基于光纖傳感的輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)研究*

高 明,張江濤,趙振剛*,李 川,許曉平,梁仕斌

(1.昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650500;2.云南電力試驗研究院(集團)公司,昆明 650217)

近年來,氣象災害事故的頻頻發(fā)生給電網的安全運行構成嚴重威脅。其中,導線覆冰是冬季線路發(fā)生故障的主要原因,輸電線路覆冰輕則導致絕緣子串冰閃跳閘、相間閃絡跳閘等短期事故,重則可導致桿塔傾斜倒塌、線路金具損壞、線路斷線等嚴重事故,從而造成巨大的經濟損失和嚴重的社會影響[1-5]。

輸電導線覆冰監(jiān)測方法主要有稱重法、圖像檢測法、導線傾角法等[6-9]?，F(xiàn)有的監(jiān)測裝置多采用電子式傳感器,存在監(jiān)測裝置的供電問題、通信問題和強電磁環(huán)境下系統(tǒng)工作可靠性問題等[10-11]。與電測量傳感器相比,光纖傳感器有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、傳輸距離遠、無需野外電源等優(yōu)點。隨著光纖傳感技術的發(fā)展和測量性能的進一步提高,光纖傳感器相對于傳統(tǒng)電子傳感器的優(yōu)勢日益明顯。目前,國內外對輸電線路監(jiān)測進行了大量的研究:2018年河南工業(yè)大學岳龍旺等,構建了由數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊、智能決策模塊、除冰機器人模塊組成的輸電線路覆冰遠程監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)高壓輸電線路覆冰的實時監(jiān)測與自動維護[12]。挪威Bjerkan等人將光纖布拉格光柵傳感器直接布置在導線表面用于測量環(huán)境荷載引起的導線形變,因而可監(jiān)測導線水平靜態(tài)和動態(tài)荷載變化,如可監(jiān)測導線覆冰、舞動等現(xiàn)象[13]。2016年西安工程大學黃新波等提出了一種基于光纖光柵應變傳感器的鐵塔應力監(jiān)測方法,通過測量光纖光柵中心波長的變化反映鐵塔應力的變化[14-16]。2016年重慶大學胡琴等在分裂導線等值覆冰厚度模型中提出將分裂導線的覆冰等效成單根導線的覆冰,與人工測量結果進行比對,相對誤差為7.8%[17]。2016年張子翀給出一種基于導線傾角和拉力的輸電線路復合荷載等效覆冰模型,該模型中考慮了風偏平面內定向風載荷的復合荷載[18]。2016年華北電力大學張永謙提出一種新型高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng),利用GPRS和GSM將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心,實現(xiàn)了對線路電流、電壓、溫度和角度等狀態(tài)的監(jiān)測[19]。

針對目前國內輸電導線覆冰厚度的光纖監(jiān)測主要處于實驗室研究階段的現(xiàn)狀,本文結合輸電塔線體系的結構特點和輸電導線覆冰厚度的計算模型,實現(xiàn)了光纖監(jiān)測參量的優(yōu)化選取。結合輸電線路關鍵結構參量的光纖監(jiān)測與直線塔輸電線路覆冰厚度分析模型,實現(xiàn)了導線覆冰厚度的實時監(jiān)測與分析,并與人工觀冰結果進行對比驗證。

1 輸電線路覆冰厚度計算方法

覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于國內外廣泛采用的稱重法原理,并且考慮了絕緣子和導線風偏變化對覆冰結果的影響,建立反映線路覆冰狀況的力學模型。其中,基礎參數(shù)為:主桿塔A與小號側桿塔B及大號側桿塔C間的檔距分別為l1和l2,導線原始長度為S1和S2,導線懸掛點高度差為h1和h2,高差角為β1和β2。圖1為風偏平面內輸電線路的模型[20]。

圖1 風偏平面內輸電線路的模型

絕緣子串軸向拉力F由拉力傳感器測得,該力的方向與風偏平面內垂直方向的夾角即為風偏平面的傾斜角θ′。

(1)

設Gt為導線、絕緣子串和金桔自重之和,絕緣子串和金具自重為Gi,w為導線單位長度無冰荷載,則有

Gt=Gi/2+w(Sa+Sb)

(2)

風偏平面內,覆冰前垂直方向向下的力為導線、絕緣子串和金具自重之和與風共同作用形成的綜合荷載,而覆冰后增加了因覆冰形成的覆冰荷載。在垂直平面內導線覆冰前、后保持靜力平衡,則有式(3)成立

(3)

qice為均勻覆冰時每根分裂導線的載荷集度,對于每個桿塔,Gt是常數(shù),則有

(4)

F′為去掉風、雨等因素形成的拉力后懸垂絕緣子垂直方向上所受的拉力。

(5)

按照線路設計標準覆冰形狀為均勻圓柱形,則導線等效覆冰厚度為:

(6)

式中:ρ為覆冰密度,值為0.9×10-3kg/(m·mm2),d為導線直徑(mm)。從計算導線等效覆冰厚度的公式可知,式中有絕緣子拉力F(N)、絕緣子風偏角η(度)及傾斜角θ(度)3個狀態(tài)參量需要監(jiān)測。因此,須在桿塔上布設拉力傳感器、傾角傳感器,用來監(jiān)測導線的覆冰情況。

