基于光传感技术的输电线路覆冰监测装置

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一、开发光纤复合绝缘子的目的及意义我国交流复合绝缘子从研究开发到大范围应用已近三十年，全国挂网运行的复合绝缘子已超过五百万支。

% E; f1 S% w7 l1 b$ }9 x截止2000年，全国110kV以上复合绝缘子事故共231次，其中雷击占55.8%，当时还未发生机械强度下降造成的事故。
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. ^# E) V+ i9 M9 K  I' y( ]7 ^这两年又连续出现了国产和进口500kV及以下电压等级复合绝缘子断裂掉串的严重事故。

2002年夏，浙江省使用的西门子公司产品和可靠公司220kV产品均发生了掉串事故，其中西门子产品的掉串几乎使局部电网崩溃。

广东500kV惠汕线1996年12月投产，至2000年已发生了2起复合绝缘子断裂事故。

1 k) C/ j. w, n# j; d. v1998-2006年，山西省电力公司220 kV及以上线路发生绝缘子覆冰故障共计32次，占线路总故障次数的24.6%。
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2005年春节前后，持续的大强度冰冻使湖南电网遭受了有史以来最严峻的考验，先后发生了电力线路因融冰产生的冰闪跳闸、倒塔断线事故。
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4 }% A7 ?2 \' q& l( x1 g- `因不堪重负，有3条500kV线路倒塔24基；6条220kV线路倒塔18基。
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. [8 @' o0 |2 c0 ~而2008年年初的雪灾更是给南方电网和华中电网带来十分严重损失，根据中电联的统计数据，由于绝缘子和线路杆塔的覆冰，全国范围因灾停运电力线路共37606条，因灾停运的变电站共2027座，110kV-500kV线路因灾倒塔共8551基。
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由此可见，全面了解线路覆冰数据和线路上各种不同厂家绝缘子的运行状况和性能优劣对于电网系统的安全运行具有重大现实意义，对于在大灾之后调整电网建设标准也具有指导意义。
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通过多年的专项研究和试验试用，我们采取在复合绝缘子的棒芯植入光纤传感器或在生产过程中埋入光纤传感器的模式，通过试验来测试棒芯中光纤传感器的波长变化和应力变化来实时监测线路覆冰、在线复合绝缘子的运行状况、导线重力等现场的一系列情况。
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光传感器的对应变的传感原理及结构由于光纤传感器对被感测信息用波长编码，而波长是一种绝对参量，它不受光源功率波动以及光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响，因而利用光纤传感器术对线路覆冰、运行状况等信息的监测具有非常好的可靠性和稳定性。
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不仅如此，较之于现有的绝缘子和线路覆冰监测手段，光纤复合绝缘子在覆冰在线监测上具有非常明显的技术优势：
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1 u6 b5 `# J+ c8 t' p1）抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作；
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- ]$ c# z5 u( b+ e2）光纤传感器结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成智能材料或结构；

3）可以有效克服摄像头在恶劣气象条件下失灵的弊病，监测到的数据准确可靠，可指导线路检修和设备维护；
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  i  {+ C* k( C& |4）可复用性强，采用多个传感器，可以构成分布式光纤传感网络。

二、光纤复合绝缘子的监测项目用户可根据地域、污染源等因素有选择地悬挂光纤复合绝缘子，我们提供在线实时监测和离线监测两种方式。
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通过在重点区域的铁塔上悬挂光纤复合绝缘子和安装监测终端装置，可以实时监测光纤复合绝缘子的运行工况，并能将数据实时传回监测中心，以此判断同类绝缘子的工作状况，用以指导线路检修和设备维护。
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较之于在线监测，离线监测方式只需有选择地悬挂光纤复合绝缘子，线路维护人员在巡视时通过特殊的仪表监测绝缘子的温度和应变量，从而判断复合绝缘子运行性能。
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- C* f! a' e+ b; l9 y: M对于新建工程，可综合考虑各方面因素有选择地悬挂光纤复合绝缘子。
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对于已在线运行的复合绝缘子，可对光纤复合绝缘子进行人工加速老化，使其接近已运行绝缘子的性能表现，然后再挂网对其进行监测。光纤复合绝缘子具体应用在以下三个方面：
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1）监测线路杆塔的覆冰重量、厚度我公司经过长年的现场试验，积累了大量的数据，并据此构建了特定的数学模型。通过监测光纤传感器的应力的改变，结合现场气象（主要是风速、风向）和绝缘子轴向倾角的变化，通过该模型来计算出线路覆冰重量和厚度，并根据所测的应变量及绝缘子芯棒的原长度，可以推算出整个芯棒的形变量?L，以此确定线路覆冰告警点。
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% r, p8 K# Y! N5 Y" k2）监测复合绝缘子的温度通过预先计算并设定的光纤传感器的参数值，可监测出复合绝缘子劣化后温度变化、应变与复合绝缘子芯棒蠕变和金具连接处滑移量数据，通过特定数学模型可判断绝缘子的老化程度和实时监测绝缘子表面局部放电情况、伞套表面放电或电弧烧伤情况。
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: |- x5 {. e* A: u* \3）监测复合绝缘子的运行情况通过对复合绝缘子芯棒作定量的拉力及应变试验，我们可以发现处于绝缘子芯棒的不同部位的光纤传感器在均匀受拉的前提下，各自所受应变几乎相同。在实际应用中，通过光纤复合绝缘子，不仅能监测由导线自重所引起的自然形变(通常可忽略不计)，而且能监测绝缘子芯棒因任何部位破损或脆断所引起的总体形变量，从而判断绝缘子的缺陷和运行情况。

翼翼

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