CN111879449A - 一种在线测量电缆与附件界面压力的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种在线测量电缆与附件界面压力的系统及方法,系统包括光纤曲率传感子系统、抗温度干扰子系统以及数据分析子系统;光纤曲率传感子系统获取电缆附件最外层曲率变化情况并将数据传递给数据分析子系统,抗温度干扰子系统避免温度对测量结果的影响,数据分析子系统通过建立的电缆附件内外层应力应变方程对数据进行换算,实时显示附件内外压力值。将光纤传感器缠绕在电缆附件外层,电缆附件弯曲扩张后,聚酰亚胺薄膜随之弯曲,粘贴在聚酰亚胺薄膜上的光纤布拉格光栅分别发生伸长和缩短,对应的布拉格中心波长发生漂移,光纤光栅解调仪检测反射波长信号得到光纤布拉格光栅波长漂移之后的值。本发明能够实现电缆与附件界面压力的在线测量和直观显示。

Description

一种在线测量电缆与附件界面压力的系统及方法
技术领域
本发明属于电力电缆检测领域,涉及一种在线测量电缆与附件界面压力的系统及方法。
背景技术
目前电力电缆系统故障时有发生,其中非外力破坏造成的故障主要集中在电缆附件上。而电缆本体与电缆附件间的界面压力是保证电缆附件安全运行的关键。界面压力的不可控性,可能导致附件移位、界面受潮、气隙放电、局部过热,也就是说,引起电缆附件界面放电的各种问题,有可能最根本原因是界面压力的变化,逐渐导致沿面放电而击穿。目前国内外应用较广的界面压力测量方法均为离线测量方法。界面内置薄膜压力传感器是较为传统的离线界面压力测量方法,在电缆本体与附件之间预制压力传感器。当电缆附件扩张时,压力传感器检测到压力变化并将结果输出。这种方法不仅安装困难,还破坏了电缆与附件界面的紧贴结构,传感器的薄小化是该方法的关键。空心铝管替代电缆本体进行离线测量也是目前存在的一种方法,通过在铝质薄壁管内部粘贴电阻应变片,用电测法测量橡胶件施加载荷时内壳壁的应变量,再利用理论计算模型得到外壁界面压力值,显然这种方法存在测量模型与实物差距过大的缺陷,难以保证测量的准确性。除此之外,利用有限元分析计算也是评估电缆与附件绝缘界面压力的方法之一,但其有效性仍有待考究。总之,离线方式下的面压测量,也只能应用于新电缆附件的面压设计或抱紧力的验证,且测试结果存在一定的不确定性。实际电缆运行过程中,电缆与附件界面必须紧密贴敷,无法植入传感器,因此无法得到界面压力的变化规律,同时,只有通过电缆附件界面压力的实时在线测量,才能更准确的诊断附件界面故障,提出更可靠的界面压力设计方法,大幅度提高电缆系统运行稳定性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中电缆与附件界面压力测量不便及准确性不高的问题,提供一种在线测量电缆与附件界面压力的系统及方法,能够在运行状态下实时并准确的检测出电缆附件界面压力的变化规律,实现电缆与附件界面压力的在线测量和直观显示。
为了实现上述目的,本发明的一种在线测量电缆与附件界面压力的系统,包括光纤曲率传感子系统、抗温度干扰子系统以及数据分析子系统;所述的光纤曲率传感子系统用于获取电缆附件最外层曲率变化情况并将数据传递给数据分析子系统,光纤曲率传感子系统包括缠绕在电缆附件外层的光纤传感器,光纤传感器包括由多层聚酰亚胺薄膜组成的聚酰亚胺薄膜基体,以及粘贴在不同聚酰亚胺薄膜层上的光纤布拉格光栅;光纤布拉格光栅之间设有波长差,光纤布拉格光栅相对中性层的聚酰亚胺薄膜距离相等,通过将光纤布拉格光栅的应变转化为中性层聚酰亚胺薄膜的曲率变化,进而转化成最下层聚酰亚胺薄膜的曲率即电缆附件最外层的曲率,结合曲率公式得到电缆附件最外层曲率和光纤布拉格光栅中心波长差的函数关系;所述的抗温度干扰子系统用于避免温度对测量结果的影响,通过将不同光纤布拉格光栅的信号同时传递给光纤光栅解调仪,光纤光栅解调仪连接数据分析子系统,数据分析子系统将光纤布拉格光栅的波长漂移相减以消除温度影响;所述的数据分析子系统通过建立的电缆附件内外层应力应变方程对数据进行换算,实时显示附件内外压力值。
优选的,所述的光纤传感器通过橡胶带缠绕在电缆附件外层,橡胶带的端部粘在一起,橡胶带与电缆附件外之间不固定,光纤传感器能够相对电缆附件表面滑动。
