过载保护型光纤布喇格光栅称重传感器及覆冰监测系统

摘要

本发明公开了电力系统领域的一种过载保护型光纤布喇格光栅称重传感器及覆冰监测系统。所述称重传感器包括弹性体、保护圆轴、光纤布喇格光栅应变计、光纤布喇格光栅温度计；所述弹性体包括上挂环、上圆板、保护圆孔、保护柱体、下圆板、下挂环和U型槽结构。本发明提供的由称重传感器组成的光纤布喇格光栅覆冰监测系统适合于各种气候测量，抗电磁干扰；突破了电阻应变称重系统需要现场电源且无法多点测量的缺陷；传感器无胶制作，解决了使用粘结剂粘贴工艺复杂且胶水易老化的问题。采用了U型槽结构，在截面积相同的情况下，提高了其抗偏载能力；采用了轴孔相结合的过载保护结构，提高了传感器的拉断力。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统领域，尤其涉及一种过载保护型光纤布喇格 光栅称重传感器及覆冰监测系统。

背景技术

在各种自然灾害中，冰灾给电网造成的损失经常更为严重。覆冰 使得输电线路的荷重增加，易造成线路断线、倒塔倒杆、绝缘子闪络 等等重大电力事故甚至整个电网的瘫痪。在挪威、美国、加拿大、英 国、冰岛、芬兰、俄罗斯、日本等北方国家都曾发生过严重的输电线 路覆冰灾害。我国输电线路分布广泛，所处环境恶劣，经常发生大面 积覆冰事件。2008年，一场国际上罕见的大面积覆冰影响了我国南 方十几个省，由于持续的雨雪冰冻天气，导致输电线路大面积覆冰， 杆塔不堪重负倒塌断线，供电线路大范围中断，电力设施遭到前所未 有的破坏，直接经济损失超过千亿元。

输电线路覆冰在线监测可以为工作人员提供线路详实准确地的 覆冰情况，极大地降低运行维护人员的工作强度，并达到覆冰观测的 实时性和有效性。在冰雪恶劣的天气中，当线路出现大范围覆冰时， 调度人员可以根据监测数据合理地进行除、融冰决策，有效地减少和 预防冰灾带来的损害。国内外众多专家学者们在此领域开展了大量卓 有成效的研究，基本形成了视频监控法、气象分析法、导线温度倾角 法和覆冰法这几种主要的覆冰监测方法。其中应用最为广泛的是称重 法。这种方法是最直接、最可靠、误差最小的国际通用的方法，加拿 大、日本、俄罗斯等国家都是采用这种方法。目前称重法对导线悬挂 点张力的测量都是通过电气测量的手段获得的，普遍采用的是传统的 电阻应变式传感器测量方式，这种传感器制作简单，价格便宜，但其 容易受环境影响，存在电桥平衡难、需要现场电源、非线性误差大和 易受电磁干扰以及不能长期稳定运行等重要问题。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。现有的光纤布喇格光栅称重传感器由弹性体和光纤 布喇格光栅传感器粘结而成，粘贴工艺复杂，且粘结剂属于有机物， 在雨水、冷热变化等外界因素的影响下，力学性能会逐渐丧失甚至不 能使用。此外，光纤布喇格光栅称重传感器替换线路金具使用，其拉 断力应大于相应金具，而现有的光纤布喇格光栅称重传感器均不具有 过载保护功能，只能通过增加弹性体截面积来增大拉断力，但传感器 的灵敏度却因此而大大降低。

发明内容

针对背景技术中提到的现有覆冰测量系统易受复杂电磁环境影 响、需要现场电源、在恶劣温湿度环境下易老化、无过载保护结构等 不足，本发明提出了一种过载保护型光纤布喇格光栅称重传感器及覆 冰监测系统。

一种过载保护型光纤布喇格光栅称重传感器，其特征在于，所述 称重传感器包括弹性体、保护圆轴、光纤布喇格光栅应变计、光纤布 喇格光栅温度计；所述弹性体包括上挂环、上圆板、保护圆孔、保护 柱体、下圆板、下挂环和U型槽结构；

其中，所述上挂环和下挂环位于弹性体的两侧；所述上圆板分别 与所述上挂环和U型槽结构连接；所述保护柱体位于U型槽结构两侧 与下圆板相连；所述保护圆轴位于保护圆孔内；

所述U型槽结构构成称重传感器的应变传感部分；

所述的保护圆孔、保护柱体和保护圆轴构成称重传感器的过载保 护部分；

所述的光纤布喇格光栅应变计分别对称点焊在U型槽结构上下 表面的中心轴上；

所述的光纤布喇格光栅温度计点焊在过载保护部分上。

所述弹性体采用一块合金钢材一次性加工成形的整体结构，弹性 体材料可点焊。

所述过载保护部分采用轴与孔相结合的结构；所述保护圆轴的直 径小于保护圆孔的直径，用于通过调整轴孔间的缝隙来调整过载保护 阈值。

所述称重传感器还包括圆筒形封装壳体，用于封装弹性体，并留 有直径为3mm的光缆出线口。

所述的光纤布喇格光栅应变计采用坚固的可点焊式无胶封装。

所述光纤布喇格光栅温度计采用坚固的可点焊式无胶封装。

所述保护柱体与U型槽之间留有0.2mm的缝隙。

所述保护柱体与上圆板之间留有0.2mm的缝隙。

一种采用权利要求1所述称重传感器组成的覆冰监测系统，其特 征在于，所述系统包括光纤布喇格光栅称重传感器，光纤复合架空地 线OPGW传输线，光纤布喇格光栅波长解调仪和监控计算机；

