CN112098776B - 一种覆冰及污闪电流监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种覆冰及污闪电流监测系统及方法，系统包括：第一悬臂梁模块、第二悬臂梁模块、光栅解调模块和数据处理模块；通过引流环将绝缘子串上的电流引流至电磁转化单元，第一悬臂梁模块在覆冰的作用下产生形变；电磁转化单元将电流转为磁场；磁场吸引第二悬臂梁产生形变；光栅解调模块解调第一FBG和第二FBG形变导致的光波长偏移，第三FBG和第四FBG形变导致的光波长偏移；数据处理模块接收第一FBG和第二FBG形变导致的光波长偏移数据，计算获得覆冰厚度，接收第三FBG和第四FBG形变导致的光波长偏移数据，计算获得污闪电流。双光栅的方法不仅可以消除温度对于光纤光栅波长偏移量的影响，同时应变对于光纤光栅波长偏移量的影响提升了一倍。

Description

一种覆冰及污闪电流监测系统及方法

技术领域

本发明属于输电线路覆冰及电流监测技术领域，更具体地，涉及一种覆冰厚度及污闪电流的监测系统及方法。

背景技术

输电线路作为电力流、能源流的重要载体，输电线路的安全性成为亟待解决的问题。当前我们国家的雾霾越来越严重，空气中的污染物也越来越多。当污染物沉积在输电线路绝缘子串上到达一定程度且绝缘子串周围环境达到一定条件(高湿等)时，绝缘子串的电阻变小，导致绝缘子串导通及绝缘子串外出现电弧，绝缘子串发生闪络现象，闪络严重时会发生电网大面积停电事故。与此同时，气象因素、季节影响、高度影响、地理环境影响、线路走向的影响以及引流线本身的影响均会导致输电线路引流线上覆冰。当线路上出现大量覆冰时，出现过载现象导致架空输电线路机械和电气方面的故障，杆塔两侧的不平衡张力加剧，当大于引流线承受的最大张力就会出现引流线断落、杆塔倒塌的现象，甚至严重者会发生电流的闪络而发生火灾大量的覆冰会严重威胁电力行业的运行安全，同时给电网维修人员造成了很多的不便和困难。

由于传统的电子式测量技术以电子信息处理为基础的特点注定了其将受到供电、电磁干扰、信号传输不稳定、数据传输容量受限等因素制约，限制了其安全性与可靠性。光纤传感技术因具有无源、抗电磁干扰、光纤信息传输安全稳定等多个方面的优势，近年来随着电力特种光缆的大规模建设国内陆续开展了基于光纤传感的输电线路安全监测研究。

现有技术文件1(郝艳捧等.用于覆冰状态测量的光纤光栅复合绝缘子及其制造方法[P].CN108878074A,2018-11-23.)公开了一种用于覆冰状态测量的光纤光栅复合绝缘子，植入有与芯棒平行的光纤，通过光栅波长的变化对复合绝缘子的覆冰状态进行计算。现有技术文件1采用的是在复合绝缘子内植入光纤光栅实现，此方法需要特定的制造工艺进行制造，没有普遍性，需要独立开模制造，工艺复杂，成本高。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供了一种能够消除交叉敏感，无源、抗电磁干扰、光纤信息传输安全稳定且低成本的覆冰及污闪电流监测系统及方法。

本发明采用如下的技术方案。一种覆冰及污闪电流监测系统，包括：第一悬臂梁模块、第二悬臂梁模块、光栅解调模块和数据处理模块，所述第一悬臂梁模块包括：第一悬臂梁、第一FBG和第二FBG；第一悬臂梁包括依次连接的杆塔连接部、绝缘体和绝缘子连接部，其中杆塔连接部和绝缘子连接部由金属材料制成，绝缘体由绝缘材料制成，第一FBG和第二FBG安装在杆塔连接部上；所述第二悬臂梁模块包括磁体部、电磁转化单元、第二悬臂梁、第三FBG和第四FBG，磁体部、第三FBG和第四FBG安装在第二悬臂梁上，绝缘子串上的电流引流至电磁转化单元，并将该电流转化为磁场，磁体部受电磁转化单元产生磁场的吸引，带动第二悬臂梁产生形变；所述光栅解调模块，通过光纤分别与第一FBG和第二FBG、第三FBG和第四FBG相连接，解调光路中光的波长；所述数据处理模块与所述光栅解调模块相连接，用于依照波长数据，计算得到实时污闪电流数据和覆冰厚度；FBG是指光纤布拉格光栅。

