基于多參量分布式光纖傳感的架空輸電線路風振監(jiān)測分析

楊 芳，唐小亮，尹文闊，王敏學

基于多參量分布式光纖傳感的架空輸電線路風振監(jiān)測分析

楊 芳1，唐小亮1，尹文闊1，王敏學2

(1.廣東電網有限責任公司清遠供電局，廣東 清遠 511518；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074)

輸電線路風振可能造成線路閃絡、斷股和金具疲勞損壞等故障，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，準確和實時地監(jiān)測線路的風振情況對災害預警、故障排除和狀態(tài)評估意義重大。為了解決傳統(tǒng)風振監(jiān)測手段維護困難、可靠性低等缺點，提出了一種基于多參量分布式光纖傳感的輸電線路風振監(jiān)測裝置。首先介紹了分布式光纖傳感的基本原理和設備基本結構，然后利用數值仿真的方法分析了舞動和微風振動時線路的振動頻率、幅值特征，論證了利用分布式光纖監(jiān)測風振的可行性。實驗證明，該裝置能同時監(jiān)測輸電線路沿線各段的風振及線路內部應力變化情況，其60 km內的定位精度為±50 m，舞動及微風振動頻率監(jiān)測誤差分別為0.07 Hz和0.01 Hz。該裝置為架空輸電線路的風振在線監(jiān)測提供了新方法。

分布式光纖傳感；舞動；微風振動；輸電線路；OPGW

0 引言

舞動、微風振動等線路風振現象可能引起電弧燒傷、金具損傷等，甚至還會引起斷股斷線、桿塔倒塌等嚴重事故，嚴重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1]。如果可以實時地監(jiān)測和評估輸電線路的風振情況，并且在故障時快速定位故障位置，就可以快速恢復輸電線路故障，并針對性地對災害出現較多地區(qū)的線路進行改造[2]。目前主要的風振監(jiān)測技術包括加速度傳感法、圖像處理法、GPS傳感法[3-6]和光柵傳感法[7]，然而加速器傳感法需要安裝一系列的加速器傳感器，且需要軟件擬合舞動軌跡，成本較高，準確度也不足；圖像處理法依賴視頻拍攝器，易受大霧、雨雪的天氣影響，可靠性較差；GPS系統(tǒng)基站的修建及日常維護費用高，經濟性不足；光纖光柵的傳感距離有限，監(jiān)測線路風振需要多點布設[8]以形成準分布式光纖監(jiān)測，施工難度大且維護困難。所以發(fā)展能夠長距離監(jiān)測且經濟的輸電線路新型傳感器對長距離輸電線路風振的在線監(jiān)測意義重大。

分布式光纖傳感技術(Distributed Optical Fiber Sensing, DOFS)可以實現空間的連續(xù)監(jiān)測，傳輸距離可達100 km以上，利用光時域反射技術，通過監(jiān)測后向散射光的相位、振幅等進行監(jiān)測，目前已廣泛應用于橋梁、道路和電纜[9-11]等區(qū)域的監(jiān)測。目前光纖復合架空地線(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire, OPGW)的廣泛鋪設，分布式光纖可以直接利用OPGW內的冗余光纖，主機設置在變電站內，安裝維護簡單，在輸電線路監(jiān)測領域[12]發(fā)展前景廣闊。然而，分布式光纖在應用于風振監(jiān)測方面研究較少且多基于單一參量光纖傳感技術[13-14]，無法估計線纜受損情況或覆冰等情況[15]，抗干擾能力較弱。所以，多參量分布式光纖傳感技術[16-17]是提高輸電線路全面性和可靠性監(jiān)測的關鍵技術。

鑒于此，本文提出了一種基于多參量的分布式光纖輸電線路風振監(jiān)測方法，首先介紹了多參量分布式光纖的原理與基本構造，然后仿真分析了舞動及微風振動時輸電線路的振動特性，論證了該設備監(jiān)測線路舞動及微風振動的可行性，最后在實驗室進行了OPGW微風振動、舞動和應變實驗，結果證明該設備可以實時監(jiān)測和評估線路的風振及損傷情況，并對線路風振和故障位置進行準確定位。

