CN105953956A - 一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力***领域，尤其涉及一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置。其特征在于，所述测量装置包括光纤信号调制解调装置和若干个测量传感器；脉冲信号调制器在信号发生器的控制作用下将可调谐激光器输出的连续光谱转换成脉冲信号输出，经掺铒光纤放大器增强的脉冲信号经环形器进入测量传感器，由测量传感器反射回来的脉冲信号经环形器进入高速信号接收器，实现光电信号的转换，并由控制计算机完成信号的采样处理；本发明适合于各种恶劣复杂环境下的长期测量，测量传感器抗电磁干扰，不需要工作电源；由本发明装置构成的分布式传感器网络，解决了传统波分复用传感器网络容量小，分布测量范围受限的问题，方便实现测量传感器的空间定位。
Description
技术领域
本发明属于电力***领域，尤其涉及一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置。
背景技术
在各种自然灾害中，冰灾对电力***的安全运行造成严重影响，给电网造成的损失最为严重。尤其输电线路大面积覆冰容易导致线路导线载荷增加，从而引起架空输电线路导线断裂、杆塔倾倒和绝缘子覆冰闪络等事故的发生，继而导致重大电力事故的发生甚至大面积电网运行瘫痪。世界范围内的输电线路覆冰事故发生较为频繁，有记录显示挪威、美国、加拿大、英国、俄罗斯和日本等国家都曾出现严重的输电线路覆冰事故，对本国电网的安全运行造成严重影响。我国由于输电线路分布范围广泛，并且受大气候和微地形、微气象条件的影响，线路覆冰事故更是频繁发生。2008年罕见的大面积覆冰影响我国南方十几个省市，持续的雨雪冰冻天气对电力设施造成的直接损失超过千亿。近几年，由于输电线路积雪覆冰导致的电力设备故障和小范围停电事故也时常发生。
耐张塔作为架空输电线路的主要承重结构，在架空线路严重覆冰情况下容易发生杆塔倾倒。输电线路覆冰在线监测可以及时准确地反应线路的实际覆冰情况，为输电线路巡检工作人员提供可靠的线路覆冰信息，在出现大面积线路覆冰时，为工作人员制定除、融冰措施提供参考依据，可有效的降低线路覆冰带来的损失。目前针对输电线路在线监测的研究形成了视频监控法、气象预测法、积冰测量法、导线温度和倾角测量法、电容测量法和称重法。其中称重法因为测量直接，计算模型简单，传感器安装方便而被广泛使用。目前普遍应用的是传统电阻式应变片传感测量方式，通过电气测量手段获取导线状态信息，但存在精密电桥测量电路易受现场强电磁环境干扰，恶劣温湿环境下长期运行不稳定，需要工作电源等缺点。现有光纤光栅测量传感器的应变测量元件采用胶粘安装，粘贴工艺复杂，并且长期冷热变化容易导致有机应变胶水性能下降，应变传递效果减弱。现有光纤光栅测量传感器多为柱式测量结构，直接测量柱式应变结构在架空导线拉伸下的应变，考虑弹性体抗拉强度问题，测量灵敏度一般较低，并且普遍存在较大迟滞误差。现有光纤光栅传感器网络多采用波分复用技术，以宽带光源作为光纤信号输入设备，每个测量光纤光栅需留有5nm的动态范围，传感器网络容量受光源谱宽、光源功率和相邻光栅间距限制，信道数量有限。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述测量装置包括光纤信号调制解调装置13和若干个测量传感器14；
所述光纤信号调制解调装置13包括控制计算机、可调谐激光器、信号发生器、脉冲信号调制器、掺铒光纤放大器、环形器及高速信号接收器；所述控制计算机通过输出信号控制可调谐激光器的输出波长和信号发生器的输出脉冲频率，可调谐激光器的输出波长作为脉冲信号调制器的输入信号，信号发生器的输出脉冲频率作为脉冲信号调制器的控制信号，脉冲信号调制器的控制信号通过脉冲信号调制器调制脉冲信号调制器的输入信号，从而使脉冲信号调制器输出设定波长的光脉冲信号，该光脉冲信号后经过掺铒光纤放大器和环形器进入传感器网络中的测量传感器14，测量传感器14属于光纤传感类传感器，整个测量传感器14替代杆塔上的传统金具直接连接绝缘子串，当杆塔架空线覆冰导致绝缘子串处拉力增加，测量传感器14中的弹性体受拉伸作用导致表面应变增加，测量传感器14中的光纤光栅应变计15感知弹性体表面应变的变化，使得光栅反射波的中心波长发生偏移，由测量传感器14反射回来的脉冲信号经环形器进入高速信号接收器，实现光电信号的转换，并由控制计算机完成信号的采样处理；。