2 基于光纖傳感的輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

由于輸電線路覆冰斷線等現(xiàn)象通常發(fā)生在人煙稀少的高海拔地區(qū),環(huán)境比較惡劣,出現(xiàn)問題后維修起來比較困難,而且電源需要長期供電,經常更換電池會耗費很多的人力物力,輸電線路周圍環(huán)繞著很強的電磁干擾,對信號傳輸?shù)臏蚀_性造成很大的影響。而光纖光柵傳感器不需要工作電源,其傳輸信號使用的激光源來自于解調儀,光纖傳感器本身良好的抗電磁干擾和絕緣能力使其能夠在外界強大的電壓和電磁干擾下正常工作。

項目實施在云南電網某110 kv架空輸電線路,模塊掛接在OPGW主網絡上,塔上光網絡總體示意圖,如圖2所示。

圖2 光網絡示意圖

圖3 輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)整體結構

圖3即為輸電導線在線監(jiān)測系統(tǒng)的架構圖。該系統(tǒng)由安裝于絕緣子串上方的拉力傳感器、雙軸傾角傳感器、OPGW及ADSS、置于變電站內的光纖解調儀等構成。光纖通訊則從29#桿塔的OPGW接續(xù)盒引出兩芯作為光纖傳感信號的傳輸通道,通過架設ADSS光纜連接到30#桿塔上。打開接續(xù)盒后,將選好的兩芯ADSS傳感沿接續(xù)盒備用孔穿入,斷開前選好OPGW光纖中的兩芯,然后將ADSS與OPGW光纖熔接,最后密封接續(xù)盒,并把接續(xù)盒安裝到29#桿塔上。

本次工作所采用的傳感器的主要技術指標如表1 所示。

表1 傳感器的主要技術指標

對光纖光柵拉力傳感器進行實驗室標定,標定系統(tǒng)示意圖如圖4所示。將傳感器放置于拉力試驗機,通過拉力試驗機對傳感器拉力進行設定與控制。傳感器中心波長由光纖光柵解調儀來讀取,解調儀得到傳感器中心波長信息后通過數(shù)據(jù)線送至計算機進行存儲。

圖4 傳感器標定系統(tǒng)示意圖

待環(huán)境溫度穩(wěn)定后,開始對傳感器施加遞增荷載,當荷載達到試驗荷載后進行遞減荷載。實際加載擬合曲線如圖5所示。

圖5 波長變化與所加荷載擬合曲線

利用傳感器數(shù)據(jù)進行分析得到靈敏度0.049 5 pm/N。如圖5所示,傳感器線性度定義為

ξL=Δλmax/λFS

(7)

式中:ξL為傳感器拉力響應線性度,%;Δλmax是擬合誤差的最大值,nm;λFS是光纖光柵溫度傳感器輸出波長的最大變化量,nm。

根據(jù)式(7)與圖5中傳感器數(shù)據(jù)分析得到傳感器線性度為0.76%。

2.1 傳感器連接金具的安裝

確定光纖布拉格光柵稱重傳感器的量程是傳感器設計的第1步,只有確定了傳感器的測量范圍,才能更好優(yōu)化傳感器的結構和性能。根據(jù)選取的實際線路進行計算,確定傳感器的最大測量范圍為40 kN。

為了在準確測量直線塔懸掛絕緣子串所受張力的同時避免對現(xiàn)場設備過大的改動,稱重傳感器的安裝結構,如圖6所示。稱重傳感器替換現(xiàn)有金具中的第2部分(ZS-7型掛板)和第3部分(QP-7球型掛頭),傳感器的長度與被替換金具的總長度相同。為防止因機械加工或接觸不均勻造成力傳遞過程中的損失和方向發(fā)生變化,彈性體和上下接頭為一體化形式加工。將FBG粘貼在柱體表面中央位置,測量拉力產生的軸向應變,它具有結構簡單緊湊、體積小、堅固耐用 、量程較大、加工材耗小等優(yōu)點。在風偏平面內,由絕緣子拉力F(N)、絕緣子風偏角η(度)及傾斜角θ(度)3個狀態(tài)參量及公式(5),可以得到去掉風、雨等因素形成的拉力后懸垂絕緣子垂直方向上所受的拉力。由于風、雨等因素會引起導線的舞動,故在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時進行濾波處理,把風、雨因素濾除掉,以減小其對最后計算結果的影響。