优选的,所述的光纤布拉格光栅通过单模光纤将光反射信号传递给光纤光栅解调仪,所述的光纤光栅解调仪上设置有带宽光源。
优选的,所述的光纤布拉格光栅设置两个,分别布置在距离聚酰亚胺薄膜中性层较远的聚酰亚胺薄膜层上。
优选的,所述的数据分析子系统采用计算机,计算机内置基于Labview虚拟界面软件编写的界面压力测量软件,光纤光栅解调仪通过千兆网线将光谱数据传递给计算机。
优选的,所述的数据分析子系统将光纤布拉格光栅的波长相减得到反射波长差值与薄膜传感器中性层曲率的线性函数,设薄膜中性层曲率半径为ρ,薄膜厚度为h,通过1/(ρ-h/2)得到薄膜最内层的曲率,代入线性函数即得到光纤布拉格光栅反射波长差值与附件最外层曲率的函数关系。
本发明还提供一种在线测量电缆与附件界面压力的方法,包括以下步骤:
首先,将光纤传感器缠绕在电缆附件外层,电缆附件弯曲扩张后,光纤传感器的聚酰亚胺薄膜随之弯曲,粘贴在聚酰亚胺薄膜上的光纤布拉格光栅分别发生伸长和缩短,对应的布拉格中心波长发生漂移;然后,通过带宽光源发射带宽光谱的光入射光纤布拉格光栅,波长在布拉格中心附近的光被反射回来,光纤光栅解调仪检测反射波长信号得到光纤布拉格光栅波长漂移之后的值,在计算机上通过图像和数值的方式记录波长漂移。
优选的,计算机将光纤布拉格光栅的波长相减得到反射波长差值与薄膜传感器中性层曲率的线性函数,设薄膜中性层曲率半径为ρ,薄膜厚度为h,通过1/(ρ-h/2)得到薄膜最内层的曲率,代入线性函数得到光纤布拉格光栅反射波长差值与附件最外层曲率的函数关系。
优选的,计算机基于Labview虚拟界面软件编写界面压力测量软件,将波长信号转化为压力数值,软件动态显示电缆附件内外绝缘层的压力值,并实时显示3D动态压力分布。
优选的,所述的界面压力测量软件内置光纤光栅波长差值与附件最外层曲率关系方程,橡胶材料非线性扩张本构方程,并且结合橡胶材料本体特性,包括温度与弹性模量、温度与应力松弛,根据应力应变的换算得到电缆附件外层曲率-外层形变量-外层压力-内层压力的换算方程,动态显示附件内外绝缘层压力值并实时显示3D动态压力分布,实现电缆与附件界面压力的在线测量和直观显示。
相较于现有技术,本发明具有如下的有益效果:该测量系统结构简单,提出了一种外置柔性光纤传感测量附件压力的方法,这种测量方法不需要改变电缆附件的安装结构,是一种非侵入式在线测量方式,能够在电缆运行状态下实时监测电缆与附件界面压力值,观测电缆附件界面压力的变化规律,同时通过抗温度干扰系统避免了温度对测量系统准确度的影响,光纤传感器包括粘贴在不同聚酰亚胺薄膜层上的光纤布拉格光栅,光纤布拉格光栅之间设有波长差,光纤布拉格光栅相对中性层的聚酰亚胺薄膜距离相等,温度和形变对光纤光栅波长的影响是严格线性独立的,将光纤布拉格光栅的波长漂移相减就能够消除温度影响。本发明可以更加准确辅助诊断电缆附件界面故障,也可以用于指导建立电缆附件界面压力设计的行业标准,并及时预测附件故障概率,大幅度提高电缆系统运行稳定性。
附图说明
图1本发明实施例在线测量电缆与附件界面压力的系统示意图;
图2本发明实施例光纤传感器的结构示意图;
图3本发明实施例界面压力测量软件界面图;
附图中:101-电缆与附件装配结构;102-光纤传感器;103-橡胶带;104-通孔;105-单模光纤;106-光纤光栅解调仪;107-带宽光源;108-航插;109-开关;110-千兆网线;111-计算机;201-聚酰亚胺薄膜基体;202-第一光纤布拉格光栅;203-入射和反射光信号;204-第二光纤布拉格光栅;301-测量结果数值显示窗口;302-参数输入窗口;303-测量结果图像显示窗口;304-双光纤波长显示窗口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1,本发明在线测量电缆与附件界面压力的系统,包括光纤曲率传感子系统、抗温度干扰子系统以及数据分析子系统。光纤曲率传感子系统包括光纤传感器102、橡胶带103、单模光纤105及光纤光栅解调单元。光纤传感器102是将两根光纤布拉格光栅内置于方形聚酰亚胺薄膜基体当中形成的光纤布拉格光栅聚酰亚胺薄膜曲率传感器。橡胶带103紧密缠绕在电缆附件上,橡胶带103的端部用胶水粘在一起即可,橡胶带103与电缆附件外绝缘两者之间不需要固定。