优选地，第一FBG和第二FBG相互垂直地粘贴在杆塔连接部上。

优选地，所述电磁转化单元包括：第一引流环、第二引流环、引流线和亥姆赫兹线圈对；第一引流环和第二引流环分别设置在绝缘体两侧的杆塔连接部和绝缘子连接部上，第一引流环经引流线与亥姆赫兹线圈对的一端相连接，第二引流环经引流线与亥姆赫兹线圈对的另一端相连接。

优选地，第二悬臂梁包括固定部和可偏转部，可偏转部的一端与固定部相连接，第三FBG和第四FBG安装在可偏转部上，位于磁体部与固定部之间。

优选地，磁体部包括永磁体或非永久磁体。

优选地，所述光栅解调模块，包括光信号产生单元、解调单元和光纤；第一FBG和第二FBG通过光纤与光信号产生单元和解调单元相连接，构成第一光路；第三FBG和第四FBG同样通过光纤与光信号产生单元和解调单元相连接，构成第二光路。

本发明还提供了一种基于所述的覆冰及污闪电流监测系统的覆冰及污闪电流的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，通过引流环将绝缘子串上的电流引流至电磁转化单元，第一悬臂梁模块上的第一FBG和第二FBG在覆冰的作用下产生形变；

步骤2，电磁转化单元将电流转为磁场；

步骤3，磁场吸引第二悬臂梁产生形变；

步骤4，光栅解调模块解调第一悬臂梁模块的第一FBG和第二FBG形变导致的光波长偏移，解调第二悬臂梁模块的第三FBG和第四FBG形变导致的光波长偏移；

步骤5，数据处理模块接收第一FBG和第二FBG形变导致的光波长偏移数据，计算获得覆冰厚度，接收第三FBG和第四FBG形变导致的光波长偏移数据，计算获得污闪电流。

优选地，步骤1具体包括：使用第一悬臂梁模块上绝缘体两侧的第一引流环和第二引流环通过引流线将绝缘子串上的污闪电流引流至电磁转化单元的亥姆赫兹线圈对。

优选地，步骤2具体包括：亥姆赫兹线圈对将电流转化为磁场。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，采用两个光纤光栅，将这两个光纤光栅贴在悬臂梁的对称的两端，当悬臂梁弯折时，其中一个光纤光栅受到拉伸，另一个光纤光栅受到压缩。整个系统总的波长偏移量是两片光纤光栅的总和且抵消了温度对光纤光栅波长偏移量的影响，从而降低了由于温度而产生的波长偏移量占有的比例，提高了测量的准确度的同时，增大了光纤光栅对于相同作用力下光纤光栅波长偏移量的敏感度。

通过替换玻璃绝缘子或复合绝缘子等绝缘子与杆塔之间的连接金具，达到测量的效果，广泛性更强，成本更低。当有绝缘体时，电流经过第一悬臂梁模块会有巨大的电阻，于是通过引流环被引流至亥姆赫兹线圈对。如果没有绝缘体，当加入两个引流环时，电流由第一悬臂梁模块流向杆塔，再经过杆塔流向地，而不经过电磁转化单元。

同时测量覆冰和污闪电流，首先是有利于功能的集成化，其次覆冰和污闪电流可以互相互补，例如，一般强覆冰条件较同等环境无覆冰条件下，污闪电流会增大；同理，污闪变大了，即可能染污或覆冰，即可以根据天气等参数对覆冰精确度进行补充。

