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专利名称：一种用于分裂导线的振动监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及高压架空输电线路在线监测技术领域，特别是涉及一种用于分裂导线的振动监测系统及方法。
背景技术：
暴露在自然条件下的架空输电线路在风载荷和覆冰(雪)载荷作用下，主要承受五种形式的振动:舞动，微风振动，次档距振荡(也称尾流驰振)，抖振，和脱冰(雪)跳跃。这些振动类型均表现为导线横向(水平或垂直)方向的振动。其中舞动是三自由度的振动:水平方向、垂直方向和沿导线轴向的扭转振动。脱冰跳跃，除表现为导线垂直方向的大幅振动夕卜，也会伴随水平方向的微幅振动；同时，对分裂导线而言，因各子导线覆冰量不同，或者各子导线不同期脱冰，会导致导线束的整体扭转振动。目前对分裂导线的振动监测存在如下问题:(I)导线的舞动和脱冰跳跃都是三自由度振动，但是目前各种监测技术都未能实现对导线束整体或单根子导线扭转振动的监测；这限制了对现有舞动和脱冰跳跃三自由度理论模型的充分验证，以及对相应灾害的及时准确预警。(2)分裂导线束扭转刚度是分裂导线各类动态特性研究中必不可少的参数，但因其随档端链接方式，分裂导线构型，子导线间隔棒在档内布置方式，测量点距档端距离，以及覆冰条件等因素的变化而呈现出强烈的非线性，使得目前各种分裂导线束扭转刚度的理论分析模型的适用性都受到了局限。因此，有必要对扭转刚度开展长期监测，以积累运行数据，验证或改进扭转刚度的理论模型。但是目前尚未见有对线路扭转刚度进行实时监测的技术和方案。(3)现有监测系统主要是针对单导线设计的，鲜有适用于分裂导线的动态特性监测系统。因为分裂导线子导线根数各异(常见的有二，三，四，六或八根等)，常规传感器难以监测导线束整体运动，且对传感器在导线束或子导线上的布置方案也缺乏研究。现有单导线的监测方案大体分为两类:一类是将传感器布置在绝缘子与杆塔之间，或导线与绝缘子之间，或固定在靠近杆塔的导线端，该类方案可以对覆冰产生的静载荷实现有效监测，但难以评估导线振动真实振幅和波形，无法有效用于舞动和脱冰跳跃的动态监测；另一类方案是，在每一档导线上布置多个加速度和位移传感器监测舞动参数并拟合舞动轨迹的方案，且只能适用于单导线监测，并因相当于在该档导线上附加了多个集中质量，会显著改变该档导线的固有性质，影响监测结果。(4)现有舞动监测方案中，视频监测只能实现对舞动的定性监测，难以进行定量分析；此外，现有技术多使用电量传感器，易受输电线路强电磁环境的干扰，且传感器及其信号传输的所需的稳定的现场电源不易获得(如采用太阳能电池板供电，遇到持续阴雨天无法正常工作)
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于分裂导线的振动监测系统及方法。一种用于分裂导线的振动监测系统，包括:分裂导线振动监测装置，光纤，光纤复合架空地线、光纤光栅解调仪和计算机系统；其特征在于:所述分裂导线振动监测装置包括:一分裂导线间隔棒骨架；一凸轮轴，所述凸轮轴通过轴承与所述间隔棒骨架中心孔的中段连接，所述凸轮轴一端连接一重物；第一光纤光栅传感单元，固定在所述间隔棒骨架中心孔前段内壁上，所述第一光纤光栅传感单元的触头与凸轮轴凸轮外壁接触；压盖，所述压盖通过螺栓固定在所述间隔棒骨架伸出部分上，且与所述间隔棒骨架的伸出部分构成内孔，所述内孔的前段轮廓为凸轮槽；金属套筒，橡胶套环，所述金属套筒通过所述橡胶套环与子导线实现软接触，并通过螺栓固定，所述金属套筒设置于所述内孔中，子导线相对于所述间隔棒骨架中心孔的轴心中心对称设置；第二光纤光栅传感单元，螺栓固定于金属套筒上，所述第二光纤光栅传感单元的触头与所述内孔前段凸轮槽内壁接触；所述金属套筒的外壁上设有球形凹坑，所述球形凹坑内放置钢球，实现与所述内孔中段内壁的接触，从而保证所述压盖和所述间隔棒骨架与所述金属套筒和所述子导线的相对转动，并将整个分裂导线振动监测装置固定在所述子导线上；端盖，通过螺栓固定在所述间隔棒骨架中心的端面；端盖，通过螺栓固定在所述间隔棒骨架伸出壁和压盖端面。