用于架空输电线路的光纤布喇格光栅s型拉力传感器

用于架空输电线路的光纤布喇格光栅s型拉力传感器

0耐张塔导线轴向张力的光纤布朗格光栅传感器fbg主要组成空洞的输送线是电气系统中最严重的灾难之一。覆冰使得线路荷载增大,易造成断线、倒塔、闪络等事故,给人民生活和社会经济发展带来巨大的危害。2008年初我国南方特大冰灾,恶劣的天气导致了大面积的线路断线、倒塔等多种事故,对电网造成了严重的破坏,直接经济损失超过千亿元,再一次向人们敲响了进行输电线路覆冰监测的警钟。对架空输电线路覆冰进行实时监测,可以详实地记录现场的覆冰过程,为线路设计、除冰、融冰等提供重要的参考,提高电网的安全性,此外还可以极大地降低工作人员的工作强度和危险性,节省人力、物力,在山区地区尤为显著。相比于传统的应变-电量为基础的电阻应变片传感器而言,光纤布喇格光栅(fiberbragggrating,FBG)以光信号为变换和传输的载体,利用光纤传输信号,具有抗电磁场干扰,绝缘性能好,耐腐蚀,寿命长,测量范围广等优点,更加适用于自然环境恶劣,电磁干扰强的线路环境。经过实验室的前期研究,已研制出用于输电线路覆冰监测的FBG柱式称重传感器,但柱式传感器的测量精度较低,非线性误差为1.7%,灵敏度为0.0413pm/N,分辨率为24.2N,精确度为2.37%,且需要额外不受力的FBG做温度补偿,以消除FBG温度与应变的交叉敏感问题。此外在直线塔处对输电线路覆冰进行称重,不能得到导线张力、弧垂等重要信息,而耐张塔承受较大张力,能够反映整个耐张段内的线路状态,在耐张塔处安装拉力传感器,结合倾角传感器可监测线路覆冰、导线轴向张力、弧垂等多项信息。本文研制了基于耐张塔导线轴向张力的光纤布喇格光栅S型拉力传感器监测输电线路覆冰状况。所研制的拉力传感器由弹性体和FBG传感器两部分组成。该弹性体采用S形剪切式外形,工字形截面,在两侧腹板处分别成±45°粘贴两个FBG传感器。实验结果表明,此拉力传感器的线性度较高,非线性误差为0.76%,灵敏度为0.0495pm/N,分辨率为20.2N/pm,精确度为1.2%,相对于已研制的光纤光栅柱式传感器非线性误差降低一半、精确度提高了1倍,且当传感器受力后,在弹性体两侧腹板处可产生拉压成双的主应变,两FBG波长值相减,不用额外补偿措施即能消除FBG温度与应变的交叉敏感问题。1fbg反射波有效光纤布喇格光栅是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件。其工作原理如图1所示,当宽带光在FBG中传输时,中心波长满足相位匹配条件(公式(1))的光将被反射回来,其余光透射,即λB=2neffΛ。(1)λB=2neffΛ。(1)式中,neff为纤芯的有效折射率;Λ为光栅周期。反射光波矢的中心波长λB跟光栅纤芯的有效折射率neff及光栅周期Λ有关,当外界的被测量引起FBG所受的温度和应力改变时,将会引起纤芯的有效折射率和光栅周期的改变,都会导致反射光中心波长的变化。因此可以通过记录FBG反射波中心波长的变化来监测外界被测量的变化情况。光纤布喇格光栅的中心波长移动量和温度与应变的关系如公式(2)所示ΔλBλB=(αf+ξ)ΔΤ+(1-pe)Δε。(2)式中,λB为中心波长;αf为光纤材料的热膨胀系数;ξ为光纤的热光系数;pe为光纤的有效弹光系数;ΔT为温度变化;Δε为应变变化。利用FBG做拉力传感器时,需要消除温度对FBG波长的影响,即解决温度与应变的交叉敏感问题。2拉格光绪s型柔性传感器设计2.1综合拉断力以某110kV线路,LGJ-240/30导线为例,通过查表,导线的计算拉断力为75.6kN,综合拉断力为计算拉断力的95%,为71.8kN。