所需零部件均无需开模以特殊工艺进行加工，通用性强，有效降低了成本。

附图说明

图1是光纤光栅测量污闪电流和覆冰系统的详细图；

图2是光纤布拉格光栅原理图；

图3是悬臂梁粘贴位置图。

图中：绝缘子串1，第一引流环2，第二引流环3，第一悬臂梁模块4，杆塔5，引流线6，亥姆赫兹线圈对7，磁体8，第三FBG 9，光纤10，光纤光栅解调装置11，宽带光12，反射光13，透射光14，绝缘体15，第一FBG 16，第二FBG 17，第四FBG 18。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种覆冰及污闪电流实时监测系统，可以用于OPGW(光纤复合架空地线，英文名optical fiber composite overhead ground wire，简称OPGW)光缆，包括第一悬臂梁模块4、第二悬臂梁模块、光纤光栅解调模块11和数据处理模块。

第一悬臂梁模块4用于替代绝缘子串1与杆塔5之间的金具，连接绝缘子串1与杆塔5。绝缘子串1由玻璃绝缘子或复合绝缘子构成。

第一悬臂梁模块4包括第一悬臂梁、第一FBG 16(光纤布拉格光栅，英文名FiberBragg Grating，简称FBG)和第二FBG 17。

第一悬臂梁包括依次连接的杆塔连接部、绝缘体15和绝缘子连接部，其中杆塔连接部和绝缘子连接部由金属材料制成，绝缘体15由绝缘材料制成，杆塔连接部和绝缘子连接部分别位于绝缘体15两侧，第一FBG 16和第二FBG 17安装在杆塔连接部上，第一引流环2和第二引流环3分别位于绝缘体15两侧的杆塔连接部和绝缘子连接部，通过第一引流环2和第二引流环3可以把绝缘子串1上的污闪电流引下来。

当设置有绝缘体15时，电流经过第一悬臂梁模块4会有巨大的电阻，于是通过引流环被引流至亥姆赫兹线圈对7。如果没有绝缘体15，当加入两个引流环时，电流由第一悬臂梁模块4流向杆塔5，再经过杆塔5流向地，而不经过电磁转化单元。

第一FBG 16和第二FBG 17通过粘贴的方式安装在杆塔连接部上，如图1、3所示，第一FBG 16和第二FBG 17在杆塔连接部两侧相对地粘贴安装，优选但不限于，第一FBG 16和第二FBG 17粘贴在第一悬臂梁主体部的两侧，更为优选的是，第一FBG 16和第二FBG 17安装方向相互垂直。

由于双光栅的方法不仅可以消除温度对于光纤光栅波长偏移量的影响，同时应变对于光纤光栅波长偏移量的影响提升一倍。图3中标出两个FBG的位置关系，两个FBG垂直粘贴可以实现波长一增一减效果，测量覆冰厚度的悬臂梁粘贴方式通过图3可以看出。

第二悬臂梁模块包括：磁体部8、电磁转化单元、第二悬臂梁、第三FBG9和第四FBG18。第二悬臂梁包括固定部和可偏转部，可偏转部的一端与固定部相连接。磁体部8设置在可偏转部上远离固定部的一侧。第三FBG 9和第四FBG 18安装在可偏转部上，位于磁体部8与固定部之间。第三FBG 9和第四FBG 18在可偏转部两侧相对地安装，优选但不限于，第三FBG 9和第四FBG18通过粘贴的方式安装在第二悬臂梁可偏转部的两侧，更为优选的是，第三FBG 9和第四FBG 18安装方向相互垂直。

电磁转化单元包括：第一引流环2、第二引流环3、引流线6和亥姆赫兹线圈对7。第一引流环2设置在第一悬臂梁的绝缘子连接部与绝缘体15之间，第二引流环3设置在第一悬臂梁的杆塔连接部与绝缘体15之间，第一引流环2经引流线6与亥姆赫兹线圈对7的一端相连接，第二引流环3经引流线6与亥姆赫兹线圈对7的另一端相连接。

