1.本发明属于输电线路动态监测传感技术领域,具体涉及一种架空导线微风振动的动态监测装置及监测方法。
背景技术:
2.在输电线路中,微风振动是导致线路导线损伤的主要原因,其特点在于频率高、振幅小,时间长,虽不像舞动破坏的那样明显,但是具有隐蔽性,有时候从外表很难发现,微风振动会其损伤导线的内层,是疲劳断股的主要原因。架空导线经过长时间的应力交变作用,在应力集中点和有损伤的地方,会产生细小的裂纹,在交变应力的作用下,裂纹逐渐变大扩展,时间很长后,导线单股的有效截面减少,在达到一个限度值后,突发的冲击或者振动就会使单股发生断裂,而这往往发生在内部内层,巡线很难发现。在传统的电子类传感器应用上,较为普遍的是只能安装在耐张塔位置,此处的微风振动受到阻尼的作用已经不是最明显的位置,产生的动弯应变不属于恶劣程度。而在直线塔位置,目前缺少能够准确感知动弯应变的传感装置。
3.微风振动的主要形成机理:风引起的卡门旋涡是原因之一,还有同步效应,风激励吹过导线,导线产生上下的垂直方向的振动,如果与导线固有的基础频率相同,则会产生同步效应,形成稳定的振动,类似正弦波。目前采用的防振措施包括设置防振锤、阻尼线、护线条、分裂导线和间隔棒等。
4.目前在线监测方法包括:
5.1)基于导线动弯应变的微风振动监测:由于悬垂线夹出口的弯曲振幅和导线的振动幅度之间存在线性关系,弯曲振幅形成的测量是目前有效的测量方法。
6.2)基于光感器件的在线监测装置:利用敏感光器件对导线的必要位置进行光投射,利用微处理器对感光量进行判断,确定运动信息,主要布置在悬垂线夹出口89mm处。
7.专利cn 204964006 u公开了“一种基于光纤光栅的输电线路微风振动在线监测系统”,其传感器的结构组成及其在架空线路上的安装形式如图1所示,包括卡具1-1、光纤光栅1-4、光纤1-5、滚轮1-3、传力梁1-2、线夹1-7及输电导线1-6。光纤光栅1-4粘贴在传力梁1-2上,距离滚轮1-3的中心89毫米,光纤1-5从光纤光栅1-4引出,连接光纤光栅分析仪。卡具1-1设置在输电导线1-6上,通过传力梁1-2与滚轮1-3连接,滚轮一压在线夹1-7出口处,线夹1-7连接绝缘子,用于将输电线托起,为输电线路本身结构的一部分。
8.现有技术通过监测弯曲振幅yb来表征导线振动,弯曲振幅法的监测原理如图2所示,部件1’为线夹或夹头,部件2’为导线,部件3’为导线与线夹的接触点。对照图1所示在线监测系统结构,当导线发生振动时,滚轮1-3带动传力梁1-2发生弯曲形变,而光纤光栅1-4的中心波长变化与振动频率和弯曲应变有关。光信号通过光纤复合架空地线(opgw)或光纤复合相线(oppc)将光信号发送至变电站的光纤光栅分析仪,光纤光栅分析仪将光信号解调,通过以太网接口将反射光波长发送给监测终端计算机,监测终端解算出波长对应的弯曲幅度,并计算出导线的振动频率和动弯应变,最终通过以太网将数据发送给监控中心。
9.上述现有的在线监测系统,传感器采用的是倒装法,即通过一个连接夹具固定在导线上,滚轮与导线接触,是受力接触点,且滚轮距离线夹较近,导线产生微风振动后将带动滚轮对悬臂梁产生弯矩。
10.对于光纤传感器而言,该方式会造成引纤困难,光纤由夹具一端引出后会折回悬垂线夹,在恶劣的野外环境中可靠性差,光纤断裂后增加维护成本。夹具和滚轮经过长时间的振动后会偏移安装位置,该方式要求传感器具有更好的稳定性、动态特性和耐振性。
技术实现要素:
11.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题,提供一种架空导线微风振动的动态监测装置及监测方法,装置结构简单,使用便捷,可靠性较高,可监测变量全面。
12.为了实现上述目的,本发明有如下的技术方案:
13.第一方面,本发明实施例提供了一种架空导线微风振动的动态监测装置,包括安装在待监测导线上的悬垂线夹,所述悬垂线夹内设置有用于监测悬垂线夹两侧不平衡张力以及微风振动引起交变应力的振动传感器,所述悬垂线夹的上方设置有用于监测所述导线及其金具重力载荷和舞动时大张力变化的重力传感器,通过光纤套管将所述振动传感器和所述重力传感器连接,所述光纤套管内设有传输光纤。
14.作为本发明监测装置的一种优选方案,所述重力传感器可以采用柱式传感器、s梁型传感器或板环式传感器。
15.作为本发明监测装置的一种优选方案,所述振动传感器采用平板式设计,并且采用正装法与待监测导线相连。
