CN113483678B - 一种绝缘端子的覆冰监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种绝缘端子的覆冰监测方法，该方法包括：获取第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长以及架空电缆所处的环境温度，其中，架空电缆的两端以所述绝缘端子为固定支点，第一光纤光栅波长为第一光纤光栅监测的光栅信号的波长，第二光纤光栅波长为第二光纤光栅监测的光栅信号的波长；根据第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长，确定对应的波长差值；根据波长差值和环境温度，判断绝缘端子的覆冰情况。本发明通过增设一个比对光栅，使其不受结冰影响而只受环境温度变化的影响，将两光栅的波长进行比对，反馈光栅仅受覆冰影响时的波长变化量，通过监测两比对光栅波长差值以及差值大小来判断绝缘子覆冰以及其厚度大小，快速准确完成覆冰监测。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路监测技术领域，尤其涉及一种绝缘端子的覆冰监测方法。
背景技术
电力线路的覆冰往往造成杆塔倾倒、导线断裂以及绝缘子串冰闪，严重威胁电力系统的安全运行，2008年南方冰灾事件中，因绝缘子覆冰出现大范围的冰闪跳闸事故。对输电线路覆冰在线监测是保证输电设备安全可靠运行的一种有效手段。绝缘子串作为输电线路中悬挂或固定输电线的承力件，同时起到导线与杆塔间高压电绝缘的作用，一旦出现覆冰现象，极易发生冰闪放炮故事，大电流高压电弧对绝缘子造成烧蚀损伤，从而影响其抗拉强度及绝缘性能。因此，采用有效手段对其覆冰状态监测至关重要。
传统绝缘子串覆冰在线监测方法有荷重法及图像法等，图像法具有能直接观察绝缘子表面的覆冰状况的优势，但远程监控的图像数据量大，对信号实时传输提出高要求，且摄像头观察窗口同样存在覆冰可能性，从而影响绝缘子表面覆冰观察准确性。架空电力线缆的覆冰出现改变绝缘子芯棒的轴向应力，用光纤光栅监测芯棒上应力的变化可以反映线路覆冰情况，但相关专利申请大多在绝缘子结构上进行了一定程度改动。比如在绝缘子芯棒轴上开槽用于固定应力测量的光纤光栅，这势必会影响绝缘子芯棒强度以及其绝缘性能。在不破坏绝缘子结构及影响绝缘子绝缘性能的前提下，实现对绝缘子覆冰状况的监测非常必要。综上，如何在不影响绝缘端子的性能前提下，进行快速高效的覆冰监测是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种绝缘端子的覆冰监测方法，用以解决如何在不影响绝缘端子的性能前提下，进行快速高效的覆冰监测的问题。
本发明提供一种绝缘端子的覆冰监测方法，所述绝缘端子的芯棒上设置有比对光纤光栅探头，所述比对光纤光栅探头包括第一光纤光栅、第二光纤光栅及密封塑料管，其中，所述第一光纤光栅暴露于环境中，对应的光栅信号随着覆冰变化及环境温度变化而变化，所述第二光纤光栅通过所述密封塑料管进行密封封装，对应的光栅信号仅随着环境温度变化而变化，所述绝缘端子的覆冰监测方法包括：
获取第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长以及架空电缆所处的环境温度，其中，所述架空电缆的两端以所述绝缘端子为固定支点，所述第一光纤光栅波长为所述第一光纤光栅监测的光栅信号的波长，所述第二光纤光栅波长为所述第二光纤光栅监测的光栅信号的波长；
根据所述第一光纤光栅波长、所述第二光纤光栅波长，确定对应的波长差值；
根据所述波长差值和所述环境温度，判断所述绝缘端子的覆冰情况。
进一步地，所述根据所述波长差值和所述环境温度，判断所述绝缘端子的覆冰情况包括：
根据所述波长差值判断是否满足第一预设条件；
根据所述环境温度判断是否满足第二预设条件；
若所述第一预设条件和所述第二预设条件皆被满足，则判断所述绝缘端子开始覆冰。
进一步地，所述第一预设条件包括：所述波长差值达到预设差值。
进一步地，根据所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的光纤光栅涂层材料以及涂层厚度，设定所述预设差值。
进一步地，所述第二预设条件包括：所述环境温度低于预设温度。