优选地，所述重物为球形重锤。优选地，所述金属套筒由上下对称的两部分螺栓连接而成。优选地，所述分裂导线振动监测装置还包括导线束水平和垂直方向振动监测装置，所述水平和垂直方向振动监测装置通过螺栓与凸轮轴的另一端连接，其包括一正方体形的外壳、一正方体形的质量块、两个弹簧及四个光纤光栅传感器，其中所述外壳由上壳体和下壳体组成，所述两个弹簧的一端分别连接所述质量块的左右侧面，另一端分别连接外壳的左右两内侧面，所述四个光纤光栅传感器分别安装在质量块的上下前后四个面。优选地,所述第一光纤光栅传感单兀、第二光纤光栅传感单兀和光纤光栅传感器的结构相同，均包含一能发生轴向弹性变形的金属梁，一粘结在该梁上并可随梁的变形而同步伸缩的光纤光栅和一触头。优选地，所述用于分裂导线的振动监测系统还包括用于温度补偿的光纤光栅传感器和光纤稱合器。优选地，多个所述分裂导线振动监测装置分散布置在导线上。一种用于分裂导线的振动监测方法，其特征在于:导线束振动时，导线束及分裂导线间隔棒骨架相对地面发生扭转，因重物的重力作用使凸轮轴相对地面保持静止，从而造成了分裂导线间隔棒骨架与凸轮轴的相对转动，当分裂导线间隔棒骨架与凸轮轴发生相对转动时，分裂导线间隔棒骨架中心孔前段内壁与凸轮外壁之间的间隙将发生改变，此时固定在骨架上的第一光纤光栅传感单元所受到的压力及应变就会发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，将这一变化所产生的信号经附着在子导线上的光纤传输到杆塔端，然后将该信号传入光纤复合架空地线，然后经光纤复合架空地线将该信号传输到变电站的光纤光栅解调仪和计算机系统进行分析和存储，根据事先标定的分裂导线间隔棒骨架与凸轮轴相对转角与第一光纤光栅传感单元应变及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定导线束的转角及角加速度，从而实现了对导线束扭转振动的监测。
优选地，所述用于分裂导线的振动监测方法还包括对分裂导线束水平和垂直方向振动的监测，当导线束发生水平和垂直方向的振动时，质量块因惯性作用会对光纤光栅传感器产生压力作用，引起光纤光栅传感器的应变发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，这一变化经光纤传回光纤光栅解调仪，然后根据事先标定光纤光栅传感器应变及光纤光栅反射中心波长变化与水平和垂直方向加速度的对应关系，确定导线束在水平和垂直方向的加速度，从而实现了对导线束水平和垂直振动的监测。优选地，所述用于分裂导线的振动监测方法还包括对子导线扭转振动的监测，当子导线发生扭转振动时，因分裂导线间隔棒骨架和重锤的重力作用，使分裂导线间隔棒骨和凸轮轴架相对地面保持静止，从而造成了分裂导线间隔棒骨架与子导线的相对转动，当分裂导线间隔棒骨架与子导线发生相对转动时，金属套管外壁和由压盖和间隔棒骨架伸出部分构成的内孔的前段凸轮槽内壁之间的间隙将发生改变，此时固定在金属套管上的第二光纤光栅传感单元所受到的压力及应变就会发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，将这一变化所产生的信号经附着在子导线上的光纤传输到杆塔端，然后将该信号传入光纤复合架空地线，然后经光纤复合架空地线将该信号传输到变电站的光纤光栅解调仪和计算机系统进行分析和存储，根据事先标定的分裂导线间隔棒骨架与子导线相对转角与光纤光栅传感单元应变及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定子导线的转角及角加速度，从而实现了对子导线扭转振动的监测。