16.作为本发明监测装置的一种优选方案,所述振动传感器包括设有凹槽的压板,通过凹槽将导线固定在悬垂线夹上;还包括对称设置在压板两侧的两个悬臂梁,所述悬臂梁上贴附有光纤光栅,所述悬臂梁从悬垂线夹的内部伸出;还包括设置在所述悬臂梁两端的滚轮,所述滚轮与导线接触,且位于悬垂线夹出口的89mm处。
17.作为本发明监测装置的一种优选方案,所述振动传感器的加工材料可以采用不锈钢、锰钢、合金钢、铍青铜或钛合金。
18.作为本发明监测装置的一种优选方案,所述重力传感器包括光纤光栅感知件,所述光纤光栅感知件为一个表面开有通槽的中空敏感柱体,所述光纤光栅位于光纤光栅感知件的受力变形区域,并与光纤光栅感知件的圆柱体轴向相平行。
19.更进一步的,作为本发明监测装置的一种优选方案,所述重力传感器还包括设置在光纤光栅感知件外周的保护外壳以及连接在保护外壳两端的上圆盘和下圆盘,下圆盘设有沉头孔,所述光纤套管的一端连接在压板上,另一端安装在所述沉头孔中;所述振动传感器和所述重力传感器通过法兰连接,且接头处位于所述保护外壳的内部。
20.更进一步的,作为本发明监测装置的一种优选方案,所述沉头孔的直径大于所述光纤套管的直径,沉头孔内设有密封圈。
21.更进一步的,作为本发明监测装置的一种优选方案,所述重力传感器还包括设置在上圆盘和下圆盘外表面的连接件,重力传感器的上方连接绝缘子串,绝缘子串的顶部设置有u型环;通过连接件将所述重力传感器的两端分别安装在绝缘子串的碗头挂板和悬垂线夹之间。
22.更进一步的,作为本发明监测装置的一种优选方案,所述重力传感器的加工材料可以选择采用不锈钢、锰钢、合金钢、铍青铜或钛合金。
23.第二方面,本发明的实施例还提供一种所述架空导线微风振动的动态监测装置的监测方法,包括:
24.测量导线测点距离悬垂线夹出口的距离;读取振动传感器与重力传感器监测数值,计算得到悬垂线夹出口处弯曲振幅以及试验时导线平均运动张力;
25.按照下式计算悬垂线夹出口处的动弯应变:
[0026][0027]
p2=t/(e*i
min
)
[0028]
式中,ε为线夹出口处的动弯应变,单位为με;
[0029]
ea为外层线股的杨氏模量,单位为mpa;d为导线最外层的线股股径,单位为mm;yb为悬垂线夹出口处弯曲振幅,单位为mm;t为试验时导线平均运动张力,单位为n;e*i
min
为导线最小刚度,单位为n mm2;a为导线测点距离悬垂线夹出口的距离。
[0030]
优选的,设定导线测点距离悬垂线夹出口的距离为89mm。
[0031]
相较于现有技术,本发明第一方面至少具有如下有益效果:
[0032]
利用设置在悬垂线夹内的振动传感器监测悬垂线夹两侧不平衡张力以及微风振动引起的交变应力,同时利用悬垂线夹上方设置的重力传感器监测导线及其金具重力载荷和舞动时的大张力变化,经过传输光纤将振动传感器与重力传感器相连,由此将本发明架空导线微风振动的动态监测装置应用在输电线路中能够同时针对风偏、微风振动、覆冰载荷进行一体化在线监测,监测变量全面,可以全天候实时获取数据。
[0033]
进一步的,本发明动态监测装置的振动传感器采用平板式设计,并且采用正装法与待监测导线相连,通过设有凹槽的压板将导线固定在悬垂线夹上,在压板两侧对称设置两个悬臂梁,悬臂梁上贴附光纤光栅,悬臂梁两端设置滚轮与导线接触,较现有技术cn 204964006 u的监测系统具有明显的优势,不会造成引纤困难,无需将光纤一端引出后折回悬垂线夹,避免了光纤断裂,滚轮不会发生偏移安装位置,因而也无需要求传感器本身具有很好的稳定性、动态特性和耐振性。整体上,本发明的动态监测装置使用便捷,可靠性较高。
[0034]
可以理解的是,上述本发明第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述,在此不再赘述。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1现有技术一种基于光纤光栅的输电线路微风振动在线监测系统结构示意图;
[0037]
图2弯曲振幅法的监测原理示意图;
[0038]
图3本发明架空导线微风振动的动态监测装置结构示意图;
[0039]
图4本发明监测装置的振动传感器结构示意图;
[0040]
图5本发明监测装置的重力传感器结构示意图;
[0041]