进一步地，所述根据所述波长差值和所述环境温度，判断所述绝缘端子的覆冰情况还包括：
若所述第一预设条件和所述第二预设条件皆被满足，根据所述波长差值判断所述绝缘端子的覆冰厚度。
进一步地，所述根据所述波长差值判断所述绝缘端子的覆冰厚度包括：若所述波长差值增大，则所述绝缘端子的覆冰厚度增加。
进一步地，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅为波长相同的拉丝塔光栅，且涂层结构和涂层尺寸相同。
进一步地，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅为紧套拉丝塔光栅，其中，紧套材料采用具有亲水性的材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，进行第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长以及环境温度的有效获取，以此结合环境温度和两种光纤光栅波长共同判定覆冰情况；然后，通过第一光纤光栅波长和第二光纤光栅波长之间的波长差值，有效对比不受结冰影响而只受环境温度变化的影响，将两光栅的波长相减，所得波长差即为覆冰监测光栅仅受覆冰影响时的波长变化量；最后，结合波长差值和环境温度多方面因素，共同对覆冰情况进行判断，避免误判漏判，加大了准确度。综上，本发明通过增设一个比对光栅，使其不受结冰影响而只受环境温度变化的影响，将两光栅的波长进行比对，反馈光栅仅受覆冰影响时的波长变化量，通过监测两比对光栅波长差值以及差值大小来判断绝缘子覆冰以及其厚度大小，方法简单，且不对绝缘端子的性能造成任何影响，能快速准确完成覆冰监测。
附图说明
图1为本发明提供的绝缘端子的覆冰监测方法的流程示意图；
图2为图1中步骤S3的具体方法流程示意图；
图3为本发明提供的比对光纤光栅探头的结构示意图一；
图4为本发明提供的比对光纤光栅探头的结构示意图二；
图5为本发明提供的覆冰模拟实验中比对光栅波长及波长差变化的示意图；
图6为本发明提供的仅受环境温度影响时比对光栅波长及波长差变化的示意图；
图7为本发明提供的基于对比光纤光栅的覆冰监测装置的结构示意图；
附图标记：
1-比对光纤光栅探头，2-第一光纤光栅，3-第二光纤光栅，4-密封塑料管，5-覆冰层，6-进出水口，7-保温水槽。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种绝缘端子的覆冰监测方法，绝缘端子的芯棒上设置有比对光纤光栅探头，比对光纤光栅探头包括第一光纤光栅、第二光纤光栅及密封塑料管，其中，第一光纤光栅暴露于环境中，对应的光栅信号随着覆冰变化及环境温度变化而变化，第二光纤光栅通过所述密封塑料管进行密封封装，对应的光栅信号仅随着环境温度变化而变化，结合图1来看，图1为本发明提供的架空电缆风摆监测方法的流程示意图，上述绝缘端子的覆冰监测方法包括步骤S1至步骤S3，其中：
在步骤S1中，获取第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长以及架空电缆所处的环境温度，其中，架空电缆的两端以绝缘端子为固定支点，第一光纤光栅波长为第一光纤光栅监测的光栅信号的波长，第二光纤光栅波长为第二光纤光栅监测的光栅信号的波长；
在步骤S2中，根据第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长，确定对应的波长差值；
在步骤S3中，根据波长差值和环境温度，判断绝缘端子的覆冰情况。
在本发明实施例中，首先，进行第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长以及环境温度的有效获取，以此结合环境温度和两种光纤光栅波长共同判定覆冰情况；然后，通过第一光纤光栅波长和第二光纤光栅波长之间的波长差值，有效对比不受结冰影响而只受环境温度变化的影响，将两光栅的波长相减，所得波长差即为覆冰监测光栅仅受覆冰影响时的波长变化量；最后，结合波长差值和环境温度多方面因素，共同对覆冰情况进行判断，避免误判漏判，加大了准确度。