根据规程,在稀有风速或稀有覆冰气象条件时,悬挂点的最大张力不应超过拉断力的66%,因此,悬挂点的最大张力不应>47kN,传感器的量程设定为50kN。2.2剪切式力传感器目前国内外的拉力传感器形式较多,根据力传感器弹性元件上安装敏感元件处的形变形式划分,常用的传感器主要有柱式传感器和剪切式传感器。实验室已研制的用于直线塔处的FBG柱式称重传感器外形如图2所示,传感器受力后腹板两侧均受拉力,通过测量拉应变计算拉力大小。与柱式传感器相比,剪切式力传感器的输出和精度高得多,其次,剪切弹性元件具有对称性,可以经受大的偏心载荷和水平载荷,并能消除误差,且输出具有良好的线性,是目前应用最广泛的一种传感器形式。本设计中采用S形剪切式作为拉力传感器的外形,其外形如图3所示。传感器上下连接部分根据110kV线路耐张塔处金具设计,主体部分采用S形剪切式外形,将光纤布喇格光栅传感器贴于传感器腹板两侧的盲孔处,盲孔部分可以是方形、矩形,也可以是圆形,为了使加工简单,本设计中加工成方形。为了取得较好的力学特性,传感器为一整体。传感器用于输电线路中,需要有足够的安全性,因此,传感器设计时加入了过载保护,如图3所示,当线路的拉力超过50kN以后,传感器因为形变,导致保护处的间隙闭合,进入保护状态,此时传感器的受力形式由受剪切力转化为受柱式拉力,拉断力显著提高,远大于110kV线路金具的拉断力(100kN)。2.3传感器的结构特性,根据纤维S形传感器是基于剪切力工作的传感器,剪切力本身是不能测量的,但剪切力能产生与中性轴呈45°方向的互相垂直的两个大小相等且拉压成双的主应力。因此,平面应力状态下,可以测量主应力平面上的主拉伸应力和主压缩应力分别产生的拉伸和压缩应变,从而到测力的目的。传感器腹板处采用工字形截面结构,工字形截面易于保证中性层处的应力和应变为弹性元件中最大值;且剪应力沿着腹板的变化较小,当贴片位置有偏差时,对传感器的灵敏度和性能影响小。传感器剖视图如图4所示。由材料力学知识,根据公式(3)、(4),可求出工字形截面对中性轴的静矩S和惯性矩JY:S=B(Η2-h2)+bh28；(3)JY=B(Η3-h)+bh312。(4)式中,S、JY分别为工字形截面对中性轴的静矩和惯性矩;H、h、B、b分别为图4中工字形截面尺寸。因此,S形传感器最大剪应力和剪应变分别为:τmax=QSJYb=3Q2b(BΗ2-(B-b)h2BΗ3-(B-b)h3)；(5)γmax=τmaxG=2τmax(1+μ)E。(6)式中,τmax为最大剪应力;γmax为最大剪应变;Q为外界拉力;μ为泊松比;E为材料的弹性模量。由剪应变产生的与中性轴成45°的主应变为剪应变的一半,因此最大主应变为εmax=±γmax2=±1+μEτmax=±3(1+μ)Q2bE(BΗ2-(B-b)h2BΗ3-(B-b)h3)。(7)式中,εmax为最大主应变。取Q=50kN,μ=0.3,E=210GPa,H=64mm,B=60mm,h=50mm,b=4mm,代入公式(7)可得,50kN下S形传感器中单根FBG传感器的最大微应变为1406,拉压总微应变为2812。2.4传感器微应变仿真力学仿真能够更加准确得仿真出实际S形传感器在受力时各部分的受力情况。将建完的三维S形传感器模型导入有限元分析软件中进行力学仿真。仿真时,传感器顶部固定,底部受50kN的拉力。传感器受力后在腹板处产生的应变矢量图如图5所示。图中黑色为拉应变,蓝色为压应变,由图可见,S形剪切式传感器腹板处由剪应力产生的主应变分别成±45°均匀分布,与理论分析相一致。在S形传感器的正反两腹板处分别成±45°对称地粘贴贴片式光纤布喇格光栅传感器。两光纤布喇格光栅FBG1、FBG2分别承受拉应力和压应力,FBG粘贴示意图如图6所示,粘贴处的微应变大小如图7、8所示。