所述测量传感器14包括弹性体结构、圆形保护套筒9、铠装光缆固定件、光纤光栅应变计15；
所述弹性体结构由上挂环1、上圆板2、S型结构3、腹板4、翼缘5、两个保护结构6、下圆板7和下挂环8组成；上挂环1和下挂环8位于弹性体结构的两端，上圆板2分别与上挂环1和S型结构3连接；下圆板7分别与S型结构3和下挂环8连接；所述保护结构6由保护螺孔16和保护柱体17构成，两个保护结构6分别位于S型结构3两端的悬臂梁处，连接悬臂梁与S型结构3本体；所述腹板4分别位于S型结构3中间位置，与翼缘5相连；
所述圆形保护套筒9由上向下安装在弹性体结构外侧，并留有铠装光缆12出线口，与保护结构6并配合构成对内部S型结构3和光纤光栅应变计15的保护；
所述铠装光缆固定件由固定金属块10和外部固定接口11组成，固定金属块10安装在下圆板7上用于固定铠装光缆12，外部固定接口11用软材料灌封固定连接在圆形保护套筒9上用来引出铠装光缆；
所述光纤光栅应变计15通过点焊方式安装在腹板4上，与水平方向呈45°夹角。
所述光纤信号调制解调装置13工作时，连续往复输出不同波长脉冲信号进行波长扫描，装置输出波长范围涵盖整个传感器网络所有光纤光栅的中心波长值。
所述控制计算机、可调谐激光器、信号发生器、脉冲信号调制器、掺铒光纤放大器、环形器、高速信号接收器采用集中式一体化安装，调制信号控制和测量信号的采样、转换均通过控制计算机实现。
所述弹性体结构是采用35CrMnSiA合金钢材料一体化加工形成的整体结构。
所述测量传感器14用于替换110kV架空线路耐张塔处金具，上挂环1与PH型金具相连，下挂环8与U型挂环相连；测量传感器14的有效测量范围为0～10kN，其整体长度278mm。
所述圆形保护套筒套9处在整个传感器的中间位置，高度121mm，内径110mm，外径115mm；所述上圆板2直径110mm，下圆板7直径115mm。
所述S型结构的长宽高尺寸为84mm*50mm*101mm；所述腹板4为弹性体结构两侧的方形凹孔的底面，其厚度为4mm；所述凹孔称为盲孔，其边长为46mm。
所述光纤光栅应变计15利用机械补偿法抵消温度变化对应变测量的影响，不需要单独进行温度补偿。
所述保护结构6的保护螺孔16和保护柱体17两者之间的距离为0.2mm。
有益效果
本发明提供的耐张塔张力测量装置适合于各种恶劣复杂环境下的长期测量，测量传感器抗电磁干扰，不需要工作电源；整个测量传感器采用无胶制作，解决了已有光纤测量传感器采用粘接剂粘贴工艺复杂且应变胶水老化后应变传递效果差的问题；测量传感器弹性体采用S型应变结构，两侧腹板处各安装一支光纤光栅应变计，采用机械补偿法消除应变测量过程中温度的影响，不需要安装光纤光栅温度计，应变测量灵敏度高，迟滞误差小；测量传感器弹性体的S型应变结构中间部分为工字梁，能大大提高抵抗偏载受力的能力；测量传感器在有效量程内测量，弹性体为S型剪切式结构，承担载荷超出有效量程时保护结构闭合，受力结构由S型剪切式转变为柱式，抵抗拉断能力显著提高；光纤信号调制解调装置与多个测量传感器构成分布式传感器网络，解决传统波分复用传感器网络容量小，分布测量范围受限的问题，方便实现测量传感器的空间定位。
附图说明
图1是本发明提供的大容量的输电线路耐张塔张力测量装置的组成图；
图2a-b是本发明提供的测量传感器弹性体的主视图及侧视图；
图3是S型结构的正视图；
图4是本发明提供的测量传感器的铠装固定件的剖视图。
其中，1-上挂环；2-上圆板；3-S型结构；4-腹板；5-翼缘；6-保护结构；7-下圆板；8-下挂环；9-圆形保护套筒；10-固定金属块；11-外部固定接口；12-铠装光缆；13-光纤信号调制解调装置；14-测量传感器；15-光纤光栅应变计；16-保护螺孔；17-保护柱体。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。下面结合附图，对优选实施例作详细说明。
图1是本发明提供的大容量的输电线路耐张塔张力测量装置的组成图。本发明的测量装置包括光纤信号调制解调装置13和若干个测量传感器14；所述光纤信号调制解调装置13包括控制计算机、可调谐激光器、信号发生器、脉冲信号调制器、掺铒光纤放大器、环形器及高速信号接收器；所述脉冲信号调制器在信号发生器的控制作用下将可调谐激光器输出的连续光谱转换成脉冲信号输出，经掺铒光纤放大器增强的脉冲信号经环形器进入测量传感器14，由测量传感器14反射回来的脉冲信号经环形器进入高速信号接收器，实现光电信号的转换，并由控制计算机完成信号的采样处理；光纤信号调制解调装置13工作时，连续往复输出不同波长脉冲信号进行波长扫描，装置输出波长范围涵盖整个传感器网络所有光纤光栅的中心波长值。控制计算机、可调谐激光器、信号发生器、脉冲信号调制器、掺铒光纤放大器、环形器、高速信号接收器采用集中式一体化安装，调制信号控制和测量信号的采样、转换均通过控制计算机实现。数量众多的测量传感器14与光纤信号调制解调装置13共同构成分布式测量传感器网络