1 多參量分布式光纖監(jiān)測基本原理及結構

1.1 分布式光纖傳感基本原理

在光纖中不完全均勻的折射率的影響下，在其中傳播的光沿著光纖向前后都發(fā)生散射，如圖1所示，監(jiān)測后向散射光的返回時間后，代入式(1)即可對發(fā)生在光纖上的擾動進行定位。

式中：為光纖擾動位置；t為光信號往返所需時間；c為光速；n為光纖的折射率。該定位技術即光時域反射技術。光纖中的散射光分為瑞利散射光、拉曼散射光和布里淵散射光，其中瑞利散射光強最強，布里淵散射光次之，拉曼散射光最弱，如圖2所示。

圖2 光纖中的散射光頻圖

布里淵散射光對溫度和應力敏感，故布里淵光時域反射儀[18](Brillouin optical time domain reflectometer, BOTDR)可以用于分布式的溫度和應力傳感，其光頻移量與溫度和應變的關系如式(2)所示。

在光纖發(fā)生振動時，振動區(qū)域的光纖折射率會隨時間變化，從而改變后向散射光的相位，以實現對線纜振動情況的監(jiān)測。相位敏感型的瑞利散射光時域反射技術[19-20](Phase-sensitive optical time domain reflectometer,FOTDR)是通過監(jiān)測光的相位變化來定位振動區(qū)域的技術，在光纖某點出現擾動時，該點及其之后的散射點會疊加一個額外的相移，導致電流信號變化，通過兩個時刻的后向散射光做差就可以定位振動區(qū)域，振動定位原理如圖3所示。

圖3 FOTDR監(jiān)測與定位振動區(qū)域示意圖

1.2 多參量分布式光纖傳感主機結構

多參量分布式光纖傳感裝置結構如圖4所示，其中BOTDR、ΦOTDR系統(tǒng)共用一個光源，裝置采用窄線寬光源，脈沖調制器采用聲光調制器，光調制器將連續(xù)光調制為脈沖光，為了增加線路的監(jiān)測范圍，本裝置的光放大器采用了拉曼方法與摻鉺放大器兩級放大模式，增益后光經過帶通濾波器進入光環(huán)形器中，帶通濾波器用于濾除光放大器噪聲。

圖4 多參量分布式光纖傳感光學系統(tǒng)結構

2 分布式光纖的風振監(jiān)測可行性分析

2.1 輸電線路覆冰舞動的數值模擬

冬季，由于線路不規(guī)則覆冰導致其在風作用下所受升力不平衡，容易導致線路舞動。覆冰導線舞動三自由度模型[21-22]如圖5所示。

圖5 覆冰導線舞動模型

線路舞動的三自由度模型方程求解十分復雜，為了簡化計算文中忽略扭轉自由度，列出兩自由度方程如式(3)所示。

圖6(a)為求解得到的線路覆冰舞動軌跡，線路舞動時縱向方向(垂直地面方向)的振幅占主要部分，橫向上振幅只有縱向的1/10左右，所以估計出舞動時縱向方向的振動頻率就可以估計舞動的情況。舞動縱向分量FFT分解后為頻率0.48 Hz，如圖6(b)所示，在線路的振動監(jiān)測范圍內。

輸電線路只有在不規(guī)則覆冰產生不均衡升力時才會發(fā)生舞動[16]。根據拋物線法和彈性變形胡克定律，由舞動引起的水平拉力的變化可由式(4)計算。

表1 舞動仿真線路參數

2.2 線路微風振動分析

風激勵是引起微風振動的主要原因[23-24]，而能量平衡法是計算微風振動的主要方法，計算公式如式(5)所示。

圖7 不同半波作用下水平張力的變化

設輸電線的方向位移如式(6)所示。

在二分之一的周期內，風輸入的功率如式(7)—式(8)所示。

風能輸入功率如式(10)所示。

線纜自阻尼功率表達式如式(11)所示。

本文取振幅為小于0.6d的風能功率，將式(10)、式(11)代入平衡方程式(5)可得式(12)。

仿真線路參數設置跨距為220 m，單位長度重量為0.974 3 kg/m，拉力為72 300 N，截面積為277.75 mm2，仿真得到不同風速下的微風振動曲線如圖8所示。由圖8可知風速越大，微風振動的頻率越高，振幅越小，其振動頻率一般為20～300 Hz，在此多參量分布式光纖設備的頻率監(jiān)測范圍內。另外，高振幅的舞動很容易引起線路疲勞，并造成線路的斷股和損傷。