与现有技术相比，本发明的有益效果是:(I)实现了对输电线路分裂导线三个方向振动，尤其是分裂导线整档扭转振动以及子导线扭转振动的监测；(2)通过传感器的分散布置，实现对导线振动波形和各点加速度的准确监测，可以准确获得导线振动参数，便于验证和改进现有输电线路各种振动模型；并实现了能够对输电线路扭转刚度的多点实时监测；(3)由于该系统核心部件一集成了光纤布拉格光栅的新型分裂导线间隔棒，是针对分裂导线进行的设计，通过简单变化即可实现对各种类型分裂导线的监测，并且对该档导线固有性质影响较小；(4)使用光纤光栅传感器作为主传感单元，可以使系统不受超高压及特高压线路强电磁环境干扰，不需要现场电源供电，且通过与线路现有光纤复合架空地线结合，实现了信号的远距离低损耗传输。(5)通过沿线布置光纤光栅温度补偿传感器，解决了应变和温度的“交叉敏感问题”，并实现对沿线温度的监测。(6)内套筒的外侧在对称位置处打有四个球形凹坑，通过在凹坑内放置钢球，实现与外套筒的连接，从而保证外套筒可以绕内套筒和导线的轴线转动，并减小了摩擦力。


图1是本发明的分裂导线振动监测装置的主视图；图2是本发明的子导线扭转振动监测装置的主视图；图3是本发明的子导线扭转振动监测装置的局部剖视图；图4是本发明的分裂导线振动监测装置的局部剖视图。
图5是本发明的光纤光栅传感单元结构图。图6是本发明的分裂导线振动监测系统的组成图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明做进一步的具体说明。如图6所示，分裂导线振动监测系统包括:分裂导线振动监测装置25，光纤26，光纤复合架空地线29、用于温度补偿的光纤光栅传感器28、光纤耦合器27、光纤光栅解调仪30和计算机系统31。其中，如图1和图4所示，分裂导线振动监测装置25包括:一分裂导线间隔棒骨架1，所述分裂导线间隔棒骨架I用于保证各子导线间距；一凸轮轴2，所述凸轮轴2通过轴承20与分裂导线间隔棒骨架I中心孔的中段连接，保证凸轮轴2可以相对骨架I转动，所述凸轮轴2 —端连接一球形重锤15 ;第一光纤光栅传感单元3，固定在所属间隔棒骨架I中心孔前段内壁上，所述第一光纤光栅传感单元3的触头21与凸轮轴2凸轮外壁接触，用以监测导线束的扭转振动；压盖12，所述压盖12通过螺栓固定在骨架I伸出部分上，用以将整个装置固定在子导线14上，所述压盖12与骨架I的伸出部分构成内孔，内孔的前段轮廓为凸轮槽。如图2和图3所示，还具有金属套筒9，橡胶套环10，所述金属套筒9通过所述橡胶套环10与子导线14实现软接触，并通过螺栓固定，保证金属套筒9和橡胶套环10不会相对子导线14发生相对转动和滑移，所述金属套筒9设于与内孔中，子导线14相对于间隔棒骨架I中心孔的轴心中心对称设置；第二光纤光栅传感单元8，螺栓固定于金属套筒9上，所述第二光纤光栅传感单元8的触头21与压盖12和骨架I伸出部分构成的内孔前段内壁接触；金属套筒9的外壁上设有球形凹坑，所述球形凹坑内放置钢球24，实现与由压盖12和骨架I的伸出部分构成的内孔中段内壁的接触，从而保证压盖12和间隔棒骨架I与金属套筒9和子导线14的相对转动，并将整个分裂导线振动监测装置25固定在子导线上；端盖11，通过螺栓固定在骨架I中心的端面，用于封装导线束振动监测单元，以抵御雨雪天气的影响；端盖(13)，通过螺栓固定在骨架(I)伸出壁和压盖(12)端面。