图6本发明振动传感器和重力传感器通过光纤套管连接的结构示意图。
具体实施方式
[0042]
以下描述中,为了说明而不是为了限定,提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节,以便透彻理解本技术的实施例。然而,本领域的技术人员应当清楚,在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中,省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明,以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
[0043]
参见图3,本发明架空导线微风振动的动态监测装置,针对直线塔悬垂线夹及其连接方式进行改进,加入了传感器的设计理念,涉及的传感器均为光纤光栅传感器,图中示出的部件包括u型环1、绝缘子串2、重力传感器3、光纤套管4、导线5、悬垂线夹6及振动传感器7。重力传感器3位于绝缘子串2和悬垂线夹6之间,用于监测导线5及其金具的重力载荷和舞动时的大张力变化,重力传感器3可采用柱式传感器、s型传感器、板环式传感器等。振动传感器7安装在悬垂线夹6内,用于监测线夹两侧的不平衡张力和微风振动引起的交变应力。光纤套管4连接振动传感器7和重力传感器3,光纤套管4内设有传输光纤。
[0044]
在一种可能的实施方式当中,本发明动态监测装置的振动传感器7的结构形式如图4所示,采用平板式设计,包括压板9、悬臂梁8、凹槽10以及滚轮11。振动传感器7采用正装法,压板9上设有凹槽10,使用u型螺丝通过凹槽10将导线5固定在悬垂线夹6上,在压板9的两侧分别焊接左右对称的两个悬臂梁8,光纤光栅贴附在悬臂梁8上,悬臂梁8从悬垂线夹6的内部伸出,滚轮11与导线5接触,且位于悬垂线夹6出口的89mm处。振动传感器7可以由不锈钢、锰钢、合金钢、铍青铜、钛合金等材料加工而成。
[0045]
在一种可能的实施方式当中,本发明动态监测装置的重力传感器3结构如图5所示,具体为一种改进的柱式传感器,包括连接件12、通槽13、光纤光栅感知件15和卡槽14构成。连接件12有一圆孔,柱式传感器通过连接件12安装在碗头挂板和悬垂线夹之间,光纤光栅感知件15为一个表面开通槽13的中空敏感柱体,光纤光栅位于在光纤光栅感知件15的受力变形区域,平行于圆柱体的轴向方向。传感器主体部分采用数控加工的方法将各个组成部分直接加工而成,材料可以采用不锈钢、碳钢、调质钢、合金钢或弹簧钢等制成。
[0046]
本实施例,振动传感器7与重力传感器3的光纤连接方式如图6所示,压板9上焊接光纤套筒4,传输光纤位于光纤套筒4内,重力传感器3设有上圆盘16、下圆盘18和保护外壳17,下圆盘18设有沉头孔,且沉头孔的直径大于光纤套筒4的直径,沉头孔内设有密封圈20,振动传感器7与重力传感器3通过法兰19连接,且接头处位于保护外壳17内。
[0047]
以下为本发明实施例架空导线微风振动的动态监测装置的监测方法。
[0048]
光纤光栅振动传感器与应变传感器类似,均采用光纤光栅应变片,通过卡具安装在振动位置,应变片随振动源发生协同振动,产生位移,改变应变,传递给光纤光栅,光纤光栅受到拉伸和挤压其布拉格波长发生漂移。通过检测这种变化可以推算振动的频率和振幅。
[0049]
微风振动的频率在0至150赫兹之间,为防止共振现象的发生,要增大传感器的固有频率至200赫兹以上,固有频率的大小只受结构参数的影响,而不受外界影响。在传感器设计时,务必要计算结构的固有频率,当传感器接近固有频率时,中心波长会发生很大的漂
移,在远离固有频率的范围内,中心波长几乎不发生变化。光纤光栅加速度传感器首先应排除频率的干扰,在指定频域内具有很好的平坦度,波形不发生失真,能正常工作。
[0050]
灵敏度和固有频率的计算公式分别如下:
[0051]
灵敏度:
[0052]
固有频率:
[0053]
其中,λ1为光纤的中心波长,pe为光纤的弹光系数,l为悬臂梁长度,e为悬臂梁材料弹性模量,b为悬臂梁宽度,h为悬臂梁厚度。
[0054]
要增大固有频率,就要加厚、加宽悬臂梁,降低质量块的质量和长度,然而传感器的灵敏度会下降。在远离固有频率的微风振动频率范围内,传感器的输出波长与加速度呈正比。
[0055]