磁体部8优选但不限于，永磁体，非永久磁体。

光栅解调模块包括光信号产生单元、解调单元和光纤10。第一FBG 16和第二FBG17通过光纤10与光信号产生单元和解调单元相连接，构成第一光路。同理，第三FBG 9和第四FBG 18同样通过光纤10与光信号产生单元和解调单元相连接，构成第二光路。解调单元接收从光纤10返回的光信号，并将所述光信号解调成数字信号。

如图2所示，一束光被传播到光纤布拉格光栅FBG的时候，当反射窄带光12的中心波长满足布拉格方程时，光波产生光栅布拉格反射即只能反射一种特定波长的光，这个波长称为布拉格中心波长，此为反射光13，而其它光波将被透过光栅沿原方向继续传播，此为透射光14。光纤光栅的反射中心波长的变化同时与应力以及外界温度有关，当外界环境不发生变化时，光纤光栅由轴向压变产生的应变量和波长偏移量有很好的线性关系。

所述数据处理模块与所述光栅解调模块相连接，用于依照波长数据，计算得到实时污闪电流数据和覆冰厚度。

本发明还提供了一种使用上述覆冰及污闪电流监测系统的覆冰及污闪电流的监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，通过引流环将绝缘子串1上的污闪电流引流至电磁转化单元，第一悬臂梁模块4上的第一FBG 16和第二FBG 17在覆冰的作用下产生形变；

具体地，使用第一悬臂梁的绝缘体15两侧的第一引流环2和第二引流环3通过引流线6将第一悬臂梁模块4的电流引流至电磁转化单元的亥姆赫兹线圈对7。

步骤2，电磁转化单元的亥姆赫兹线圈对7将电流转为磁场；

步骤3，磁场吸引第二悬臂梁模块的磁体8导致第二悬臂梁产生形变；

步骤4，光栅解调模块解调第一悬臂梁模块4的第一FBG 16和第二FBG17形变导致的光波长偏移，解调第二悬臂梁模块的第三FBG 9和第四FBG 18形变导致的光波长偏移；

步骤5，数据处理模块接收第一FBG 16和第二FBG 17形变导致的光波长偏移数据，计算获得覆冰厚度，接收第三FBG 9和第四FBG 18形变导致的光波长偏移数据，计算获得污闪电流。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，采用两个光纤光栅，将这两个光纤光栅贴在悬臂梁的对称的两端，当悬臂梁弯折时，其中一个光纤光栅受到拉伸，另一个光纤光栅受到压缩。整个系统总的波长偏移量是两片光纤光栅的总和且抵消了温度对光纤光栅波长偏移量的影响，从而降低了由于温度而产生的波长偏移量占有的比例，提高了测量的准确度的同时，增大了光纤光栅对于相同作用力下光纤光栅波长偏移量的敏感度。

当设置有绝缘体15时，电流经过第一悬臂梁模块4会有巨大的电阻，于是通过引流环被引流至亥姆赫兹线圈对7。如果没有绝缘体15，当加入两个引流环时，电流由第一悬臂梁模块4流向杆塔5，再经过杆塔5流向地，而不经过电磁转化单元。

同时测量覆冰厚度和污闪电流，首先是有利于功能的集成化，其次覆冰和污闪电流可以互相互补，例如，一般强覆冰条件较同等环境无覆冰条件下，污闪电流会增大；同理，污闪变大了，即可能染污或覆冰，即可以根据天气等参数对覆冰精确度进行补充。

所需零部件均无需开模以特殊工艺进行加工，通用性强，有效降低了成本。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种覆冰及污闪电流监测系统，包括：第一悬臂梁模块(4)、第二悬臂梁模块、光栅解调模块(11)和数据处理模块，其特征在于：