圖6 柱式稱重傳感器安裝結構

2.2 光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器安裝

圖7 光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器安裝示意圖

為了在準確測量直線塔懸掛絕緣子串所受張力的同時,避免對現(xiàn)場設備做大的改動,光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器安裝示意圖如圖7所示。拉力傳感器大多數(shù)只安裝在直線塔上,且多以非標替金具式拉力傳感器為主。拉力傳感器替換現(xiàn)有金具中球型掛頭,傳感器的長度與被替換金具的總長度相同,所測力的方向為懸垂絕緣子串軸向。雙軸傾角傳感器由順線光纖光柵傾角傳感器和橫向光纖光柵傾角傳感器組成,通過測得的波長數(shù)據(jù),可實現(xiàn)對懸垂絕緣子串順線的傾斜角度和橫向的傾斜角度的測量,實現(xiàn)懸垂絕緣子串的二維傾斜角度的實時測量。雙軸傾角傳感器通過固定件加緊在拉力傳感器上,通過調整調零螺絲可以使雙軸傾角傳感器調零。光纖光柵傳感器通過光纖連接到OPGW光纜接續(xù)盒上,將光纖與光網絡進行熔接,最后經光纖解調儀接入監(jiān)控中心。圖8是光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器現(xiàn)場安裝效果圖。

圖8 光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器現(xiàn)場安裝圖

3 基于光纖傳感的輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)設計

輸電塔線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)有4個主要功能模塊,分別為在線監(jiān)測模塊、時序曲線顯示模塊、報表信息模塊、后臺操作模塊。

在線監(jiān)測模塊,在線監(jiān)測模塊的界面采用flash制成,單擊flash界面上的光纖復合絕緣子監(jiān)測區(qū)域,可顯示該區(qū)域當前監(jiān)測的懸垂絕緣子串軸向力和二維傾斜角度的實時數(shù)據(jù);單擊導線覆冰監(jiān)測區(qū)域,可實時顯示當前監(jiān)測的導線覆冰監(jiān)測值。

時序曲線顯示模塊,時序曲線顯示模塊包含時序曲線顯示和未來趨勢分析兩個子模塊。時序曲線顯示可以顯示光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器的歷史數(shù)據(jù)曲線;趨勢分析算法依據(jù)傳感器的歷史數(shù)據(jù)可分析推算出光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器的未來數(shù)據(jù)趨勢。

報表信息模塊,報表信息模塊包括日報表信息管理和月報表信息管理,數(shù)據(jù)庫會將每小時和每日的光纖光柵稱重、雙軸傾角傳感器的平均數(shù)據(jù)自動添加到日報表和月報表。報表信息模塊可對不同時間的日、月報表信息進行查詢。

后臺操作模塊,后臺操作模塊可對用戶權限進行操作管理,用戶登錄系統(tǒng)后,可完成用戶登錄信息的核驗,用戶信息核驗正確后,才能進入后臺操作系統(tǒng),后臺操作系統(tǒng)會獲取用戶的權限信息,并對用戶的信息進行記錄,指引用戶進入相應的界面操作。退出監(jiān)測系統(tǒng):點擊退出系統(tǒng),退出監(jiān)測系統(tǒng),全部監(jiān)測程序將關閉。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測主界面如圖9所示。

圖9 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測主界面

4 輸電導線在線監(jiān)測結果與分析

本篇文章以云南電網某110 kV輸電線路30#直線塔上安裝的監(jiān)測終端的運行數(shù)據(jù)為例,運用模型計算導線的覆冰等效厚度并與人工觀冰值進行對比。

根據(jù)前期研發(fā)的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng),可實時獲取輸電線路的拉力、傾斜角及風偏角等參數(shù),該線路設計承受覆冰厚度為20 mm。收集整理云南電網某110 kV某輸電線路2015-12-18至2016-02-17期間的覆冰期的人工觀冰記錄和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖12 風偏角數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

圖10 拉力數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

圖11 傾斜角數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

根據(jù)監(jiān)測終端實際測量的拉力、傾斜角和風偏角數(shù)據(jù),采用本文的覆冰厚度分析方法可計算出2015-12-18至2016-02-17期間的輸電線路覆冰厚度,為了對比,還給出了人工觀冰的結果。

用本文的模型計算得到的覆冰厚度引入了風偏角參量,而風舞動對輸電導線覆冰有影響,因此需要用濾波把風因素濾掉。圖13即為濾波后輸電導線覆冰厚度變化曲線。

圖13 輸電導線覆冰厚度變化曲線

表2為4個時間段的系統(tǒng)監(jiān)測值與人工觀冰值

表2 人工觀冰與系統(tǒng)監(jiān)測值的對比 單位:mm

表2中,人工觀冰值為輸電導線觀冰點的最大覆冰厚度,即覆冰最嚴重處的值,而系統(tǒng)監(jiān)測值是輸電導線的等效覆冰厚度(平均值),人工觀冰值約為系統(tǒng)監(jiān)測值的2倍～4倍。

5 結論

本文結合輸電塔線的結構特點和輸電導線覆冰厚度的計算模型,實現(xiàn)了光纖監(jiān)測參量的優(yōu)化選取。收集整理云南電網某110 kV輸電線路主要覆冰期(2015年12月18日至2016年2月17日)的監(jiān)測數(shù)據(jù),并與人工觀冰結果進行對比驗證。結果表明,基于光纖傳感的輸電線路覆冰監(jiān)測方法可用來監(jiān)測導線的等效覆冰厚度,為直流融冰等除冰過程提供數(shù)據(jù)支撐,以保障電網的安全穩(wěn)定運行。