CN109163882A - 一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***及其检测方法 - Google Patents

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田超凯
王志伟
陈中伟
张玉庆
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赵旺盛
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    • G01M11/3109—Reflectometers detecting the back-scattered light in the time-domain, e.g. OTDR

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Abstract

本发明公开了一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***及其检测方法，属于检测***及其检测方法技术领域。该***所述包括光纤复合碳纤维芯架空导线、监控主机和光纤跳线，其中光纤复合碳纤维芯架空导线通过光纤跳线与监控主机连接。监控主机接收被检测导线长度方向上各采样点的光纤微应变数据，将各相邻2个采样点的光纤微应变数据进行比较，对导线上的异常应力分布情况进行报警。本发明向导线制造方、线路施工方及线路业主提供了可靠的导线芯棒缺陷信息，有从而协助业主验收，排除安全隐患。

Description

一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***及其检测方法，属于检测***及其检测方法技术领域。
背景技术
碳纤维芯导线的研究起始于20世纪90年代，由日本学者研发，2004年美国首次将碳纤维复合芯导线应用于输电线路。我国对碳纤维复合芯导线的研究始于2005年，该导线在我国的首次应用是在2006年的辽宁、福建的220kV线路扩容改造中。碳纤维复合芯导线具有强度大、载流量大、耐热性好、线膨胀系数小、重量轻、耐腐蚀性能好等特点，是一种节能、环保型导线，在架空输电线路中具有广阔的应用前景。
由于碳纤维芯导线的材质和结构均与传统钢芯导线存在较大区别，芯棒基本承担了导线的全部载荷。导线制造与安装过程中可能造成的各种芯棒缺陷，在导线使用过程中一旦扩展到芯棒芯部，芯棒将无法承担整根导线的重量而发生断裂，继而造成导线掉线事故。由于架空导线跨距大、高度高的特点，在线路架设完成后无法利用超声波等传统无损探伤方式对导线缺陷进行检测以排查安全隐患，限制了复合碳纤维芯导线在高压输配电领域的发展前景。
光纤复合碳纤维导线结合了复合材料导线技术和光纤技术，是基于布里渊散射光时域反射原理和材料力学理论，用于为导线制造方、线路施工方及线路业主验收提供导线芯棒缺陷信息，同时使得导线同时具有输送电能和通信的功能，解决了光缆远距离大跨度传输困难的问题，节约了资源，适应于智能电网的发展，能够实现对导线运行状态的监测与分析。
申请号为201610304660.8的发明专利申请公开了一种智能复合材料芯导线及其制备方法，该智能复合碳纤维芯导线具有高载流、高强度、低线损、重量轻、线膨胀系数小、耐腐蚀、光纤衰减小等优点，为智能型光纤复合碳纤维芯导线缺陷的检测***提供了可靠的线路保证。
发明内容
针对现有的碳纤维芯架空导线存在的隐患，本发明提出了一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***及其检测方法，能够对导线进行缺陷检测，为导线制造方、线路施工方及线路业主验收提供了可靠的导线芯棒缺陷信息。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***，所述包括光纤复合碳纤维芯架空导线、监控主机和光纤跳线，其中光纤复合碳纤维芯架空导线通过光纤跳线与监控主机连接。
所述光纤复合碳纤维导线内部预埋去程紧包光纤和回程紧包光纤。
一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***的检测方法，包括如下步骤：
第一步，将光纤复合碳纤维芯导线牵引到位，并获得其牵引张力数据；
第二步，进行***整体连通，将光纤复合碳纤维芯导线内部预埋去程紧包光纤和回程紧包光纤在被检测段首端的光纤纤芯剥离出来，并连接到光纤跳线上，光纤跳线再与监控主机连接；
第三步，在该张力状态下启动监测主机，并获得该应力状态下的初始微应变频谱；
第四步，进行紧线动作，在紧线过程中，持续记录光纤复合碳纤维芯导线的微应变频谱；
第五步，根据对各段导线芯棒缺陷的检测基于悬链线方程，即在正常挂线、环境稳定的前提下，导线上任意一点的应力σx＝σ0/cosθ，其中：σ0为最低点的应力，θ为任意点与最低点的夹角，该值沿着导线方向随着与弧垂最低点切线夹角的增大而增大，且变化过程中连续却无突变；
第六步，对比初始微应变频谱和过程中微应变频谱的变化，或者根据数据库频谱资料，从而发现导线缺陷；
第七步，如果发现疑似点无法准确判断，将导线反复松弛与紧线，通过增加数据量来凸显微应变频谱中的差异，从而获得准确判断。
本发明的有益效果如下：
本发明采用技术成熟的布里渊散射光时域反射分布式光纤传感器与单片机或便携式PC组成监控主机，并连同价格低廉的光纤共同构成检测***，有效检测距离长达2km以上；该检测***具有连接简单、灵活便携、投资小等优点，无需对电网现有网络构架进行任何改动，且在芯棒中预埋的紧包光纤完全兼容光纤复合碳纤维导线对输电线路运行温度和应力在线监测***。
附图说明
图1(a)为分布式光纤复合碳纤维芯棒的截面示意图，图1(b)为合股式光纤复合碳纤维芯棒的截面示意图；其中，1、光纤复合碳纤维芯棒；2、去程紧包光纤；3、回程紧包光纤。
图2为本发明具体实施方式的连接示意图，其中：1、光纤复合碳纤维芯棒；2、去程紧包光纤；3、回程紧包光纤；4、光纤复合碳纤维芯导线；5、监控主机；6、光纤跳线。
图3为本发明具体实施方式的导线应力及缺陷检测界面示意图。
图4为本发明具体实施方式的导线局部异常应力识别及报警流程简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***及其检测方法，是基于光散射原理和材料力学理论；所述***包括光纤复合碳纤维芯导线4、监控主机5以及光纤跳线6等连接附件。
监控主机5的数据采集源基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感器，并集成在监控主机5上，所述监控主机5用于获取并输出被检测段导线长度方向上光纤微应变频谱曲线。
监控主机5输出被检测段导线长度方向上的光纤微应变频谱曲线，通过识别曲线上的异常形状判断芯棒缺陷。监控主机5由检测人员随身携带，用于每段导线架设完成后的现场检测，在每段导线芯棒缺陷检测完成后，芯棒内部预埋的紧包光纤还可连接光纤复合碳纤维导线对输电线路运行温度和应力在线监测***。监控主机5对被检测导线长度方向上各相邻2个采样点的光纤微应变数据进行比较，对导线上的异常应力分布情况进行报警。
监控***对各段导线芯棒缺陷的检测基于悬链线方程，即在正常挂线、环境稳定的前提下，导线上任意一点的应力σx＝σ0/cosθ，其中：σ0为最低点的应力，θ为任意点与最低点的夹角，该值沿着导线方向随着与弧垂最低点切线夹角的增大而增大，且变化过程中连续却无突变。根据悬链式方程导线任意点应力连续无突变的特性，并结合光散射原理，由于光纤复合碳纤维芯棒1预埋有去程紧包光纤2和回程紧包光纤3，导线任意位置的应变可以精确且同步的反馈到在光纤复合碳纤维芯棒1中预埋的紧包光纤上，即光纤的应变就表达了芯棒在该位置的应变，当光纤复合碳纤维芯棒1在任意位置受到损伤时，该位置光纤复合碳纤维芯棒1的横截面积会发生变化，因此该位置应变会发生变化，反映到导线长度方向上的光纤的微应变频谱曲线上就是一个突变点。由于分布式光纤传感器可以检测0.002％的光纤应变，因此监控主机5可以检测到被检测段导线长度方向上任何微小的缺陷，从而协助业主验收，排除安全隐患。
图1中所示的是光纤复合碳纤维芯棒1预埋光纤的截面示意图，其中紧包光纤预埋数量及位置不限于图中所示的2种情况。在光纤复合碳纤维芯棒1内部有去程紧包光纤2和回程紧包光纤3，由于去程紧包光纤2和回程紧包光纤3会跟导线及芯棒同步产生应变，可用于检测被检测段导线长度方向上各点的应力情况，且光纤复合碳纤维芯棒1中预埋的紧包光纤完全兼容复合碳纤维芯架空导线应力在线监测***。
图2展示了一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***，所述***包括光纤复合碳纤维芯导线4、监控主机5以及光纤跳线6等连接附件。首先将每个检测段首末两端的去程紧包光纤2从光纤复合碳纤维芯棒1中分离，并将回程紧包光纤3剥离出来。将检测段首端的纤芯分别连接到光纤跳线6上的一端，并将监控主机5的数据采集源连接到光纤跳线6上的另一端。所述监控主机5用于获取并输出其被检测段导线长度方向上光纤微应变频谱曲线。
图3中所示的是导线应力及缺陷检测界面示意图。监控主机5获取并输出其被检测段导线长度方向上光纤微应变频谱曲线，并以XY坐标形式输出到程序界面上，可以直观的从曲线上识别出异常形状，作为判断导线芯棒缺陷的重要依据。
图4中所示的是导线局部异常应力识别及报警流程简图。监控主机5接收被检测导线长度方向上各采样点的光纤微应变数据，将各相邻2个采样点的光纤微应变数据进行比较，对导线上的异常应力分布情况进行报警。
需要说明的是上述实施方式，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (3)