圖8 仿真得到的微風振動時域圖

3 實驗結果與分析

3.1 舞動監(jiān)測實驗及分析

本次實驗采用型號為OPGW-24B1-150的OPGW進行實驗，OPGW結構示意圖如圖9所示，將實驗所用的OPGW內部的光纖接出，在尾端成環(huán)處理，在OPGW的首端抽出兩根光纖，將OPGW接出的光纖外接22.4 km的光纖盤后，從光纖盤內抽出光纖接入分布式光纖主機中。

圖9 OPGW結構示意圖

將 OPGW以15% RTS 按圖安裝在試驗檔上，試驗過程中實時監(jiān)測光信號。懸掛裝置保證 OPGW 在施振段靜態(tài)時的弧垂角不超過(1.5±0.5)°。根據第2.1節(jié)的結論，舞動的頻率在0～3 Hz之間，考慮線纜的結構等因素，本實驗調整舞動振動器的振動頻率為1.41 Hz，使得線纜進入穩(wěn)定的舞動狀態(tài)，OPGW長度為60 m，其實驗場地如圖10所示。

DOFS系統(tǒng)監(jiān)測得到的振動曲線是位置-時間的矩陣，該系統(tǒng)的時間采樣頻率為754 Hz，時間采樣點數為4 096，空間采樣點數為4 083個，每兩個點之間的距離為16 m，所得數據為4096×4083的矩陣，三維曲線如圖11所示。

圖10 舞動實驗示意圖

圖11 OPGW舞動時域—距離—強度三維示意圖

將兩個相鄰位置的時間—強度曲線進行滑動平均和差分處理后(其中滑動平均窗口取6)，可以得到如圖12所示的定位圖，由于只有OPGW舞動區(qū)域出現振動，而大部分區(qū)域的振動強度是隨機的白噪聲，所以對其進行平均后相減可以得到如圖12所示的位置-振動強度曲線，其強度最大點即為舞動位置，如圖12所示其定位位置為22 390—22 450 m段，此段位置與OPGW舞動段位置誤差在20 m以內。

圖12 舞動位置定位圖

將舞動定位位置的22 400 m處的時間—振動強度曲線提取后進行快速傅立葉變化，得到的頻譜圖如圖13所示。在線路發(fā)生舞動時，其頻譜圖在1.47 Hz及其倍頻(4.2 Hz、8.4 Hz)附近會出現振動強度峰值，與實驗設置的振動頻率相同，證明該裝置可以準確監(jiān)測線路的舞動頻率，其振動頻率誤差為0.06 Hz。

3.2 微風振動監(jiān)測實驗及分析

微風振動實驗采用與舞動實驗相同的OPGW型號，其實驗場地如圖12所示。將OPGW以15%～20% RTS 按圖安裝在試驗檔上，根據第2.2節(jié)的結論，在20～300 Hz范圍內設置線路穩(wěn)定振動頻率，最后設置微風振動頻率發(fā)生器的頻率為50 Hz，在OPGW前分別續(xù)接入22.4 km、44.4 km和59.6 km的光纖盤，微風振動位置定位如圖14所示。

在線路某段出現微風振動時，其振動位置距離DOFS越長，其定位算法得到的風振位置的信噪比越低，如圖15所示。這是由分布式光纖的相干衰弱引起的，實驗結果定位位置與線路實際位置進行對比分析如表2所示，該設備在60 km范圍內的定位精度為±50 m。

圖14 微風振動實驗示意圖

圖15 微風振動定位圖

表2 OPGW微風振動實際位置與監(jiān)測定位位置

對不同位置處的時域曲線進行快速傅里葉分解得到圖16所示的頻率—位置—振動強度圖，振動頻譜如圖17所示。當OPGW微風振動時，在50 Hz及其多倍頻附近有很明顯的峰值，且微風振動位置距離分布式光纖主機位置越遠其振動強度越弱，其測量的誤差在0.01 Hz左右，實驗證明該裝置可以準確定位60 km以內的微風振動位置并監(jiān)測其振動頻率。