其中，如图4所示，导线束水平和垂直方向振动监测装置，通过螺栓与凸轮轴2的另一端连接，其包括一正方体形的外壳、一正方体形的质量块16、两个弹簧17及四个光纤光栅传感单元(4，5，6，7)，其中所述外壳由上壳体18和下壳体19组成，所述两个弹簧17的一端分别连接所述质量块16的左右侧面，另一端分别连接外壳的左右两内侧面，用于保持质量块16的位置；所述四个光纤光栅传感单元(4，5，6，7)分别安装在质量块16的上下前后四个面，用以监测导线束的水平和垂直方向振动。其中，如图5所不,第一光纤光栅传感单兀3、第二光纤光栅传感单兀8和光纤光栅传感器(4，5，6，7)的结构相同，均包含一易于发生轴向弹性变形的金属梁22，一粘结在该梁上并可随梁的变形而同步伸缩的光纤光栅23和一触头21，通过触头21实现与凸轮外壁或导线束水平和垂直振动监测装置外壳，或由压盖12和间隔棒骨架I的伸出部分构成的内孔中段内壁的点接触，可保证金属梁22和光纤光栅23只承受轴向力作用。同时，在安装时采用一定的预应力安装，以保证每个传感单元在导线束以及每根子导线振动的整个过程中，始终与凸轮外壁或导线束水平和垂直振动监测装置外壳，或由压盖12和间隔棒骨架I的伸出部分构成的内孔中段内壁保持接触，且都是承受压力，保证触头21不会松动和脱落。对分裂导线束扭转振动的监测方法如下:当分裂导线束振动时，导线束及分裂导线间隔棒骨架I相对地面发生扭转，因重锤15的重力作用使凸轮轴2相对地面保持静止，从而造成了分裂导线间隔棒骨架I与凸轮轴2的相对转动，当分裂导线间隔棒骨架I与凸轮轴2发生相对转动时，分裂导线间隔棒骨架I中心孔前段内壁与凸轮轴2外壁之间的间隙将发生改变，此时固定在骨架2上的光纤光栅传感单元3所受到的压力及应变就会发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，将这一变化所产生的信号经附着在子导线上的光纤26传输到杆塔端，然后将该信号传入光纤复合架空地线29，然后经光纤复合架空地线29将该信号传输到变电站的光纤光栅解调仪30和计算机系统31进行分析和存储，根据事先标定的分裂导线间隔棒骨架I与凸轮轴2相对转角与光纤光栅传感单元3应变及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定分裂导线束的转角及角加速度，从而实现了对分裂导线束扭转振动的监测。对分裂导线束水平和垂直方向振动的监测方法如下:当分裂导线束发生水平和垂直方向的振动时，质量块16因惯性作用会对光纤光栅传感单元(4，5,6,7)产生压力作用，引起光纤光栅传感单元(4，5,6,7)的应变发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，这一变化经光纤26传回光纤光栅解调仪30，然后根据整个装置安装前事先标定光纤光栅传感单元(4，5，6，7)应变及光纤光栅反射中心波长变化与水平和垂直方向加速度的对应关系，就可以确定分裂导线束在水平和垂直方向的加速度，从而实现了对分裂导线束水平和垂直振动的监测。对子导线扭转振动的监测方法如下:当子导线14发生扭转振动时，因分裂导线间隔棒骨架I和重锤15的重力作用，使分裂导线间隔棒骨架I和凸轮轴2相对地面保持静止，从而造成了分裂导线间隔棒骨架I与子导线14的相对转动，当分裂导线间隔棒骨架I与子导线14发生相对转动时，金属套管9外壁和由压盖12和间隔棒骨架I伸出部分构成的内孔前段凸轮槽内壁之间的间隙将发生改变，此时固定在金属套管9上的光纤光栅传感单元8所受到的压力及应变就会发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，将这一变化所产生的信号经附着在子导线上的光纤26传输到杆塔端，然后将该信号传入光纤复合架空地线29，然后经光纤复合架空地线将该信号传输到变电站的光纤光栅解调仪30和计算机系统31进行分析和存储，根据事先标定的分裂导线间隔棒骨架I与子导线14相对转角与光纤光栅传感单元8应变及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定子导线14的转角及角加速度，从而实现了对子导线14扭转振动的监测。