需要说明的是，本发明基于结冰过程中水相变发生体积膨胀，膨胀产生应力传递给直接接触的光纤光栅，引起其波长增大，通过监测粘附在绝缘子构件上光纤光栅的波长变化量判断光栅表面的覆冰情况，从而判断绝缘子表面的覆冰。由于环境温度变化也会引起光纤光栅的波长改变，如何将覆冰引起的光栅波长变化和环境温度引起的光栅波长变化区别开来成为本发明申请的关键。通过增设一个比对光栅，使其不受结冰影响而只受环境温度变化的影响，将两光栅的波长相减，所得波长差即为覆冰监测光栅仅受覆冰影响时的波长变化量。通过监测两比对光栅波长差值以及差值大小来判断绝缘子覆冰以及其厚度大小。
优选地，结合图2来看，图2为本发明提供的判断覆冰情况的流程示意图，上述步骤S3包括步骤S31至步骤S33，其中：
在步骤S31中，根据波长差值判断是否满足第一预设条件；
在步骤S32中，根据环境温度判断是否满足第二预设条件；
在步骤S33中，若第一预设条件和第二预设条件皆被满足，则判断绝缘端子开始覆冰。
作为具体实施例，本实施例将波长差值和环境温度同时作为覆冰监测的判断参量，由于环境发生结冰的先决条件是环境温度必须低至0℃以下，因而，在考虑波长差值反映覆冰情况的同时，也考虑环境温度的影响，以此避免误判漏判的现象。
优选地，第一预设条件包括：波长差值达到预设差值。作为具体实施例，本实施例通过波长差值与预设差值的比较，准确识别开始覆冰的情况。
优选地，根据第一光纤光栅和第二光纤光栅的光纤光栅涂层材料以及涂层厚度，设定预设差值。作为具体实施例，本实施例充分考虑选用不同的光纤光栅材料带来的影响，设定合理的预设差值，以此准确识别开始覆冰的情况。
在本发明一个具体的实施例中，选用直径245微米的聚丙烯酸酯涂层光纤光栅作为第一光纤光栅和第二光纤光栅，对应的预设差值设置为60皮米，覆冰最大波长差值为220皮米。
优选地，第二预设条件包括：环境温度低于预设温度。作为具体实施例，本实施例考虑到发生结冰的先决条件是环境温度必须低至0℃以下，因而设置第二预设条件，有效识别环境温度达到结冰条件的情况。在本发明一个具体的实施例中，预设温度为0℃。
优选地，上述根据波长差值和环境温度，判断绝缘端子的覆冰情况还包括：若第一预设条件和第二预设条件皆被满足，根据波长差值判断绝缘端子的覆冰厚度。作为具体实施例，本实施例在判断开始结冰之后，进一步根据波长差值判断覆冰厚度，实现对绝缘端子的覆冰情况的理想监测。
优选地，上述根据波长差值判断绝缘端子的覆冰厚度包括：若波长差值增大，则绝缘端子的覆冰厚度增加。作为具体实施例，本实施例利用随着结冰情况的发生，波长差值逐渐变大的原理，即波长差值正比于覆冰厚度，以此通过波长差值对覆冰厚度进行有效的监测。
优选地，第一光纤光栅和第二光纤光栅为波长相同的拉丝塔光栅，且涂层结构和涂层尺寸相同。作为具体实施例，本实施例选用波长相同的拉丝塔光栅，保证对第一光纤光栅和第二光纤光栅之间的波长差值的有效监测。
优选地，第一光纤光栅和第二光纤光栅为紧套拉丝塔光栅，其中，紧套材料采用具有亲水性的材料。作为具体实施例，本实施例选用紧套拉丝塔光栅，保证对第一光纤光栅和第二光纤光栅之间的波长差值的有效监测。
需要说明的是，温度监测在超导以及超低温风洞等实验尤其重要环境下长期服役的工程结构的健康至关重要，例如，航天大飞机中使用的液态氢燃料箱、液态制冷剂的存储与运输、大型超导磁体支撑结构等。传统的一些监测方法，例如，用于测量或监测低温结构中应变的电阻箔应变计，容易受到非线性温度灵敏度和电磁场强度灵敏度的干扰；热电偶和铂电阻温度传感器可能无法保持低温，因为热量会通过传感器的导线侵入超导磁体，破坏原有结构。而光纤布拉格光栅(FBG)传感器作为一种新型的光无源器件，与传统的温度传感器相比，FBG传感器显示出明显的优势。例如，体积小，灵活性强，易嵌入结构中，不受电磁场影响，所测量的物理参数通过FBG反射的光波长(绝对值)来分析，从而消除了与测量零点漂移相关的误差。
实施例2
本发明实施例提供了一种基于对比光纤光栅的覆冰监测装置，包括对比光纤光栅探头，结合图3来看，图3为本发明提供的比对光纤光栅探头的结构示意图一，比对光纤光栅探头1包括：第一光纤光栅2、第二光纤光栅3及密封塑料管4，第一光纤光栅2暴露在外界环境中，当外界发生结冰情况时，形成覆冰层5，暴露在外的第一光纤光栅2及密封塑料管4上会结冰，且随着时间延长，覆冰层5厚度逐渐增厚。而由于结冰相变过程中发生体积膨胀，产生膨胀应力传递给第一光纤光栅2引起其波长增大，受密封塑料管4的阻隔作用，膨胀应力并不传递给第二光纤光栅3，因此第二光纤光栅3波长变化是仅由环境温度变化引起。由于第一光纤光栅2和第二光纤光栅3都受相同环境温度影响，温度变化引起第一光纤光栅2和第二光纤光栅3波长变化相同。从第一光纤光栅2的波长变化中减去温度引起的波长变化量即可得到覆冰引起的光栅波长变化量。