传感器安装在出口线夹的89mm处,在远离固有频率的范围内,传感器的输出波长与加速度呈正相关,依次转化成位移、动弯振幅yb、动弯应力,最终通过动弯应力来判断线缆的损伤程度。导线的动弯振幅与动弯应变呈线性关系,且在实际中动弯振幅更易测量。
[0056]
线夹出口处动弯应变与89mm处弯曲振幅之间的关系式为:
[0057][0058]
p2=t/(e*i
min
)
[0059]
其中,ε为线夹出口处的动弯应变,单位为με;ea为外层线股的杨氏模量,单位为mpa;d为导线最外层的线股股径,单位为mm;yb为线夹出口89mm处弯曲振幅,单位为mm;t为试验时导线平均运动张力,单位为n;e*i
min
为导线最小刚度,单位为n mm2;a为导线距离线夹出口距离,本实施例当中取a=89mm。
[0060]
该公式考虑了线夹附近导线刚度的影响,在相同振幅下,外层线股的材质决定了导线表面的应变。该公式是由材料力学中的弯曲梁公式推导得出的,推导过程如下:
[0061][0062]
m=ty
[0063]
式中,x是以线夹为原点的导线坐标,m是作用到导线的弯矩,ei是导线刚度,经过积分后得到夹头出口处的动弯应变公式;
[0064][0065]
一般认为,导线的动弯应变与材料属性、结构参数、振幅、运行张力有关,带入相关参数就可以计算出动弯应变。但是,实际情况远非理论能够预测,动弯应变与振幅往往不呈线性关系,这是由于振动的复杂性和传感器输出的非线性导致。由于风速、风向的不稳定性,导线振型并非是简谐振动,导线振动频率每时每刻都在发生变化,会引起动弯应变值的分散,研究表明,当振幅大于一定值时,曲线的非线性趋势明显,偏离度一般在30%左右。
[0066]
微风振动是时间的函数。根据y方向的受力平衡,得出导线运动方程:
[0067][0068][0069]
其中:m为导线单位长度质量;t为导线运行张力;q为导线微元所受剪力;m为导线微元所受弯矩。梁的挠曲轴微分方程为:
[0070][0071]
经过积分后得到夹头出口处的动弯应变公式:
[0072][0073]
其中,l是档距,y
max
是波腹振幅。
[0074]
相较于现有的监测导线振动的技术,本发明的技术方案应用在输电线路中能够同时对风偏、微风振动、覆冰载荷进行一体化在线监测,监测变量全面,可全天候实时获取数据。
[0075]
本发明计算悬垂线夹出口处动弯应变的方法可以利用计算机程序指令实施,可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令能产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定功能的装置。
[0076]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0077]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0078]
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
技术特征:
1.一种架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:包括安装在待监测导线(5)上的悬垂线夹(6),所述悬垂线夹(6)内设置有用于监测悬垂线夹(6)两侧不平衡张力以及微风振动引起交变应力的振动传感器(7),所述悬垂线夹(6)的上方设置有用于监测所述导线(5)及其金具重力载荷和舞动时大张力变化的重力传感器(3),通过光纤套管(4)将所述振动传感器(7)和所述重力传感器(3)连接,所述光纤套管(4)内设有传输光纤。2.根据权利要求1所述架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:所述重力传感器(3)采用柱式传感器、s型传感器或板环式传感器。3.根据权利要求1所述架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:所述振动传感器(7)采用平板式设计,并且采用正装法与待监测导线(5)相连。4.