应该强调的是，附图只展示了一种较有代表性的适用于四分裂导线的新型阻尼间隔棒，任何熟悉本技术领域的人员，在本发明所述技术和核心思想范围内，可以轻易想到的简单变化或替换，及得到适用于其他不同子导线数目的间隔棒，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于分裂导线的振动监测系统，包括:分裂导线振动监测装置(25)，光纤(26)，光纤复合架空地线(29)、光纤光栅解调仪(30)和计算机系统(31);其特征在于:所述分裂导线振动监测装置(25)包括:一分裂导线间隔棒骨架(I); 一凸轮轴(2)，所述凸轮轴(2)通过轴承(20)与所述间隔棒骨架(I)中心孔的中段连接，所述凸轮轴(2) —端连接一重物(15);第一光纤光栅传感单元(3)，固定在所述间隔棒骨架(I)中心孔前段内壁上，所述第一光纤光栅传感单元(3)的触头(21)与凸轮轴(2)凸轮外壁接触；压盖(12)，所述压盖(12)通过螺栓固定在所述间隔棒骨架(I)伸出部分上，且与所述间隔棒骨架(I)的伸出部分构成内孔，所述内孔的前段轮廓为凸轮槽；金属套筒(9)，橡胶套环(10)，所述金属套筒(9)通过所述橡胶套环(10)与子导线(14)实现软接触，并通过螺栓固定，所述金属套筒(9)设置于所述内孔中，子导线(14)相对于所述间隔棒骨架(I)中心孔的轴心中心对称设置；第二光纤光栅传感单兀(8),螺栓固定于金属套筒(9)上,所述第二光纤光栅传感单兀(8)的触头(21)与所述内孔前段凸轮槽内壁接触；所述金属套筒(9)的外壁上设有球形凹坑，所述球形凹坑内放置钢球(24)，实现与所述内孔中段内壁的接触，从而保证所述压盖(12)和所述间隔棒骨架(I)与所述金属套筒(9)和所述子导线(14)的相对转动，并将整个分裂导线振动监测装置(25)固定在所述子导线(14)上；端盖(11)，通过螺栓固定在所述间隔棒骨架(I)中心的端面；端盖(13)，通过螺栓固定在所述间隔棒骨架(I)伸出壁和压盖(12)端面。
2.如权利要求1所述的分裂导线振动监测系统，其特征在于:所述重物(15)为球形重锤。
3.如权利要求1所述的分裂导线振动监测系统，其特征在于:所述金属套筒(9)由上下对称的两部分螺栓连接而成。
4.如权利要求1所述的分裂导线振动监测系统，其特征在于:所述分裂导线振动监测装置(25)还包括导线束水平和垂直方向振动监测装置，所述水平和垂直方向振动监测装置通过螺栓与凸轮轴( 2)的另一端连接，其包括一正方体形的外壳、一正方体形的质量块(16)、两个弹簧(17)及四个光纤光栅传感器(4，5，6，7)，其中所述外壳由上壳体(18)和下壳体(19)组成，所述两个弹簧(17)的一端分别连接所述质量块(16)的左右侧面，另一端分别连接外壳的左右两内侧面，所述四个光纤光栅传感器(4，5，6，7)分别安装在质量块(16)的上下前后四个面。
5.如权利要求1所述的分裂导线振动监测系统，其特征在于:所述第一光纤光栅传感单兀(3)、第二光纤光栅传感单兀(8)和光纤光栅传感器(4, 5,6,7)的结构相同，均包含一能发生轴向弹性变形的金属梁(22)，一粘结在该梁上并可随梁的变形而同步伸缩的光纤光栅(23)和一触头(21)。
6.如权利要求1所述的分裂导线振动监测系统，其特征在于:所述用于分裂导线的振动监测系统还包括用于温度补偿的光纤光栅传感器(28 )和光纤耦合器(27 )。
7.如权利要求1所述的振动监测系统，其特征在于:多个所述分裂导线振动监测装置(25)分散布置在导线上。
