件的干扰，测量数据不够准确，无法实现长期在线监测的目的。如何做好输电线路杆塔钢构应变的监测工作，防止因为钢构屈服失效而发生杆塔倒塌事故，以保障电网安全可靠地运行，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测方法，包括光纤光栅应变传感器模块、光纤光栅波长解调模块、数据采集模块、数据存储模块、通信模块以及起到供电作用的电源模块。通过设计传感器夹具，将光纤光栅应变传感器安装固定在杆塔角钢表面，监测杆塔角钢在运行工况下的应变大小。将光纤光栅解调仪模块、数据采集模块、数据存储模块和通信模块集成在监测主机中，对光纤光栅应变传感器输出应变波长信息实时解调，对数据进行预处理，并与远程监控中心通讯与数据传输。在待监测的杆塔塔腿上横隔面处安装固定金属防护箱，对监测主机进行保护。电源模块包含可充电式蓄电池、太阳能光伏电池板和控制器，为监测系统供电。本发明方法通过监测输电线路杆塔钢构应变大小，可最直观的判断杆塔结构的健康状态，由于光纤光栅本身的特性，该系统可长期在高温、高湿和恶劣电磁环境下可靠运行。采集的数据有较高精度，满足工程实际需要，为输电线路状态检修、灾害预防提供了一种有效手段，本发明方法可用于输电线路防灾减灾在线监测，能实现直接对输电线路杆塔构件失效进行有效预警。

一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置，其特征在于，包含：

光纤光栅传感器模块：用于将杆塔钢构的应变信息和环境温度转化为传感器中心波长漂移量；

光纤光栅波长解调模块：用于将光纤光栅传感器输出的波长漂移量解调为应变与温度等物理量；

数据采集模块：用于实时采集杆塔钢构在外载荷作用下的应变信息；

数据存储模块：用于将数据采集模块采集得到的数据保存在本地硬盘中；

通信模块：用于与远程监控中心进行数据传递，实时监控设备运行情况和杆塔钢构应变状况；

电源模块：用于给应变检测装置供电。

其中，供电模块包含太阳能光伏电池板、控制器和蓄电池；应变测量模块为光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，温度传感器的作用为对应变传感器进行温度补偿修正；光纤光栅波长解调、数据采集、数据存储与通信模块集成在监测主机中。各模块连接顺序为：分别将蓄电池、太阳能光伏电池板与控制器相连，然后再将监测主机接入到控制器中，以确保监测主机能得到有效供电；光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器通过FP/APC接口与监测主机相连，实时监测杆塔钢构应变状态。

一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，在输电线路杆塔薄弱钢构表面，基于测点角钢横截面型号，设计两片L型金属夹具，将光纤光栅应变传感器的两端部牢牢固定在角钢上，使得角钢与应变传感器协同形变，同时在每通道应变传感器上串联一个光纤光栅温度传感器，用于对应变传感器进行温度补偿和修正。当测点处角钢产生应变或温度变化时，将引起光纤光栅应变传感器反射光波的中心波长发生漂移，其中波长漂移量与角钢应变与环境温度之间的关系为：

式中，Δλ_B为应变传感器光栅反射光波长漂移量；λ_B为应变传感器光栅原始波长；α₀为光纤的热膨胀系数；β₀为光纤的热光系数；P_e为光纤材料的弹光系数；Δε为角钢的应变变化；ΔT为环境的温度变化。

步骤2，基于锂电池和监测主机的尺寸大小，设计不锈钢金属防护箱，在防护箱侧面或底部设置多个通风散热孔，并给锂电池和监测主机预留足够的空间，保证监测主机在运行过程中产生的热量能及时排出。同时，为避免野外环境中人畜可能对监测系统造成破坏，优选地，将防护箱安装于杆塔的塔腿上横隔面处。

步骤3，将监测主机置于金属防护箱内，并将传感器的光纤线通过FP/APC接口与监测主机相连。监测主机对光纤光栅应变传感器与光纤光栅温度传感器反射光波进行解调，将其转换为应变信息与温度信息，并在数据转换的过程中进行温度补偿与修正，排除由于温度造成的角钢应变信息的干扰，精确测量在外力载荷作用下的杆塔角钢应变值，角钢应变的计算方程式为：

