一种耐高压FBG压力传感器在电力铁塔塔基的应用

黄冰晶+谢明鸿+汪应龙

摘要：云南属低纬度高原及其向南倾斜的斜坡地区，地质条件与气候环境复杂，地质灾害繁多，这致使大多数山区电力铁塔塔基存在地质结构安全问题，严重威胁电力系统的稳定运行。为应对各种威胁铁塔安全的突发情况，设计一种耐高压的FBG压力传感器，实现对山区电力铁塔塔基土压力的实时监测预警，为变电站结构的安全维护工作提供辅助决策依据与技术支持。该传感器技术已经成功应用于云南省玉溪市山区某个220kV变电站。

关键词：FBG压力传感器；耐高压；电力铁塔塔基；实时监测预警

0 引言

云南大多数山区地质结构复杂，气候多变，部分地区处于地震多发带，这可能会造成电力铁塔变形甚至倒塔、断线等严重后果。所以，对电力铁塔的实时监测预警可以有效地维护电力系统稳定运行。但是目前对包括电力铁塔在内的多数变电站结构的安全监测仍然是以人工周期性观测为主，难以响应突发性事件和极端气候条件下连续监测的需要，因此对变电站结构安全的实时监测研究就显得尤为重要。

光纤布拉格光栅（ Fiber Bragg Grating，FBG）具有抗电磁干扰能力强、传输损耗小、精度高和实时性强等特点，特别适合需要实时监控多参量（应变，温度，位移）的大型建筑如大坝、桥梁、边坡、电力设备等。2012年，刘江利用FBG传感器进行对边坡工程结构安全的监测研究[31；2013年，蔡周春利用FBG传感器对某公路隧道进行压力的监测研究； 2011年，卢艳研究了基于光纤光栅传感技术的变压器温度检测系统，将光纤光栅传感器应用在电力系统上。

基于山区电力铁塔结构安全的实时监测需求，本文采用光纤布拉格光栅（ Fiber Bragg Grating，FBG；传感技术，利用FBG材料的耐腐蚀、非电量传感传输、高精度、高灵敏度、电绝缘、抗电磁干扰、稳定性强和使用寿命长等特殊物理属性，对电力铁塔塔基土压力进行实时预警监测。如果发生地震等自然地质灾害，那么山区电力铁塔塔基所承受的土压力肯定比平时要高出很多倍，所以设计一种耐高压的光纤布拉格光栅压力传感器，比普通的FBG压力传感器能承受更大的支撑力，可适用于电力铁塔塔基土压力的高压实时测量。

1 耐高压FBG传感器设计

1.1 结构设计

为加强FBG压力传感器在山区等各种恶劣环境中的应用，提高传感器的抗压范围，现提出一种耐高压的FBG压力传感器，设计结构如图1所示：

这种耐高压传感器的基本结构是双膜式土压力传感器。其中，承压板和环状膜片构成一次膜片，一次膜片和二次膜片与壳体相连构成传压油腔，二次膜片通过位于其下表面圆心处的圆球与悬臂梁的自由端相连，悬臂梁的固定端与壳体连接，壳体与底盖螺纹连接。

当土压力作用在一次膜片上，使一次膜片中心产生大小与所受应力呈线性关系的挠度变化，同时传压油腔内的液压油受到一次膜片的挤压作用，二次膜片受到液压油产生的等值压力而产生挠度变化，推动下方的网球向下移动，压迫悬臂梁自由端发生相同的挠度变化，从而使悬臂梁中心轴线上的光纖布拉格光栅发生布拉格波长移位。为提高传感器的耐压能力，我们改进传感器头结构设计，如图2所示。

耐高压FBG压力传感器头的主要组成部分是弹性筒和耐高温胶封装的FBG。为了使FBG和弹性筒完好粘接，在粘接前用耐高温胶均匀涂敷在FBG上并放入温箱高温固化，然后将FBG沿弹性筒的轴向内部放置。弹性筒和悬臂梁表面用密封圈即弹性橡胶圈连接，光纤Bragg光栅通过光纤引出孔与外接光纤相连接。需要注意的是，悬臂梁材料的受压范围需要与传感器的相一致，这样塔基土压力才可以有效地传递到内部弹性筒上并产生轴向压缩形变，带动其上的FBG产生压缩应变，引起FBG波长移位。

1.2 工作原理

一次膜片受到的土压力通过传压油腔和圆球均匀传递到悬臂梁的自由端，然后有效传递到悬臂梁上表面中心轴线上的光纤布拉格光栅的弹性筒上并产生轴向压缩形变，带动FBG产生压缩应变，引起光纤布拉格光栅波长移位。通过对光纤布拉格光栅波长移位的测量可以对土压力进行实时监测。光纤布拉格光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

公式（1）中，λ_B为光纤布拉格光栅的中心波长，△λ_B为波长移位量，P_e=0.22为有效弹光系数，ε为轴向应变量。

当一次膜片受到一个均匀分布压力P并达到稳定时，根据静止流体力学，二次膜片也受到来自传压油腔内油体的均匀分布压力P。根据圆形薄板小挠度变形理论，二次膜片产生的挠度为：

