光纖光柵在輸電鐵塔結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用

李佳奇，曹敏，胡威，李川

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)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(xué)，昆明 650000)

0 前言

變電站和輸變電設(shè)備所處地貌復(fù)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(yùn)行的主要因素之一。因?yàn)槿狈τ行У谋O(jiān)測手段，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成了影響。采用光纖Bragg 光柵應(yīng)變傳感器和土壓力傳感器對輸電鐵塔進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)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(guān)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(gè)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(yīng)變和溫度就是兩個(gè)能顯著改變Bragg 波長的物理量。當(dāng)光柵受到外界應(yīng)變作用時(shí)，光柵的拉伸會導(dǎo)致其周期的變化，同時(shí)彈光效應(yīng)會導(dǎo)致光柵折射率的變化;當(dāng)光柵受到外界溫度的影響時(shí)，由于材料的熱膨脹，會使其周期發(fā)生變化，同時(shí)光柵折射率也會水溫度而變化。以上的變化將最終導(dǎo)致布Bragg 波長的移位。波長移位與應(yīng)變和溫度的關(guān)系如下:

式中:ΔλB為溫度與應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)發(fā)生變化。Bragg 波長λB 同時(shí)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(yīng)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(fēng)舞拉力下以及小角度傾斜情況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行分析，尋找應(yīng)變集中位置，并合理選取傳感測點(diǎn)。鐵塔是由角鋼用螺栓聯(lián)接組成的，多個(gè)螺栓的角鋼聯(lián)接使角鋼的約束增加。在利用ANSYS 進(jìn)行有限元建模時(shí)，由于鐵塔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以不采用實(shí)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(shí)情況比較接近，角鋼的聯(lián)接點(diǎn)簡化為單元的節(jié)點(diǎn)即為剛節(jié)點(diǎn)，這種建模方法的計(jì)算結(jié)果比較接近實(shí)際情況。

3 電力鐵塔的傳感器安裝

塔架應(yīng)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(jìn)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(gè)穿過固定座時(shí)，由于預(yù)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(gè)預(yù)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(yīng)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(yīng)變傳感器，并且在塔基的方向均埋設(shè)了光纖土壓力盒。根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變傳感器以及土壓力傳感器有效的檢測到了主材的應(yīng)變變化以及塔基土壓力的變化。通過長期的監(jiān)測，應(yīng)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(fēng)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(yīng)變異常報(bào)警功能正常啟用，對電力鐵塔塔身應(yīng)變長期在線監(jiān)測，監(jiān)測應(yīng)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(bào)警功能正常啟用，預(yù)警機(jī)制如下:

1)速率預(yù)警:當(dāng)24 小時(shí)內(nèi)變化速率高于長期監(jiān)測統(tǒng)計(jì)的最大速率時(shí)，應(yīng)有所警惕，在雨季應(yīng)該留意鐵塔所處于的山體狀況。必要時(shí)采取疏通排水溝引流等方法緩解塔基所受壓力，注意橫擔(dān)因大風(fēng)、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(yù)警:當(dāng)監(jiān)測值大于系統(tǒng)長期監(jiān)測統(tǒng)計(jì)出的最大值時(shí)，應(yīng)該巡視現(xiàn)場狀況。

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