8.一种使用前述任一项权利要求所述的分裂导线振动监测系统对分裂导线进行振动监测的方法，其特征在于:导线束振动时，导线束及分裂导线间隔棒骨架相对地面发生扭转，因重物的重力作用使凸轮轴相对地面保持静止，从而造成了分裂导线间隔棒骨架与凸轮轴的相对转动，当分裂导线间隔棒骨架与凸轮轴发生相对转动时，分裂导线间隔棒骨架中心孔前段内壁与凸轮外壁之间的间隙将发生改变，此时固定在骨架上的第一光纤光栅传感单元所受到的压力及应变就会发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，将这一变化所产生的信号经附着在子导线上的光纤传输到杆塔端，然后将该信号传入光纤复合架空地线，然后经光纤复合架空地线将该信号传输到变电站的光纤光栅解调仪和计算机系统进行分析和存储，根据事先标定的分裂导线间隔棒骨架与凸轮轴相对转角与第一光纤光栅传感单元应变及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定导线束的转角及角加速度，从而实现了对导线束扭转振动的监测。
9.如权利要求7所述的分裂导线振动监测的方法，其特征在于:所述用于分裂导线的振动监测方法还包括对分裂导线束水平和垂直方向振动的监测，当导线束发生水平和垂直方向的振动时，质量块因惯性作用会对光纤光栅传感器产生压力作用，引起光纤光栅传感器的应变发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，这一变化经光纤传回光纤光栅解调仪，然后根据事先标定光纤光栅传感器应变及光纤光栅反射中心波长变化与水平和垂直方向加速度的对应关系，确定导线束在水平和垂直方向的加速度，从而实现了对导线束水平和垂直振动的监测。
10.如权利要求7所述的分裂导线振动监测的方法，其特征在于:所述用于分裂导线的振动监测方法还包括对子导线扭转振动的监测，当子导线发生扭转振动时，因分裂导线间隔棒骨架和重锤的重力作用，使分裂导线间隔棒骨和凸轮轴架相对地面保持静止，从而造成了分裂导线间隔棒骨架与子导线的相对转动，当分裂导线间隔棒骨架与子导线发生相对转动时，金属套管外壁和由压盖和间隔棒骨架伸出部分构成的内孔的前段凸轮槽内壁之间的间隙将发生改变，此时固定在金属套管上的第二光纤光栅传感单元所受到的压力及应变就会发生变化，该变化将导致光栅反射波中心波长的变化，将这一变化所产生的信号经附着在子导线上的光纤传输到杆塔端，然后将该信号传入光纤复合架空地线，然后经光纤复合架空地线将该信号传输到变电站的光纤光栅解调仪和计算机系统进行分析和存储，根据事先标定的分裂导线间隔棒骨架与子导线相对转角与光纤光栅传感单元应变及光纤光栅反射中心波长变化的对应关系，确定子导线的转角及角加速度，从而实现了对子导线扭转振动的 监测。
全文摘要
本发明公开了一种用于分裂导线的振动监测系统及方法，该监测系统包括分裂导线振动监测装置(25)，光纤(26)，光纤复合架空地线(29)光纤光栅解调仪(30)和计算机系统(31)。实现了对输电线路分裂导线三个方向振动，尤其是对分裂导线束的整体扭转振动以及子导线扭转振动的监测，可对输电线路扭转刚度进行多点实时监测；可通过简单变换实现对各类型分裂导线的监测，且对线路固有性质影响较小。解决了现有技术无法对导线扭转振动进行监测，尤其缺乏可实现分裂导线振动监测的系统，以及现有传感系统安装易影响线路自身特性，需要现场电源、抗电磁干扰能力差等不足，为线路运行维护提供了便利。
文档编号G01H9/00GK103196542SQ20131014369
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者姬昆鹏, 芮晓明, 李林, 夏莹沛, 任治政, 杨磊 申请人:华北电力大学