式中，Δε为外力载荷作用下角钢应变变化量；λ为应变传感器光栅测量波长；λ₀为应变传感器光栅初始波长；λ_T为温度传感器光栅测量波长；λ_To为温度传感器光栅初始波长；a为温度传感器温度灵敏度系数；b为应变传感器温度灵敏度系数；K为应变传感器的应变灵敏度系数。

步骤4，安装监测系统电源模块，包含太阳能光伏电池板、控制器和蓄电池，首先将蓄电池与控制器相连，然后再连接太阳能光伏电池板和控制器，最后将监测主机接入到控制器中。太阳能光伏电池板额定功率大小与蓄电池的额定容量相匹配，并在控制器中对各参数进行准确地配置，包括：蓄电池类型、蓄电池额定容量、太阳能电池板额定功率、监测主机额定电压和工作电流、监测主机的工作方式等。为了保证监测主机能够在连续阴雨或雨雪等恶劣天气条件下能够连续多天稳定运行，优选地，蓄电池容量应在280Ah及以上。

步骤5，在监测主机上安装无线上网终端和监控软件，并在无线上网终端配置合适的SIM卡，通过运营商公用网络实现数据传输和远程实时监控功能。

在上述的一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法，光纤光栅应变传感器的固定夹具为两片L型金属片。光纤光栅应变传感器焊接在金属片夹具表面。两片L型金属片通过防脱落螺栓固定精密贴合杆塔角钢表面。

在上述的一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法，步骤1中，所述地传感器类型为光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，温度传感器的作用在于对测量应变进行温度补偿，具体方法为在每一个光纤通道均至少串联1个温度传感器。

在上述的一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法，步骤2中，金属防护箱是根据蓄电池、监测主机的尺寸大小进行设计的，为防止监测系统被偷盗和野外环境下人畜对监测系统可能造成的破坏，优选地，防护箱的安装位置为塔腿上横隔面处。防护箱的固定方式为在箱子底面和侧面开孔，在防护箱内部和角钢外表面用L型夹具进行固定。

在上述的一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法，步骤3中，所述的监测主机包含光纤光栅波长解调模块、CPU卡、内存、显示卡、硬盘、显示器、I/O卡等，实现光纤光栅波长解调仪输出应变波长信息的接入，对数据进行预处理，实时显示监测铁塔各测点处的应变值并保存。

在上述的一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法，步骤4中，所述的电源模块包含太阳能光伏电池板、可充电式蓄电池和控制器，所述的太阳能电池板和蓄电池均与控制器相连，所述的太阳能电池板安装固定在塔腿上横隔面处，所述的蓄电池和控制器放置于金属防护箱中。

在上述的一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法，所述的无线上网终端安装中国电信、中国移动、中国联通的SIM卡，通过2G、3G、4G网络与远程监测中心实现数据传递与通信功能。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：

1、本发明实现了直接对输电线路杆塔角钢应变进行长期在线监测，监测装置安装固定方式简单合理，无须采用焊接等固定方式，不对杆塔本体做任何永久性改变，适用于各种电压等级的输电线路杆塔应变监测。

2、本发明基于光纤光栅应变传感器对钢构应变进行测量，不受风霜雨雪等环境因素的干扰，可对杆塔在恶劣环境条件下钢构的应变进行监测，准确判断杆塔在恶劣环境条件下的运行状态。

3、将本发明方法用于输电线路防灾减灾在线监测，通过监测杆塔构件的变化来直观获取输电线路杆塔的健康状态，为输电线路杆塔状态检修、灾害预防提供了一种有效手段。所获取的输电线路杆塔的运行状态可作为线路运营部门的线路技术改造的依据，也可以为设计部门的设计工作提供一定的参考。