优选地，第二光纤光栅3用于监测环境温度。需要说明的是，由于环境发生结冰的先决条件是环境温度必须低至0℃以下，因此环境温度的监测是本传感探头必须具备的功能，管密封光纤光栅作为只受环境温度影响，是一个理想温度传感器。因此，第二光纤光栅3的监测的环境温度量同时作为覆冰监测的判断参量。
在本发明一个具体的实施例中，结合图4来看，图4为本发明提供的比对光纤光栅探头的结构示意图二，比对光纤光栅探头1在零下20℃的冰柜环境中模拟结冰的实验，比对光纤光栅探头1和保温水槽7位于冰柜中，其中，比对光纤光栅探头1位于保温水槽7开口的正上方100mm处，温水从保温水槽7上的进出水口6与冰柜外的隔膜泵相邻，实现水循环并对其加热，确保保温水槽内水的温度在30℃左右。当水蒸气从保温水槽7挥发遇到冰冷的比对光纤光栅探头1，将发生结冰现象，第一光纤光栅2及密封塑料管4上形成覆冰层5，随着时间延长，覆冰层5厚度逐渐增加。
需要说明的是，结合图5来看，图5为本发明提供的覆冰模拟实验中比对光栅波长及波长差变化的示意图，第一光纤光栅2与第二光纤光栅3的波长差值从第5分钟开始随着结冰情况的发生，波长差值逐渐变大，第5分钟至15分钟期间，光栅波长差值增长速度较大，第一光纤光栅2表面的覆冰致密光滑。从第二光纤光栅3的波长下降程度可知，冰柜空间温度并未下降至设定温度-20℃，水蒸气在裸漏光栅表面存在冷凝成水并结冰的过程，结冰致密，膨胀应力明显；15分钟时覆冰厚度平均约0.5mm。从15分钟至65分钟，光栅波长差值增长变得缓慢，第一光纤光栅2表面的覆冰变得酥松不透明；从第二光纤光栅3的波长下降趋势可知，冰柜空间温度下降至接近设定温度-20℃，水蒸气在裸漏光栅表面发生直接结冰的情况，覆冰状态酥松不透明，膨胀应力不显著，光栅波长差值增幅变小，65分钟时覆冰平均厚度约3mm；后续覆冰厚度增加，光栅波长差值近似没有变化，结冰应力不能理想传递给光栅。结冰引起比对光栅波长差值变化的最大值达约0.22nm。总体而言，模拟实验结果表明比对光纤光栅探头1能较好地对初期时的结冰情况以及结冰厚度进行监测，若将比对光纤光栅探头1固定在输电线路绝缘子串上或周围，将能对绝缘子串的覆冰情况进行理想监测。
需要说明的是，结合图6来看，图6为本发明提供的仅受环境温度影响时比对光栅波长及波长差变化的示意图，比对光纤光栅探头1在柜式冰箱内仅受温度变化影响时的波长及波长差值变化情况，可以看出仅受温度变化影响时比对光纤光栅波长差值最大约0.06nm，且随时间延长，波长差值稳定在0.06nm左右，远远小于覆冰引起的波长差值0.22nm，因此，通过检测比对光纤光栅波长差值可以理想地对覆冰和未覆冰情况进行区别，同时通过检测比对光纤光栅波长差值大小，可实现对覆冰厚度一定范围内的有效监测。
实施例3
本发明实施例提供了一种基于对比光纤光栅的覆冰监测装置，结合图7来看，图7为本发明提供的基于对比光纤光栅的覆冰监测装置的结构示意图，上述基于对比光纤光栅的覆冰监测装置700包括：
获取单元701，用于获取第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长以及架空电缆所处的环境温度，其中，架空电缆以两头绝缘端子为固定支点，绝缘端子的芯棒上设置有监测第一光纤光栅波长的第一光纤光栅和监测第二光纤光栅波长的第二光纤光栅，第一光纤光栅暴露于环境中，受覆冰变化及环境温度变化的影响，第二光纤光栅密封封装，仅受环境温度变化的影响；
处理单元702，用于根据第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长，确定对应的波长差值；
判断单元703，用于根据波长差值和环境温度，判断绝缘端子的覆冰情况。
实施例4
本发明实施例提供了一种基于对比光纤光栅的覆冰监测装置，包括处理器以及存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的绝缘端子的覆冰监测方法。
实施例5