其中，所述光纤布喇格光栅称重传感器安装在输电线路耐张塔 上，所述光纤布喇格光栅称重传感器通过光纤复合架空地线OPGW传 输线和光纤布喇格光栅解调仪连接；所述光纤布喇格光栅解调仪与监 控计算机连接；

所述光纤布喇格光栅称重传感器用于测量导线所受张力；所述光 纤复合架空地线OPGW传输线用于实现光纤布喇格光栅称重传感器和 光纤布喇格光栅解调仪之间的光信号传输；所述光纤布喇格光栅解调 仪用于实时解调传感光纤布喇格光栅的反射布喇格波长，并将解调出 的布喇格波长值发送给监控计算机。

本发明的有益效果是，本发明提供的由称重传感器组成的光纤布 喇格光栅覆冰监测系统适合于各种气候测量，抗电磁干扰，利于长期 监测；突破了电阻应变称重系统需要现场电源且无法多点测量的缺 陷；整个传感器无胶制作，解决了使用粘结剂粘贴工艺复杂且胶水易 老化的问题。测量得到的应变通过波长编码实现，光纤布喇格光栅称 重系统不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗等因素的影响；测 量灵敏度好、分辩率高；采用了U型槽结构，在截面积相同的情况下， 大大提高了其抗偏载能力；采用了轴孔相结合的过载保护结构，既保 证了拉力的测量灵敏度，又大大提高了传感器的拉断力。

附图说明

图1是本发明提供的光纤布喇格光栅称重传感器内部结构图；其 中，(a)为称重传感器内部结构的主视图；(b)为称重传感器内部结 构的侧视图；

图2是本发明提供的一种采用所述称重传感器是组成光纤布喇 格光栅覆冰监测系统的结构图；

其中，1-上挂环；2-上圆板；3-保护圆孔；4-保护柱体；5-下圆 板；6-下挂环；7-保护圆轴；8-U型槽结构；9-光纤复合架空地线OPGW 传输线；10-光纤布喇格光栅称重传感器；11-变电站。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说 明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的光纤布喇格光栅称重传感器内部结构图。图 1中，所述光纤布喇格光栅称重传感器内部结构图包括上挂环1、上 圆板2、保护圆孔3、保护柱体4、下圆板5、下挂环6、保护圆轴7 和U型槽结构8；

所述上挂环1、上圆板2、保护圆孔3、保护柱体4、下圆板5、 下挂环6和U型槽结构8共同构成弹性体，其中，所述上挂环1和 下挂环6位于弹性体的两侧；所述上圆板2分别与所述上挂环1和U 型槽结构8连接；所述保护柱体4位于U型槽结构8两侧与下圆板5 相连；所述保护圆轴7位于保护圆孔3内；整个弹性体是由一块合金 钢材一次性加工成形的整体结构，体积小、稳定性好；保护圆轴7单 独加工；

所述上挂环1与PH型金具相连；所述的下挂环6与U型挂环相 连；

所述的U型槽结构8为称重传感器的应变传感部分，其横截面为 工字型，与传统的柱式结构相比，在同样截面积的情况下，增大了弹 性体的等效直径，提高了截面的惯性矩，进而提高了弹性体的抗弯能 力；另外转角部位采用圆角过渡，可以使得应力分布过渡均匀，输出 灵敏度高，受力状态稳定，提高传感器的抗过载能力和抗冲击能力； 所述的保护圆孔3、保护柱体4和保护圆轴7共同构成称重传感器的 过载保护部分。当轻荷载作用在称重传感器上时，U型槽8受力伸长 并带动保护圆轴7移动；当荷载过大，保护圆轴7与保护圆孔3的上 方接触并使得保护柱体4分担大部分负荷从而保护了U型槽不被拉 断。所述的保护圆轴7的直径略小于保护圆孔3的直径，通过调整轴 孔间的缝隙来调整过载保护阈值。当荷载小于阈值时，传感器灵敏度 高；当荷载大于阈值时，轴孔间缝隙闭合，U型槽结构两侧的矩形柱 将分担荷载，进而显著提高拉断力。

所述保护柱体4与U型槽8之间留有0.2mm的缝隙，所述的保护 柱体4与上圆板2之间同样留有0.2mm的缝隙。

两个光纤布喇格光栅应变计对称点焊在U型槽上下两个面的敏 感区域。当偏载发生时，弯矩引起的弹性体上、下表面应变偏移量大 小相等，方向相反，通过两个面应变的平均值来克服传感器在偏载和 受力不均匀时的测量偏差。光纤布喇格光栅温度计点焊在保护柱体4 上，在测量过程中不受力，克服了温度的影响，保证了测量结果的准 确。通过分析光纤布喇格光栅应变计和温度计返回的布喇格波长变化 来反算覆冰情况。

图2是本发明提供的一种采用所述称重传感器是组成光纤布喇格 光栅覆冰监测系统的结构图。图2中，所述系统包括光纤布喇格光栅 称重传感器，光纤复合架空地线OPGW传输线，光纤布喇格光栅波长 解调仪和监控计算机；

其中，所述光纤布喇格光栅称重传感器安装在输电线路耐张塔 上，所述光纤布喇格光栅称重传感器通过光纤复合架空地线OPGW传 输线和光纤布喇格光栅解调仪连接；所述光纤布喇格光栅解调仪与监 控计算机连接；

所述光纤布喇格光栅称重传感器用于测量导线所受张力；所述光 纤复合架空地线OPGW传输线用于实现光纤布喇格光栅称重传感器和 光纤布喇格光栅解调仪之间的光信号传输；所述光纤布喇格光栅解调 仪用于实时解调传感光纤布喇格光栅的反射布喇格波长，并将解调出 的布喇格波长值发送给监控计算机。

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。