附图说明

下面结合附图，进一步说明本发明内容。

图1是本发明方法监测系统结构图。

图2是光纤光栅传感器和金属防护箱固定夹具。

图3是本发明实施例的输电线路杆塔结构图及塔腿上横隔面位置。

图4是本发明实施例的金属防护箱内部示意图。

图5是本发明实施例的角钢应变监测曲线。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置及方法，以500kV输电线路紧凑型直线塔应变监测为例，包括以下步骤：

步骤1，如图1所示，本发明公开了一种电力系统中基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔钢构应变在线监测装置及方法，包括光纤光栅应变传感器模块、光纤光栅波长解调模块、数据采集模块、数据存储模块、通信模块以及起到供电作用的电源模块。其中，供电模块包含太阳能光伏电池板、控制器和蓄电池，应变测量模块为光纤光栅应变传感器，光纤光栅波长解调、数据采集、数据存储与通信模块集成在监测主机中。

步骤2，如图2所示，事先将光纤光栅传感器固定支座焊接在L型金属夹具一侧，再用防脱落螺栓将夹具紧密固定在测点角钢表面。

步骤3，在如图3所示的塔腿上横隔面处，安装固定如图4所示的金属防护箱，并将蓄电池、解调仪和控制器放置于金属防护箱内。金属防护箱的固定方式与步骤2类似，采用4对夹具分别固定箱子底部4角。金属防护箱的安装应能抵御环境条件的变化，能起到防风防雨的目的。

步骤4，在如图3所示的塔腿上横隔面处，安装固定太阳能光伏电池板，通过太阳能光伏电池板吸收太阳光照，从而为各个模块供电，当太阳能光伏的发电量超过监测系统用电量时，多余电量将存储在蓄电池中，补充蓄电池电量，在光照不足的情况下，如冬季可能出现的连续阴雨天，由蓄电池给监测装置供电，而一旦出现光照，蓄电池电量便能得到有效补充，从而实现对杆塔钢构应变进行长期在线监测。蓄电池容量和太阳能光伏板的额定功率大小应依据待测杆塔所在地的气象条件确定，若存在长期阴雨天的情况，则应该增大蓄电池的容量或增加太阳能光伏板的数量。

步骤5，进一步的，所述通信模块采用无线数据传输方式，可通过中国移动、中国联通、中国电信公用网络进行数据传输，监测人员能够随时通过远程主机对杆塔钢构应变数据进行查看、存储和分析，方便监测人员的监测评估工作，对杆塔的运行状态做出准确的判断。某周内该基杆塔角钢上2个测点处角钢应变的监测曲线如图5所示，角钢应变在-60με～100με内变化。在监测时间段内，该基杆塔所在地天气状况良好，杆塔无覆冰，风速在5m/s以内，角钢应变由风载荷和温度变化导致钢构的热胀冷缩效应引起，应变波动在正常范围内；应变曲线无急剧增大或减小的趋势，可以判断该杆塔运行状态良好，能持续稳定运行。

通过本发明方法可以达到对运行中的杆塔钢构应变进行长期在线监测，直接判断杆塔结构健康状态的目的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测装置，其特征在于，包含：

光纤光栅传感器模块：用于将杆塔钢构的应变信息和环境温度转化为传感器中心波长漂移量；

光纤光栅波长解调模块：用于将光纤光栅传感器输出的波长漂移量解调为应变与温度等物理量；

数据采集模块：用于实时采集杆塔钢构在外载荷作用下的应变信息；

数据存储模块：用于将数据采集模块采集得到的数据保存在本地硬盘中；

通信模块：用于与远程监控中心进行数据传递，实时监控设备运行情况和杆塔钢构应变状况；

电源模块：用于给应变检测装置供电；

其中，供电模块包含太阳能光伏电池板、控制器和蓄电池；应变测量模块为光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，温度传感器的作用为对应变传感器进行温度补偿修正；光纤光栅波长解调、数据采集、数据存储与通信模块集成在监测主机中；各模块连接顺序为：分别将蓄电池、太阳能光伏电池板与控制器相连，然后再将监测主机接入到控制器中，以确保监测主机能得到有效供电；光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器通过FP/APC接口与监测主机相连，实时监测杆塔钢构应变状态。