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机该程序被处理器执行时，实现如上所述的绝缘端子的覆冰监测方法。
本发明公开了一种绝缘端子的覆冰监测方法，首先，进行待测摆动波长、参考摆动波长以及第一风摆次数的有效获取，以架空电缆在预设条件下的光栅中心波长为参考，将任意条件下的待测摆动波长与参考摆动波长进行对比，以便结合参考摆动波长对应的第一风摆次数，确定待测摆动波长对应的风摆次数；然后，通过待测幅度和预设摆动幅度，实现对绝缘子受到的拉力进行监测，监测光栅波长变化的幅度大小可以判断风摆程度，从而判断其危害等级；最后，根据幅度比值反馈幅度的变化，结合第一风摆次数和幅度的变化进行有效的预警。
本发明技术方案，将整个输电电缆抽象成单摆，将覆冰、风偏的影响转换成对输电线路重心位置的改变，以此利用光纤光栅应力传感器的波长周期信号，记录绝缘子芯棒的应力波动，监测输电线路风偏的次数以及风偏的幅度，计算输电电缆的覆冰情况，结合多方面因素快速准确完成预警，有效监测了架空电缆的安全运行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种绝缘端子的覆冰监测方法，其特征在于，所述绝缘端子的芯棒上设置有比对光纤光栅探头，所述比对光纤光栅探头包括第一光纤光栅、第二光纤光栅及密封塑料管，其中，所述第一光纤光栅暴露于环境中，对应的光栅信号随着覆冰变化及环境温度变化而变化，所述第二光纤光栅通过所述密封塑料管进行密封封装，对应的光栅信号仅随着环境温度变化而变化，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅为波长相同的拉丝塔光栅或者所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅均为紧套拉丝塔光栅，所述绝缘端子的覆冰监测方法包括：
获取第一光纤光栅波长、第二光纤光栅波长以及架空电缆所处的环境温度，其中，所述架空电缆的两端以所述绝缘端子为固定支点，所述第一光纤光栅波长为所述第一光纤光栅监测的光栅信号的波长，所述第二光纤光栅波长为所述第二光纤光栅监测的光栅信号的波长；
根据所述第一光纤光栅波长、所述第二光纤光栅波长，确定对应的波长差值；
根据所述波长差值和所述环境温度，判断所述绝缘端子的覆冰情况。
2.根据权利要求1所述的绝缘端子的覆冰监测方法，其特征在于，所述根据所述波长差值和所述环境温度，判断所述绝缘端子的覆冰情况包括：
根据所述波长差值判断是否满足第一预设条件；
根据所述环境温度判断是否满足第二预设条件；
若所述第一预设条件和所述第二预设条件皆被满足，则判断所述绝缘端子开始覆冰。
3.根据权利要求2所述的绝缘端子的覆冰监测方法，其特征在于，所述第一预设条件包括：所述波长差值达到预设差值。
4.根据权利要求3所述的绝缘端子的覆冰监测方法，其特征在于，根据所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的光纤光栅涂层材料以及涂层厚度，设定所述预设差值。
5.根据权利要求2所述的绝缘端子的覆冰监测方法，其特征在于，所述第二预设条件包括：所述环境温度低于预设温度。
6.根据权利要求2所述的绝缘端子的覆冰监测方法，其特征在于，所述根据所述波长差值和所述环境温度，判断所述绝缘端子的覆冰情况还包括：
若所述第一预设条件和所述第二预设条件皆被满足，根据所述波长差值判断所述绝缘端子的覆冰厚度。
7.根据权利要求6所述的绝缘端子的覆冰监测方法，其特征在于，所述根据所述波长差值判断所述绝缘端子的覆冰厚度包括：若所述波长差值增大，则所述绝缘端子的覆冰厚度增加。
8.根据权利要求1所述的绝缘端子的覆冰监测方法，其特征在于，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅为波长相同的拉丝塔光栅，且涂层结构和涂层尺寸相同。
9.根据权利要求1所述的绝缘端子的覆冰监测方法，其特征在于，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅为紧套拉丝塔光栅，其中，紧套材料采用具有亲水性的材料。
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