光纖光柵在輸電鐵塔結(jié)構(gòu)檢測中的應用

李佳奇，曹敏，胡威，李川

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217;2.云南電網(wǎng)公司研究生科研工作站，昆明 650217;3.昆明理工大學，昆明 650000)

0 前言

變電站和輸變電設備所處地貌復雜，氣候多樣，地質(zhì)安全和氣候的變化一直是威脅電網(wǎng)安全運行的主要因素之一。因為缺乏有效的監(jiān)測手段，無法及時發(fā)現(xiàn)險情，對電網(wǎng)的安全運行造成了影響。采用光纖Bragg 光柵應變傳感器和土壓力傳感器對輸電鐵塔進行實時在線檢測很重要。

1 光纖光柵傳感器原理

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性(如外界入射光子與纖芯內(nèi)鍺離子線序作用引起纖芯折射率的永久性變化)，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，起作用實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射器。由光柵方程可知，其Bragg 反射峰中心波長λB與光纖光柵的周期Λ 的關系為:

式中:neff為光纖的有效折射率。

光柵從周期性結(jié)構(gòu)來看，光柵分為有規(guī)律周期和周期變化(即chirp 光柵)兩種。光纖Bragg光柵傳感器用的是有規(guī)則周期的光柵，光柵的周期一般為0.05～0.3 nm。

由光柵方程公式 (1)可知，光纖光柵的Bragg 中心波長取決于光柵周期和光纖的有效折射率，任何使用這兩個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵Bragg 波長的移位。通過對Bragg 波長移位的測量，就可以測出被測參量。應變和溫度就是兩個能顯著改變Bragg 波長的物理量。當光柵受到外界應變作用時，光柵的拉伸會導致其周期的變化，同時彈光效應會導致光柵折射率的變化;當光柵受到外界溫度的影響時，由于材料的熱膨脹，會使其周期發(fā)生變化，同時光柵折射率也會水溫度而變化。以上的變化將最終導致布Bragg 波長的移位。波長移位與應變和溫度的關系如下:

式中:ΔλB為溫度與應變引起的光纖光柵中心波長移位，λB為Bragg 中心波長;Δε 為軸向應變;ΔT 為溫度變化，α 和ξ 分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)，Pe為彈光系數(shù)。

彈光系數(shù)Pe可以表示為:

光纖的熱熱膨脹系數(shù)α 和ξ 熱光系數(shù)可以分別表示為:

表1 不同波長的光纖光柵的應變與溫度靈敏度

通過以上光纖光柵傳感原理分析可以看出，在光纖Bragg 光柵處施加外力，光柵的間隔發(fā)生變化后，反射回來的光的波長也會相應發(fā)生變化。Bragg 波長λB 同時受到光柵周期和有效折射率擾動的影響，因而通過檢測光纖Bragg 波長λB 的變化即可測出應變和溫度的變化。

2 輸電鐵塔仿真

選用ANSYS 有限元分析軟件對電力鐵塔在電纜風舞拉力下以及小角度傾斜情況下的應力、應變情況進行分析，尋找應變集中位置，并合理選取傳感測點。鐵塔是由角鋼用螺栓聯(lián)接組成的，多個螺栓的角鋼聯(lián)接使角鋼的約束增加。在利用ANSYS 進行有限元建模時，由于鐵塔結(jié)構(gòu)比較復雜，所以不采用實體建模的方法。在ANSYS 中選用BEAM188 建模考慮到了角鋼的方向性，與輸電線鐵塔真實情況比較接近，角鋼的聯(lián)接點簡化為單元的節(jié)點即為剛節(jié)點，這種建模方法的計算結(jié)果比較接近實際情況。

3 電力鐵塔的傳感器安裝

塔架應變傳感器的安裝方法。由于傳感器之間為串聯(lián)，傳感器穿完兩邊底座后，再進行焊接會燒傷傳感器引出光纜，需先將底座焊接好后，將連接好的傳感器逐個穿過固定座時，由于預留的孔間隙很小，底座之間稍微有偏角傳感器就很難穿過，因此，用一個預先做好的模子套在底座上，將底座焊好。安裝原理及方法參見圖1。

圖1 塔架應變傳感器安裝原理圖

4 結(jié)束語

在電力鐵塔的塔身主材安裝了光纖應變傳感器，并且在塔基的方向均埋設了光纖土壓力盒。根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，應變傳感器以及土壓力傳感器有效的檢測到了主材的應變變化以及塔基土壓力的變化。通過長期的監(jiān)測，應變變化正常波動，無異常突變情況，主材處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，塔身主材的形變量受季節(jié)性氣溫、降雨量、風力的影響比較大。根據(jù)上述變化范圍和長期的變化趨勢，電力鐵塔塔身主材應變異常報警功能正常啟用，對電力鐵塔塔身應變長期在線監(jiān)測，監(jiān)測應變變化波動范圍，有無異常突變情況，以此判斷主材是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)上述變化范圍和長期的變化趨勢，電力鐵塔塔基壓力異常報警功能正常啟用，預警機制如下:

1)速率預警:當24 小時內(nèi)變化速率高于長期監(jiān)測統(tǒng)計的最大速率時，應有所警惕，在雨季應該留意鐵塔所處于的山體狀況。必要時采取疏通排水溝引流等方法緩解塔基所受壓力，注意橫擔因大風、覆冰等惡劣天氣帶來的扭曲，折斷等不安全隱患。

2)最大值預警:當監(jiān)測值大于系統(tǒng)長期監(jiān)測統(tǒng)計出的最大值時，應該巡視現(xiàn)場狀況。

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