2.一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，在输电线路杆塔薄弱钢构表面，基于测点角钢横截面型号，设计两片L型金属夹具，将光纤光栅应变传感器的两端部牢牢固定在角钢上，使得角钢与应变传感器协同形变，同时在每通道应变传感器上串联一个光纤光栅温度传感器，用于对应变传感器进行温度补偿和修正；当测点处角钢产生应变或温度变化时，将引起光纤光栅应变传感器反射光波的中心波长发生漂移，其中波长漂移量与角钢应变与环境温度之间的关系为：

式中，Δλ_B为应变传感器光栅反射光波长漂移量；λ_B为应变传感器光栅原始波长；α₀为光纤的热膨胀系数；β₀为光纤的热光系数；P_e为光纤材料的弹光系数；Δε为角钢的应变变化；ΔT为环境的温度变化；

步骤2，基于锂电池和监测主机的尺寸大小，设计不锈钢金属防护箱，在防护箱侧面或底部设置多个通风散热孔，并给锂电池和监测主机预留足够的空间，保证监测主机在运行过程中产生的热量能及时排出；同时，为避免野外环境中人畜可能对监测系统造成破坏，优选地，将防护箱安装于杆塔的塔腿上横隔面处；

步骤3，将监测主机置于金属防护箱内，并将传感器的光纤线通过FP/APC接口与监测主机相连；监测主机对光纤光栅应变传感器与光纤光栅温度传感器反射光波进行解调，将其转换为应变信息与温度信息，并在数据转换的过程中进行温度补偿与修正，排除由于温度造成的角钢应变信息的干扰，精确测量在外力载荷作用下的杆塔角钢应变值，角钢应变的计算方程式为：

式中，Δε为外力载荷作用下角钢应变变化量；λ为应变传感器光栅测量波长；λ₀为应变传感器光栅初始波长；λ_T为温度传感器光栅测量波长；λ_To为温度传感器光栅初始波长；a为温度传感器温度灵敏度系数；b为应变传感器温度灵敏度系数；K为应变传感器的应变灵敏度系数；

步骤4，安装监测系统电源模块，包含太阳能光伏电池板、控制器和蓄电池，首先将蓄电池与控制器相连，然后再连接太阳能光伏电池板和控制器，最后将监测主机接入到控制器中；太阳能光伏电池板额定功率大小与蓄电池的额定容量相匹配，并在控制器中对各参数进行准确地配置，包括：蓄电池类型、蓄电池额定容量、太阳能电池板额定功率、监测主机额定电压和工作电流、监测主机的工作方式等；为了保证监测主机能够在连续阴雨或雨雪等恶劣天气条件下能够连续多天稳定运行，优选地，蓄电池容量应在280Ah及以上；

步骤5，在监测主机上安装无线上网终端和监控软件，并在无线上网终端配置合适的SIM卡，通过运营商公用网络实现数据传输和远程实时监控功能。

3.如权利要求2所述的一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测方法，其特征在于，光纤光栅应变传感器的固定夹具为两片L型金属片；光纤光栅应变传感器焊接在金属片夹具表面；两片L型金属片通过防脱落螺栓固定精密贴合杆塔角钢表面。

4.如权利要求2所述的一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测方法，其特征在于，步骤1中，所述地传感器类型为光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，温度传感器的作用在于对测量应变进行温度补偿，具体方法为在每一个光纤通道均至少串联1个温度传感器。

5.如权利要求2所述的一种基于光纤光栅传感器的输电线路杆塔角钢应变在线监测方法，其特征在于，步骤2中，金属防护箱是根据蓄电池、监测主机的尺寸大小进行设计的，为防止监测系统被偷盗和野外环境下人畜对监测系统可能造成的破坏，优选地，防护箱的安装位置为塔腿上横隔面处；防护箱的固定方式为在箱子底面和侧面开孔，在防护箱内部和角钢外表面用L型夹具进行固定。