1.一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***，其特征在于，所述包括光纤复合碳纤维芯架空导线(4)、监控主机(5)和光纤跳线(6)，其中光纤复合碳纤维芯架空导线(4)通过光纤跳线(6)与监控主机(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***，其特征在于，所述光纤复合碳纤维导线(4)内部预埋去程紧包光纤(2)和回程紧包光纤(3)。
3.根据权利要求1所述的一种光纤复合碳纤维导线缺陷的检测***的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，将光纤复合碳纤维芯导线(4)牵引到位，并获得其牵引张力数据；
第二步，进行***整体连通，将光纤复合碳纤维芯导线(4)内部预埋去程紧包光纤(2)和回程紧包光纤(3)在被检测段首端的光纤纤芯剥离出来，并连接到光纤跳线(6)上，光纤跳线(6)再与监控主机(5)连接；
第三步，在该张力状态下启动监测主机(5)，并获得该应力状态下的初始微应变频谱；
第四步，进行紧线动作，在紧线过程中，持续记录光纤复合碳纤维芯导线(4)的微应变频谱；
第五步，根据对各段导线芯棒缺陷的检测基于悬链线方程，即在正常挂线、环境稳定的前提下，导线上任意一点的应力σx＝σ0/cosθ，其中：σ0为最低点的应力，θ为任意点与最低点的夹角，该值沿着导线方向随着与弧垂最低点切线夹角的增大而增大，且变化过程中连续却无突变；
第六步，对比初始微应变频谱和过程中微应变频谱的变化，或者根据数据库频谱资料，从而发现导线缺陷；
第七步，如果发现疑似点无法准确判断，将导线反复松弛与紧线，通过增加数据量来凸显微应变频谱中的差异，从而获得准确判断。
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