所述第一悬臂梁模块(4)包括：第一悬臂梁、第一FBG(16)和第二FBG(17)；第一悬臂梁包括依次连接的杆塔连接部、绝缘体(15)和绝缘子连接部，其中杆塔连接部和绝缘子连接部由金属材料制成，绝缘体(15)由绝缘材料制成，第一FBG(16)和第二FBG(17)安装在杆塔连接部上；第一FBG(16)和第二FBG(17)相互垂直地粘贴在杆塔连接部上；

所述第二悬臂梁模块包括磁体部(8)、电磁转化单元、第二悬臂梁、第三FBG(9)和第四FBG(18)，磁体部(8)、第三FBG(9)和第四FBG(18)安装在第二悬臂梁上，绝缘子串(1)上的电流引流至电磁转化单元，并将该电流转化为磁场，磁体部(8)受电磁转化单元产生磁场的吸引，带动第二悬臂梁产生形变；

所述光栅解调模块，通过光纤(10)分别与第一FBG(16)和第二FBG(17)、第三FBG(9)和第四FBG(18)相连接，解调光路中光的波长；

所述数据处理模块与所述光栅解调模块相连接，用于依照波长数据，计算得到实时污闪电流数据和覆冰厚度；

FBG是指光纤布拉格光栅。

2.根据权利要求1中所述的覆冰及污闪电流监测系统，其特征在于：

所述电磁转化单元包括：第一引流环(2)、第二引流环(3)、引流线(6)和亥姆赫兹线圈对(7)；

第一引流环(2)和第二引流环(3)分别设置在绝缘体(15)两侧的杆塔连接部和绝缘子连接部上，第一引流环(2)经引流线(6)与亥姆赫兹线圈对(7)的一端相连接，第二引流环(3)经引流线(6)与亥姆赫兹线圈对(7)的另一端相连接。

3.根据权利要求1所述的覆冰及污闪电流监测系统，其特征在于：

第二悬臂梁包括固定部和可偏转部，可偏转部的一端与固定部相连接，第三FBG(9)和第四FBG(18)安装在可偏转部上，位于磁体部(8)与固定部之间。

4.根据权利要求3所述的覆冰及污闪电流监测系统，其特征在于：

磁体部(8)包括永磁体或非永久磁体。

5.根据权利要求1所述的覆冰及污闪电流监测系统，其特征在于：

所述光栅解调模块，包括光信号产生单元、解调单元和光纤(10)；第一FBG(16)和第二FBG(17)通过光纤(10)与光信号产生单元和解调单元相连接，构成第一光路；第三FBG(9)和第四FBG(18)同样通过光纤(10)与光信号产生单元和解调单元相连接，构成第二光路。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的覆冰及污闪电流监测系统的覆冰及污闪电流的监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，通过引流环将绝缘子串(1)上的电流引流至电磁转化单元，第一悬臂梁模块(4)上的第一FBG(16)和第二FBG(17)在覆冰的作用下产生形变；

步骤2，电磁转化单元将电流转为磁场；

步骤3，磁场吸引第二悬臂梁产生形变；

步骤4，光栅解调模块解调第一悬臂梁模块(4)的第一FBG(16)和第二FBG(17)形变导致的光波长偏移，解调第二悬臂梁模块的第三FBG(9)和第四FBG(18)形变导致的光波长偏移；

步骤5，数据处理模块接收第一FBG(16)和第二FBG(17)形变导致的光波长偏移数据，计算获得覆冰厚度，接收第三FBG(9)和第四FBG(18)形变导致的光波长偏移数据，计算获得污闪电流。

7.根据权利要求6所述的覆冰及污闪电流的监测方法，其特征在于：

步骤1具体包括：使用第一悬臂梁模块(4)上绝缘体(15)两侧的第一引流环(2)和第二引流环(3)通过引流线(6)将绝缘子串(1)上的污闪电流引流至电磁转化单元的亥姆赫兹线圈对(7)。

8.根据权利要求7所述的覆冰及污闪电流的监测方法，其特征在于：

步骤2具体包括：亥姆赫兹线圈对(7)将电流转化为磁场。

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