光纤光栅在输电铁塔结构检测中的应用

李佳奇，曹敏，胡威，李川

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217;2.云南电网公司研究生科研工作站，昆明 650217;3.昆明理工大学，昆明 650000)

0 前言

变电站和输变电设备所处地貌复杂，气候多样，地质安全和气候的变化一直是威胁电网安全运行的主要因素之一。因为缺乏有效的监测手段，无法及时发现险情，对电网的安全运行造成了影响。采用光纤Bragg 光栅应变传感器和土压力传感器对输电铁塔进行实时在线检测很重要。

1 光纤光栅传感器原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(如外界入射光子与纤芯内锗离子线序作用引起纤芯折射率的永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，起作用实质是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射器。由光栅方程可知，其Bragg 反射峰中心波长λB与光纤光栅的周期Λ 的关系为:

式中:neff为光纤的有效折射率。

光栅从周期性结构来看，光栅分为有规律周期和周期变化(即chirp 光栅)两种。光纤Bragg光栅传感器用的是有规则周期的光栅，光栅的周期一般为0.05～0.3 nm。

由光栅方程公式 (1)可知，光纤光栅的Bragg 中心波长取决于光栅周期和光纤的有效折射率，任何使用这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg 波长的移位。通过对Bragg 波长移位的测量，就可以测出被测参量。应变和温度就是两个能显著改变Bragg 波长的物理量。当光栅受到外界应变作用时，光栅的拉伸会导致其周期的变化，同时弹光效应会导致光栅折射率的变化;当光栅受到外界温度的影响时，由于材料的热膨胀，会使其周期发生变化，同时光栅折射率也会水温度而变化。以上的变化将最终导致布Bragg 波长的移位。波长移位与应变和温度的关系如下:

式中:ΔλB为温度与应变引起的光纤光栅中心波长移位，λB为Bragg 中心波长;Δε 为轴向应变;ΔT 为温度变化，α 和ξ 分别为光纤的热膨胀系数和热光系数，Pe为弹光系数。

弹光系数Pe可以表示为:

光纤的热热膨胀系数α 和ξ 热光系数可以分别表示为:

表1 不同波长的光纤光栅的应变与温度灵敏度

通过以上光纤光栅传感原理分析可以看出，在光纤Bragg 光栅处施加外力，光栅的间隔发生变化后，反射回来的光的波长也会相应发生变化。Bragg 波长λB 同时受到光栅周期和有效折射率扰动的影响，因而通过检测光纤Bragg 波长λB 的变化即可测出应变和温度的变化。

2 输电铁塔仿真

选用ANSYS 有限元分析软件对电力铁塔在电缆风舞拉力下以及小角度倾斜情况下的应力、应变情况进行分析，寻找应变集中位置，并合理选取传感测点。铁塔是由角钢用螺栓联接组成的，多个螺栓的角钢联接使角钢的约束增加。在利用ANSYS 进行有限元建模时，由于铁塔结构比较复杂，所以不采用实体建模的方法。在ANSYS 中选用BEAM188 建模考虑到了角钢的方向性，与输电线铁塔真实情况比较接近，角钢的联接点简化为单元的节点即为刚节点，这种建模方法的计算结果比较接近实际情况。

3 电力铁塔的传感器安装

塔架应变传感器的安装方法。由于传感器之间为串联，传感器穿完两边底座后，再进行焊接会烧伤传感器引出光缆，需先将底座焊接好后，将连接好的传感器逐个穿过固定座时，由于预留的孔间隙很小，底座之间稍微有偏角传感器就很难穿过，因此，用一个预先做好的模子套在底座上，将底座焊好。安装原理及方法参见图1。

图1 塔架应变传感器安装原理图

4 结束语

在电力铁塔的塔身主材安装了光纤应变传感器，并且在塔基的方向均埋设了光纤土压力盒。根据数据分析发现，应变传感器以及土压力传感器有效的检测到了主材的应变变化以及塔基土压力的变化。通过长期的监测，应变变化正常波动，无异常突变情况，主材处于稳定状态。根据监测数据分析，塔身主材的形变量受季节性气温、降雨量、风力的影响比较大。根据上述变化范围和长期的变化趋势，电力铁塔塔身主材应变异常报警功能正常启用，对电力铁塔塔身应变长期在线监测，监测应变变化波动范围，有无异常突变情况，以此判断主材是否处于稳定状态。根据上述变化范围和长期的变化趋势，电力铁塔塔基压力异常报警功能正常启用，预警机制如下:

1)速率预警:当24 小时内变化速率高于长期监测统计的最大速率时，应有所警惕，在雨季应该留意铁塔所处于的山体状况。必要时采取疏通排水沟引流等方法缓解塔基所受压力，注意横担因大风、覆冰等恶劣天气带来的扭曲，折断等不安全隐患。

2)最大值预警:当监测值大于系统长期监测统计出的最大值时，应该巡视现场状况。

［1］Hill K O et al.Photosensitivity in Optical Fiber Waveguides:Application to Reflection Filter Fabrication ［J］，Applied Physics Letter，1978，32 (10):647～649

［2］Bhatia V.Properties and Applications of Fiber Gratings ［J］，SPIE，2001，4417:154～160

［3］李川，张以谟，赵永贵.光纤光栅原理、技术与传感应用［M］.北京:科学出版社，2005

［4］李宏男，任亮.结构健康监测光纤光栅传感技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008

［5］徐卫军，刘运飞，陈彦生.结构健康监测光纤传感技术研究［M］.北京:中国水利水电出版社，2010

［6］孙丽.光纤光栅传感应用问题解析［M］.北京:科学出版社，2011

［7］A.Kerrouche，W.J.O.Boyle，T.Sun，K.T.V，Grattan.Design and In－the－Field Performance Evaluation of Compact FBG Sensor System for Structural Health［J］.Monitoring Applications，Sensors and Actuators A:Physical，2009，151(2):107－112.

［8］姜绍飞.结构健康监测导论［M］.北京:科学出版社，2013

［9］李宏男.高压输电铁塔抗震分析与设计［M］.北京:中国电力出版社，2009

［10］杜彦良，孙宝臣，张光磊.智能材料与结构健康监测［M］.武汉:华中科技大学出版社，2011

［11］李川.光纤传感器技术［M］.北京:科学出版社，2012

［12］李晓龙.FBG 传感技术在变电站结构安全监测中的应用研究［D］.云南昆明:昆明理工大学

［13］邵龙潭，李红军.土木结构稳定性分析——有限元分析平和发及其应用［M］.北京:科学出版社，2011

［14］涂亚庆，刘兴长.光纤智能结构［M］.北京:高等教育出版社，2005