图2a-b是本发明提供的张力测量传感器内部结构图。上挂环1、上圆板2、S型结构3、腹板4、翼缘5、保护结构6、下圆板7和下挂环8组成弹性体结构，弹性体结构是采用35CrMnSiA合金钢材料一体化加工形成的整体结构。上挂环1和下挂环8位于弹性体结构的两端，上圆板2分别与上挂环1和S型结构3连接；下圆板7分别与S型结构3和下挂环8连接；所述保护结构6由保护螺孔16和保护柱体17构成，分别位于S型结构3两端的悬臂梁处，连接悬臂梁与S型结构3本体；所述腹板4分别位于S型结构3中间位置，与翼缘5相连；圆形保护套筒9由上向下安装在弹性体结构外侧，并留有铠装光缆12出线口，与保护结构6并配合构成对内部S型结构3和光纤光栅应变计15的保护；光纤光栅应变计15通过点焊方式安装在腹板4上，与水平方向呈45°夹角。测量传感器14用于替换110kV架空线路耐张塔处金具，上挂环1与PH型金具相连，下挂环8与U型挂环相连；测量传感器14的有效测量范围为0～10kN，其整体长度278mm。圆形保护套筒套9处在整个传感器的中间位置，高度121mm，内径110mm，外径115mm；所述上圆板2直径110mm，下圆板7直径115mm。S型结构的长宽高尺寸为84mm*50mm*101mm；所述腹板4为弹性体结构两侧的方形凹孔的底面，其厚度为4mm；所述凹孔称为盲孔，其边长为46mm。光纤光栅应变计15利用机械补偿法抵消温度变化对应变测量的影响，不需要单独进行温度补偿。
S型结构3、腹板4、翼缘5构成测量装置的应变传感部分，其中间结构是由腹板4与翼缘5构成的工字型截面，与传统截面相比，在相同截面积的情况下，有效提高了截面的惯性矩，翼缘5承担大部分的偏载受力，腹板4上的应变分布均匀，测量灵敏度高，S型结构3将载荷拉伸力转换为剪切力作用于腹板4处，可改善柱式结构反复拉伸过程产生的迟滞问题；S型结构3的转角采用圆角过渡，使得应变传感结构在拉伸过程中应变分布过渡均匀，提高测量装置弹性体的机械强度；
保护结构6的保护螺孔16和保护柱体17两者之间的距离为0.2mm。在测量装置承担较轻载荷拉伸时，保护间隙不闭合，整个弹性体受力结构为S型，可有效测量实际载荷值；在测量装置承担较重载荷拉伸时，保护间隙闭合，弹性体受力结构由S型转变为柱式，圆圈内是保护结构，其中较明显的黑线是空隙，空隙不闭合，形状像是“2”(S型)，闭合后，形状像是“8”(柱式)，此时测量装置进入保护状态，不具备测量功能，但抵抗拉断能力显著提高。图3是S型结构的正视图。
用于应变测量的两支光纤光栅应变计分别点焊在S型结构3两侧方形盲孔腹板处，与水平方向呈45°夹角安装，当测量装置承担载荷时，S型结构3将拉力转变为腹板4上沿对角线方向的剪应变，两侧光纤光栅应变计安装位置处的剪应变量大小相等，方向相反，采用机械补偿法将两支光纤光栅应变计的应变测量值作差，抵消温度变化对应变测量的影响，节省一支光纤光栅温度计的安装，同时提高一倍应变测量灵敏度；测量过程中偏载受力大部分被翼缘5承担，不会对腹板上剪应变分布产生影响。
图4是本发明提供的测量传感器的铠装固定件的剖视图，所述铠装光缆固定件由固定金属块10和外部固定接口11组成，固定金属块10安装在下圆板7上用于固定铠装光缆12，外部固定接口11用软材料灌封固定连接在圆形保护套筒9上用来引出铠装光缆，防止铠装光缆12外接时发生较大弯折，影响光信号传输。
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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述测量装置包括光纤信号调制解调装置(13)和若干个测量传感器(14)；