根据权利要求3所述架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:所述振动传感器(7)包括设有凹槽(10)的压板(9),通过凹槽(10)将导线(5)固定在悬垂线夹(6)上;还包括对称设置在压板(9)两侧的两个悬臂梁(8),所述悬臂梁(8)上贴附有光纤光栅,所述悬臂梁(8)从悬垂线夹(6)的内部伸出;还包括设置在所述悬臂梁(8)两端的滚轮(11),所述滚轮(11)与导线(5)接触,且位于悬垂线夹(6)出口的89mm处。5.根据权利要求4所述架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:所述振动传感器(7)的加工材料包括不锈钢、锰钢、合金钢、铍青铜、钛合金。6.根据权利要求4所述架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:所述重力传感器(3)包括光纤光栅感知件(15),所述光纤光栅感知件(15)为一个表面开有通槽(13)的中空敏感柱体,所述光纤光栅位于光纤光栅感知件(15)的受力变形区域,并与光纤光栅感知件(15)的圆柱体轴向相平行。7.根据权利要求6所述架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:所述重力传感器(3)还包括设置在光纤光栅感知件(15)外周的保护外壳(17)以及连接在保护外壳(17)两端的上圆盘(16)和下圆盘(18),下圆盘(18)设有沉头孔,所述光纤套管(4)的一端连接在压板(9)上,另一端安装在所述沉头孔中;所述振动传感器(7)和所述重力传感器(3)通过法兰(19)连接,且接头处位于所述保护外壳(17)的内部。8.根据权利要求7所述架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:所述沉头孔的直径大于所述光纤套管(4)的直径,沉头孔内设有密封圈(20)。9.根据权利要求7所述架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:所述重力传感器(3)还包括设置在上圆盘(16)和下圆盘(18)外表面的连接件(12),所述重力传感器(3)的上方连接绝缘子串(2),绝缘子串(2)的顶部设置有u型环(1);通过连接件(12)将所述重力传感器(3)的两端分别安装在绝缘子串(2)的碗头挂板和悬垂线夹(6)之间。10.根据权利要求9所述架空导线微风振动的动态监测装置,其特征在于:所述重力传感器(3)的加工材料包括不锈钢、锰钢、合金钢、铍青铜、钛合金。11.一种如权利要求1-10中任一项所述架空导线微风振动的动态监测装置的监测方法,其特征在于,包括:测量导线(5)测点距离悬垂线夹(6)出口的距离;读取振动传感器(7)与重力传感器(3)监测数值,计算得到悬垂线夹(6)出口处弯曲振幅以及试验时导线平均运动张力;按照下式计算悬垂线夹(6)出口处的动弯应变:
p2=t/(e*i
min
)式中,ε为线夹出口处的动弯应变,单位为με;ea为外层线股的杨氏模量,单位为mpa;d为导线最外层的线股股径,单位为mm;y
b
为悬垂线夹(6)出口处弯曲振幅,单位为mm;t为试验时导线平均运动张力,单位为n;e*i
min
为导线最小刚度,单位为nmm2;a为导线(5)测点距离悬垂线夹(6)出口的距离。12.根据权利要求11所述的监测方法,其特征在于,设定导线(5)测点距离悬垂线夹(6)出口的距离为89mm。
技术总结
一种架空导线微风振动的动态监测装置及监测方法,监测装置包括安装在待监测导线上的悬垂线夹,所述悬垂线夹内设置有用于监测悬垂线夹两侧不平衡张力以及微风振动引起交变应力的振动传感器,所述悬垂线夹的上方设置有用于监测所述导线及其金具重力载荷和舞动时大张力变化的重力传感器,通过光纤套管将所述振动传感器和所述重力传感器连接,所述光纤套管内设有传输光纤。监测方法包括测量导线测点距离悬垂线夹出口的距离;读取振动传感器与重力传感器监测数值,计算得到悬垂线夹出口处弯曲振幅以及试验时导线平均运动张力;然后按照公式计算悬垂线夹出口处的动弯应变。本发明监测装置结构简单,使用便捷,可靠性较高,可监测变量全面。量全面。量全面。
技术研发人员:王国彬 董皓南
受保护的技术使用者:中国电力科学研究院有限公司
技术研发日:2022.02.14
技术公布日:2022/5/25
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