这样就保证了聚酰亚胺薄膜随电缆附件曲率的变化而变化,但不与电缆附件表面固定,可以相对电缆附件表面滑动,保证了聚酰亚胺薄膜下层不受电缆附件表面形变而产生拉伸或压缩的影响。通过橡胶带103将光纤传感器102“软”接触在电缆附件外绝缘层上,保证电缆附件外绝缘在扩张过程中光纤传感器102只发生弯曲(曲率变化)而不受附件绝缘最外层拉伸形变的影响。通孔104是在橡胶带103上打的小孔,将在橡胶带103内部的单模光纤105从通孔104引出来,大小足够两根单模光纤105灵活移动即可。光纤光栅解调单元包括光纤光栅解调仪106、带宽光源107,带宽光源107可内置于光纤光栅解调仪106中。单模光纤105将光纤光栅解调仪106上内置带宽光源107发射的光信号传递到传感器内部的光纤布拉格光栅,并将反射信号传递到光纤光栅解调仪106上进行采集。采用内置光源107大大简化了设备的繁琐性,提高了不同环境下电缆附件压力在线监测的灵活性。
数据分析子系统指搭载windows系统的计算机111,计算机111基于Labview虚拟界面软件编写电缆与附件界面压力在线测量软件。测量软件内置双光纤光栅波长差值与附件最外层曲率关系方程、橡胶材料非线性扩张本构方程,同时综合考虑橡胶材料本体特性(温度与弹性模量、温度与应力松弛),根据应力应变的换算从而得到电缆附结构外层曲率-外层形变量-外层压力-内层压力的换算方程。软件动态显示附件绝缘内外层压力值,并实时显示3D动态压力分布,实现电缆与附件界面压力的在线测量和直观显示。使用设备时,将电源接在航插108上,打开开关109,将光纤光栅解调仪106上的信号通过千兆网线110传输到数据处理子单元,在电缆与附件界面压力在线测量软件上进行数据处理和显示。
参见图2,本发明的光纤传感器102中聚酰亚胺薄膜基体201可由多层聚酰亚胺薄膜组成,不同的聚酰亚胺薄膜可用柔性胶水粘贴。第一光纤布拉格光栅202和第二光纤布拉格光栅204的中心反射波长相近,可采取10nm左右的波长差。认为温度和形变对光纤光栅波长的影响是严格线性独立的,通过两个光纤布拉格光栅的波长漂移公式相减,即可消除温度的影响。设共有10层聚酰亚胺薄膜,从底部往上数分别为1层至10层,将第一光纤布拉格光栅202和第二光纤布拉格光栅204分别粘贴在第2层上表面和第9层下表面,即两个光纤布拉格光栅与聚酰亚胺薄膜201的中性层(第五层)的距离相同,由材料力学的纯弯曲模型理论知识,可将两个光纤布拉格光栅层的应变转化为中性层的曲率变化,进而转化成最下层薄膜的曲率,即电缆附件最外层的曲率,结合曲率公式和波长漂移相减公式,可得到电缆附件最外层曲率和第一光纤布拉格光栅202、第二光纤布拉格光栅204中心波长差的函数关系。
参见图3,本发明基于Labview虚拟界面软件编写的界面压力测量软件,集成了电缆附件结构最内层-最外层应力应变关联模型以及双光纤布拉格光栅波长中心差值与曲率关系方程,界面部分主要包含参数输入窗口302,在参数输入窗口302将电缆及附件的尺寸、热膨胀系数以及附件材料的永久形变量输入进去,通过软件计算分析,双光纤波长显示窗口304实时显示双光纤波长,测量结果数值显示窗口301实时动态显示弹性模量、应力松弛系数、附件绝缘内外压力值,测量结果图像显示窗口303实时显示电缆附件3D动态压力分布。
本发明在线测量电缆与附件界面压力的系统及方法不破坏电缆附件的安装结构,非侵入式在线测量,可以在运行状态下实时检测电缆附件界面压力的变化规律,也可用于指导建立电缆附件界面压力设计的行业标准,可及时预测附件故障概率,提高电缆系统运行可靠性。