所述光纤信号调制解调装置(13)包括控制计算机、可调谐激光器、信号发生器、脉冲信号调制器、掺铒光纤放大器、环形器及高速信号接收器；所述控制计算机通过输出信号控制可调谐激光器的输出波长和信号发生器的输出脉冲频率，可调谐激光器的输出波长作为脉冲信号调制器的输入信号，信号发生器的输出脉冲频率作为脉冲信号调制器的控制信号，脉冲信号调制器的控制信号通过脉冲信号调制器调制脉冲信号调制器的输入信号，从而使脉冲信号调制器输出设定波长的光脉冲信号，该光脉冲信号后经过掺铒光纤放大器和环形器进入传感器网络中的测量传感器(14)，测量传感器(14)属于光纤传感类传感器，整个测量传感器(14)替代杆塔上的传统金具直接连接绝缘子串，当杆塔架空线覆冰导致绝缘子串处拉力增加，测量传感器(14)中的弹性体受拉伸作用导致表面应变增加，测量传感器(14)中的光纤光栅应变计(15)感知弹性体表面应变的变化，使得光栅反射波的中心波长发生偏移，由测量传感器(14)反射回来的脉冲信号经环形器进入高速信号接收器，实现光电信号的转换，并由控制计算机完成信号的采样处理。
2.根据权利要求1所述一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述测量传感器(14)包括弹性体结构、圆形保护套筒(9)、铠装光缆固定件、光纤光栅应变计(15)；
所述弹性体结构由上挂环(1)、上圆板(2)、S型结构(3)、腹板(4)、翼缘(5)、两个保护结构(6)、下圆板(7)和下挂环(8)组成；上挂环(1)和下挂环(8)位于弹性体结构的两端，上圆板(2)分别与上挂环(1)和S型结构(3)连接；下圆板(7)分别与S型结构(3)和下挂环(8)连接；所述保护结构(6)由保护螺孔(16)和保护柱体(17)构成，两个保护结构(6)分别位于S型结构(3)两端的悬臂梁处，连接悬臂梁与S型结构(3)本体；所述腹板(4)位于S型结构(3)中间位置，为弹性体结构两侧的方形凹孔的底面，与翼缘(5)相连；所述圆形保护套筒(9)由上向下安装在弹性体结构外侧，并留有铠装光缆(12)出线口，与保护结构(6)并配合构成对内部S型结构(3)和光纤光栅应变计(15)的保护；
所述铠装光缆固定件由固定金属块(10)和外部固定接口(11)组成，固定金属块(10)安装在下圆板(7)上用于固定铠装光缆(12)，外部固定接口(11)用软材料灌封固定连接在圆形保护套筒(9)上用来引出铠装光缆；
所述光纤光栅应变计(15)通过点焊方式安装在腹板(4)上，与水平方向呈45°夹角。
3.根据权利要求2所述一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述光纤信号调制解调装置(13)工作时，连续往复输出不同波长脉冲信号进行波长扫描，波长范围涵盖整个传感器网络所有光纤光栅的中心波长值。
4.根据权利要求2所述一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述控制计算机、可调谐激光器、信号发生器、脉冲信号调制器、掺铒光纤放大器、环形器、高速信号接收器采用集中式一体化安装，调制信号控制和测量信号的采样、转换均通过控制计算机实现。
5.根据权利要求2所述一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述弹性体结构是采用35CrMnSiA合金钢材料一体化加工形成的整体结构。
6.根据权利要求2所述一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述测量传感器(14)用于替换110kV架空线路耐张塔处金具，上挂环(1)与PH型金具相连，下挂环(8)与U型挂环相连；测量传感器(14)的有效测量范围为0～10kN，其整体长度278mm。
7.根据权利要求2所述一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述圆形保护套筒套(9)处在整个传感器的中间位置，高度121mm，内径110mm，外径115mm；所述上圆板(2)直径110mm，下圆板(7)直径115mm。
8.根据权利要求2所述一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述S型结构的长宽高尺寸为84mm*50mm*101mm；所述腹板(4)的厚度为4mm；所述凹孔称为盲孔，其边长为46mm。
9.根据权利要求2所述一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述光纤光栅应变计(15)利用机械补偿法抵消温度变化对应变测量的影响，不需要单独进行温度补偿。
10.根据权利要求2所述一种大容量的输电线路耐张塔张力测量装置，其特征在于，所述保护结构(6)的保护螺孔(16)和保护柱体(17)两者之间的距离为0.2mm。
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