由仿真可得,FBG1处微应变在1311～1319范围内,不均匀度为0.6%,微应变平均值为1315,FBG2处微应变在-1200～-1235范围内,不均匀度为2.8%,微应变平均值为-1217.5。传感器粘贴处应变较均匀,传感器的总微应变为拉压应变相减,为2532.5,与理论计算结果相近。由公式(2)可得,FBG1、FBG2波长变化量相减,不用额外补偿措施即能消除FBG温度与应变的交叉敏感问题。3实验载荷及结果分析S形剪切式传感器制作完成后,需要对传感器的静态性能进行实验验证,实验布置如图9所示。利用连接金具将传感器连接在WDW-200D型微机控制电子式万能材料实验机上,FBG传感器输出信号通过光纤传输到后台解调仪处进行波长解调。实验时通过万能拉力机对传感器施加拉力载荷,FBG传感器波长信号发生相应变化,同时记录拉力机载荷及传感器波长数值。待环境温度稳定后,实验开始前先对传感器施加预加压最大实验载荷(50kN)3次。稳定5min后,开始对传感器施加递增载荷,每个台阶5kN,共10个递增载荷点,当载荷达到最大实验载荷后按相同的载荷点进行递减载荷,重复3次。将记录的各FBG传感器波长值减去起始波长值,得到波长变化量,在各个载荷点处再将FBG1、FBG2的波长变化量相减,消除温度应变的交叉敏感,得传感器示值波长,其中的一组实验数据如表1所示。传感器的在50kN处产生的最大波长变化量为2.496nm,所用贴片式FBG基本性能为1微应变对应1.176pm波长变化量,因此,50kN下光纤布喇格光栅S型拉力传感测量微应变为2122,与有限元仿真结果微应变2532.5稍有区别,这可能是由于FBG传感器粘贴时胶水对应变传递起到了减敏作用而造成的。对实验结果进行经过数据分析,拟合曲线图形如图10所示。曲线拟合精度达到了0.99958,拟合方程如公式(8)所示。y=0.0495x+0.0203。(8)式中,x为载荷大小,kN;y为波长变化量,nm。由数据分析可得传感器非线性误差为0.76%,灵敏度为0.0495pm/N,分辨率为20.2N/pm,经多次实验后可得传感器的精确度为1.2%,相对于已研制的光纤光栅柱式传感器非线性误差降低了一半,精确度提高了1倍。所研制的光纤布喇格光栅S型拉力传感器的线性度较好,灵敏度高,精确度高,工作稳定。4覆冰过程及环境特征将研制的S型拉力传感器进行简单封装后(内部集成有其他FBG传感器)置于气候室内进行覆冰实验,验证传感器在覆冰环境下的可行性及温度补偿效果。实验覆冰情况及覆冰过程中拉力传感器的波长变化的示值如图11、12所示。实验中,传感器的初始温度为室温(15.6°C),16:48气候室开始缓慢降温,19:04传感器表面温度降至-6°C,开始间歇性喷水覆冰,环境温度维持在-6°C不变。22:20停止覆冰实验,打开气候室开始自然升温。覆冰的总冰质量约为2.7kg,冰质量导致的波长变化约为1.3pm,忽略冰重对传感器示值的影响。整个实验过程中拉力传感器的波长示值基本稳定,不随外界温度的变化而变化,喷水前降温期间,示值的波动范围约在±7pm,相当于传感器量程的0.28%,基本稳定。19:04喷水后,示值立即产生越变,最大波动达14pm,相当于传感器量程的0.56%,波长波动增大。这是因为所喷的水为常温水,传感器表面温度发生骤变(两者相差21.6°C),加之喷水方向使两FBG处的受热不均匀,导致两FBG温度效果稍有差异。自然环境中雨雪与传感器表面温度相差不大,实际的覆冰过程中传感器的波动值应<14pm。温度补偿效果总体较理想,挑选温度性能更加一致的FBG,可进一步减小温度补偿误差。5仿真结果与分析a)研制的光纤布喇格光栅S型拉力传感器受力后,在两侧腹板处可产生拉压成