公式（2）中，t_e为二次膜片厚度，E₂为二次膜片杨氏弹性模量，u₂为二次膜片泊松比，x为从二次膜片中心沿半径方向的距离。

在二次膜片的中心处，最大挠度为：

二次膜片的变形推动其中心下方的圆球向下移动，压迫悬臂梁发生方向相当、大小相等的挠度变化，即悬臂梁的挠度变化为ω₀。

根据悬臂梁上各点应变量与挠度的关系为：

公式（4）中，h为悬臂梁厚度，l为悬臂梁长度。把公式（3）带入公式（4），则悬臂梁上的应变与均匀分布压力PO的关系为：

当传感器所处的外界发生压力变化时，由悬臂梁的应变量传到弹性筒，随后弹性圆筒进一步产生轴向压缩应变，与弹性筒材料的弹性模量，泊松比，圆筒内半径，圆筒外半径有如下关系：结合公式（1），（5）和（6），可得：

易看出：通过选用不同弹性模量的材料，改变弹性筒的内径和壁厚，都可以调整压力传感器的量程和压力灵敏度。耐高压FBG传感器所受到的均匀分布土压力与光纤布拉格光栅的中心波长移位之间的数学模型因此建立起来，通过测量光纤布拉格光栅的中心波长移位可以计算出土压力值。endprint

理论计算结果表明，该传感器的灵敏度为-0.035nm/MPa，量程为0～50MPa.测量精度为0.4%FS。

2 实验结果与分析

2.1 实验数据结果分析

为检验该传感器在安装前性能正常和保证传感器安装的一次成活率，需提前对传感器进行压力测试。测试该传感器的实验装置原理图如3所示：

实验采用YS-60型活塞式压力计控制压力输入，压力计利用液压油作为传压介质，精确度等级为0.05，测量范围0～50MPa。待测耐高压FBG压力传感器和精密压力表，分别连接于压力计的左右两个压力输出接口。实验中，通过往中央平台上逐个添加标准砝码，每次可向待测FBG压力传感器和精密压力表施加lMPa压力，最大可施加压力为50 MPa。

实验过程中，从LED宽带光源（带宽为40dB，功率为O.lmW）发H{的光先经过3dB耦合器，再通过FBG压力传感器端部引出的尾纤入射到FBG上，反射光又经3dB耦合器后由光谱仪（AQ6319型，分辨力为O.Olnm）检测FBG的反射峰值中心波长。从0MPa开始，往中央平台逐个添加标准砝码，每增加lMPa需记录下精密压力表的读数和光谱分析仪中FBG的中心波长，直至达到压力计最大值50 MPa后停止加载；然后，再以l MPa的间隔递减砝码进行降压。

根据实验测得的压力和FBG波长值，得到FBG压力传感器的波长与压力关系曲线，如图4所示：对传感器的波长与压力关系曲线进行线性拟合，得到：

Y=-0.0311x+1543.9958，（8）

R²=0.9959

公式（8）中，y表示波长，x表示测试的压力。该式表明设计的耐高压FBG压力传感器的压力灵敏度为-0.03 11 Iun/MPa。传感器的波长与外界压力呈良好的线性关系，线性拟合度为0.9959。经过多次的升降压实验表明，该压力传感器的压力灵敏度稳定，波长与压力保持良好的线性度和重复性。

2.2实际应用数据分析

在云南玉溪某一典型220kV山区变电站的电力铁塔施工过程中使用本文提出的耐高压FBG传感器。将两支该传感器安装在铁塔塔基，采用光纤布拉格光栅分析仪进行检测，按照提前分配好的传感通道将光纤跳线对应接好。现场检测结果显示每个传感器波长信号基本正常，传感器一次成活率100%。

投入使用后开始记录每天的测量数据，比如2016年10月3日的两组数据如图5所示：

图5显示监测系统一天24小时采集的数据曲线，l#传感器和2#传感器的监测数据十分接近。根据这两组监测结果，2016年9月6日电力铁塔塔基的土压力值在492-499KPa之间，该范围属于正常状态下的土压力范围，因此数据显示塔基在这24小时内较为稳定。

传感器检测至今，已累计采集2个月的监测数据，为了更加精确的描述设计的耐高压FBG压力传感器，我们提取l#传感器9月和10月的监测数据，记录每天的最大监测值和最小监测值，绘制成图6所示：

根据图6显示，在9月的中上旬时期，l}≠传感器测得铁塔塔基土压力较大，然后在10月中下旬时期达到这两个月期间的顶峰。在9月底和10月初的时间段中，测得的土压力值跟正常状态下一样。后来，我们根据当地的天气预报得知，在9月底和10月初这两个时间段，铁塔所在地区经历了长时间的连续降雨，出现山体滑坡等地质灾害，这导致塔基土压力增大。因此该传感器测得的压力数据是符合正常情况的，并且铁塔处的土压力变化完全没有影响铁塔的稳定性。

3 结论

根据云南山区较为特殊的地质和气候环境以及对FBG压力传感器的应用要求，本文提出了一种耐高压FBG压力传感头的结构设计，通过对其进行理论分析和压力实验，研究结果表明：该压力传感器灵敏度为-0.03llnm/MPa.线性拟合度为0.9959，量程为0～50MPa。说明该传感器具有良好的线性度和重复性，达到耐高压的设计目的。

基于耐高壓FBG压力传感器的山地电力铁塔塔基土压力监测系统运行至今，对塔基周边土压力进行持续的实时预警监测，并经过数据分析和处理得知： 在天气较好的情况下，塔基土压力在500KPa附近波动；在遇到大量降雨时期，由于雨水冲刷等影响，塔基土压力在1000～1500KPa范围内；如果遇到山体滑坡，泥石流等地质灾害，监测到的数据显示塔基土压力在2000KPa左；右若遭遇更为严重的地质灾害比如地震，那监测到的塔基土压力数据一定会更大，因此，耐高压FBG压力传感器的作用就显得尤为重要。endprint