圖16 不同位置處微風振動頻譜—位置—振動強度分析圖

圖17 22 400 m處微風振動頻譜分析圖

3.3 應變監(jiān)測試驗及分析

在線路出現長期微風振動或舞動時，可能會導致其疲勞損傷，并出現斷股甚至斷線等事故，在OPGW損傷時，根據文獻[25-26]的結論，在消耗完光纖內部余長的情況下，其BOTDR所測得的頻移值會隨著斷股數的增加而增加，可以此分析其線路損傷問題。為了測試此設備監(jiān)測線路應變能力，進行了OPGW的拉力試驗，試驗將100 m長的OPGW(型號為OPGW-96B1.3-150)固定在拉力器上，其額定拉斷力(Rated Tensile Strength，RTS)為94.8 kN，依次施加65% RTS，85% RTS和125% RTS的拉力，測試其BOTDR的頻移情況，實驗設置如圖18所示。

圖18 OPGW 應力—應變性能試驗裝置

圖19 不同拉力下的頻移變化情況

4 結論

本文提出一種基于多參量分布式光纖的輸電線路風振監(jiān)測系統(tǒng)，通過仿真和實驗得到如下結論：

1) 輸電線路舞動時振動主要集中在垂直于地面方向，其振幅為水平方向的十倍左右，且舞動時線纜內部各點的應力會根據線路振動頻率周期性變化，仿真分析其垂直地面方向振動頻率為0.48 Hz；輸電線路微風的振動頻率在20～300 Hz之間，振動幅值小于線路直徑。舞動與振動頻率在DOFS的監(jiān)測范圍內，利用分布式光纖監(jiān)測舞動和微風振動具有可行性。

2) 在實驗室進行了微風振動及舞動實驗，結果表明，監(jiān)測范圍在60 km內時，設備定位線纜舞動和微風振動的定位精度在±50 m以內。頻譜分析可得，在線纜舞動和微風振動時，分布式光纖監(jiān)測得到的頻譜曲線在其實際振動頻率及其多倍頻處都會出現峰值。設備的舞動頻率監(jiān)測誤差小于0.06 Hz，微風振動頻率監(jiān)測誤差小于0.01 Hz。

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Analysis of transmission line wind vibration monitoring based on a multi parameter distributed optical fiber sensor

YANG Fang1, TANG Xiaoliang1, YIN Wenkuo1, WANG Minxue2

(1. Qingyuan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Qingyuan 511518, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)

Wind vibration of transmission lines may cause line flashovers, broken stocks, and fatigue damage to fittings. This poses a great threat to the safe and stable operation of a power system. Accurate and real-time monitoring of wind vibration of lines is of great significance for disaster warning, troubleshooting and status assessment. To overcome the shortcomings of traditional monitoring methods, such as difficulty in maintenance and low reliability, this paper proposes a multi-parameter distributed optical fiber sensor-based wind vibration monitoring device for transmission lines. The numerical simulation method is used to analyze the vibration frequency of the line during galloping and breeze vibration and amplitude characteristics, demonstrating the feasibility of using distributed optical fiber to monitor wind vibration. Experiments show that the device can simultaneously monitor wind vibration and OPGW damage of various sections along the transmission line. The positioning accuracy within 60 km is ±50 m, and the monitoring errors of galloping and breeze vibration frequencies are 0.07 Hz and 0.01 Hz respectively. It provides a new method for wind vibration online monitoring of the transmission lines.

distributed optical fiber sensing; galloping; wind vibration; power transmission lines; OPGW

10.19783/j.cnki.pspc.211670

南方電網公司科技項目資助(GDKJXM20198377)；國家自然科學基金項目資助(52077091)

This work is supported by the Science and Technology Project of China Southern Power Grid Co., Ltd. (No. GDKJXM20198377).

2021-12-07；

2022-01-23

楊 芳(1986-)，男，通信作者，碩士，高級工程師，主要研究方向為輸電線路運行技術、智能技術應用；E-mail：1902099210@qq.com

唐小亮(1984-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為輸配電技術管理；E-mail: 785045586@ qq.com

尹文闊(1993-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為輸電線路運維。E-mail: 13297958072@ 163.com

(編輯 張愛琴)