以上所述实施例仅仅表达了本发明的一种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以对本实例做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明实际的保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种在线测量电缆与附件界面压力的系统,其特征在于:包括光纤曲率传感子系统、抗温度干扰子系统以及数据分析子系统;所述的光纤曲率传感子系统用于获取电缆附件最外层曲率变化情况并将数据传递给数据分析子系统,光纤曲率传感子系统包括缠绕在电缆附件外层的光纤传感器(102),光纤传感器(102)包括由多层聚酰亚胺薄膜组成的聚酰亚胺薄膜基体(201),以及粘贴在不同聚酰亚胺薄膜层上的光纤布拉格光栅;光纤布拉格光栅之间设有波长差,光纤布拉格光栅相对中性层的聚酰亚胺薄膜距离相等,通过将光纤布拉格光栅的应变转化为中性层聚酰亚胺薄膜的曲率变化,进而转化成最下层聚酰亚胺薄膜的曲率即电缆附件最外层的曲率,结合曲率公式得到电缆附件最外层曲率和光纤布拉格光栅中心波长差的函数关系;所述的抗温度干扰子系统用于避免温度对测量结果的影响,通过将不同光纤布拉格光栅的信号同时传递给光纤光栅解调仪(106),光纤光栅解调仪(106)连接数据分析子系统,数据分析子系统将光纤布拉格光栅的波长漂移相减以消除温度影响;所述的数据分析子系统通过建立的电缆附件内外层应力应变方程对数据进行换算,实时显示附件内外压力值。
2.根据权利要求1所述的在线测量电缆与附件界面压力的系统,其特征在于:所述的光纤传感器(102)通过橡胶带(103)缠绕在电缆附件外层,橡胶带(103)的端部粘在一起,橡胶带(103)与电缆附件外之间不固定,光纤传感器(102)能够相对电缆附件表面滑动。
3.根据权利要求1所述的在线测量电缆与附件界面压力的系统,其特征在于:
所述的光纤布拉格光栅通过单模光纤(105)将光反射信号传递给光纤光栅解调仪(106),所述的光纤光栅解调仪(106)上设置有带宽光源(107)。
4.根据权利要求1所述的在线测量电缆与附件界面压力的系统,其特征在于:所述的光纤布拉格光栅设置两个,分别布置在距离聚酰亚胺薄膜中性层较远的聚酰亚胺薄膜层上。
5.根据权利要求1所述的在线测量电缆与附件界面压力的系统,其特征在于:所述的数据分析子系统采用计算机(111),计算机(111)内置基于Labview虚拟界面软件编写的界面压力测量软件,光纤光栅解调仪(106)通过千兆网线(110)将光谱数据传递给计算机(111)。
6.根据权利要求1所述的在线测量电缆与附件界面压力的系统,其特征在于:所述的数据分析子系统将光纤布拉格光栅的波长相减得到反射波长差值与薄膜传感器中性层曲率的线性函数,设薄膜中性层曲率半径为ρ,薄膜厚度为h,通过1/(ρ-h/2)得到薄膜最内层的曲率,代入线性函数即得到光纤布拉格光栅反射波长差值与附件最外层曲率的函数关系。
7.一种在线测量电缆与附件界面压力的方法,其特征在于,包括以下步骤:
将光纤传感器(102)缠绕在电缆附件外层,电缆附件弯曲扩张后,光纤传感器(102)的聚酰亚胺薄膜随之弯曲,粘贴在聚酰亚胺薄膜上的光纤布拉格光栅分别发生伸长和缩短,对应的布拉格中心波长发生漂移,通过带宽光源(107)发射带宽光谱的光入射光纤布拉格光栅,波长在布拉格中心附近的光被反射回来,光纤光栅解调仪(106)检测反射波长信号得到光纤布拉格光栅波长漂移之后的值,在计算机(111)上通过图像和数值的方式记录波长漂移。
8.根据权利要求7所述在线测量电缆与附件界面压力的方法,其特征在于:所述的计算机(111)将光纤布拉格光栅的波长相减得到反射波长差值与薄膜传感器中性层曲率的线性函数,设薄膜中性层曲率半径为ρ,薄膜厚度为h,通过1/(ρ-h/2)得到薄膜最内层的曲率,代入线性函数得到光纤布拉格光栅反射波长差值与附件最外层曲率的函数关系。
9.根据权利要求7所述在线测量电缆与附件界面压力的方法,其特征在于:所述的计算机(111)基于Labview虚拟界面软件编写界面压力测量软件,将波长信号转化为压力数值,软件动态显示电缆附件内外绝缘层的压力值,并实时显示3D动态压力分布。
10.根据权利要求9所述在线测量电缆与附件界面压力的方法,其特征在于:界面压力测量软件内置光纤光栅波长差值与附件最外层曲率关系方程,橡胶材料非线性扩张本构方程,并且结合橡胶材料本体特性,包括温度与弹性模量、温度与应力松弛,根据应力应变的换算得到电缆附件外层曲率-外层形变量-外层压力-内层压力的换算方程,动态显示附件内外绝缘层压力值并实时显示3D动态压力分布,实现电缆与附件界面压力的在线测量和直观显示。
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