基于光纤传感技术的绝缘子在线监测

一、项目背景

瓷支柱绝缘子是电网变电站和换流站中的重要组件，对高压输变电电气设备起到稳固支承和绝缘隔离的作用。然而绝缘子制造过程中产生的工艺缺陷、其在安装过程中难以避免的水平偏差、高温高湿高盐的运用环境以及大风雨雪等外部动态载荷的长期作用下，往往会累积出现结构疲劳和损伤，如不及时检查发现，会对电力生产和传输可靠性带来潜在的危险和损害，因而有必要对绝缘子的结构状态进行带电在线连续监测。目前对绝缘子结构状态进行检测的常规手段主要包括：目视观察法、紫外成像法、红外热像法以及超声波探测等，但这些方法存在检测结果易受环境因素影响、设备造价高、干扰因素较多且无法带电检测等问题，尚不能满足对绝缘子结构的长期在线带电状态监测需求。绝缘子的应力应变参数可以直接反映绝缘子的机械安装、内部损伤等状况，而绝缘子的温度分布则是衡量绝缘子运行环境的重要指标，对这些参数进行长期可靠的在线监测可以有助于运维人员实时掌握瓷支柱绝缘子的结构状态，及时诊断设备工作的异常，并可以通过对数据的分析提前发现可能存在的安全隐患。

二、项目实施方案说明

光纤传感技术具有灵敏度高、体积小、绝缘性好、耐电磁干扰、布置灵活、适合在线监测的特点，近年来逐渐在电力能源、土木建筑、航空航天等领域得到推广应用。而光纤布拉格光栅（FBG）传感器是其中发展较为成熟、测量结果直接可靠且易于多点部署组网的传感器件。在外部荷载（荷载、温度等）影响下，光栅长度发生变化，导致光栅反射中心波长发生改变，利用初始标定值与实际测量值的差值可以表征处被测构件应变的变化量，实现对构件应变、应力和温度参数的监测，并通过试验获得的预警阈值进行提前预警，进而对高压变电站中的多组瓷支柱绝缘子的应力应变参数进行连续在线监测。

光纤传感技术已经以植入性的方式在某些复合绝缘子中得到了初步运用，实现对绝缘子内部应力分布和温度分布情况的实时在线监测。然而，受限于复合绝缘子本身材料特性和结构设计，根据已有的测试数据，其难以广泛应用到500kV级别的高压输变电线路中。特别是在沿海地区的跨海海缆输变电线路中（如500kV高压海缆终端站中使用的支柱瓷绝缘子），设备往往要经受长时间的风载荷、阳光直射以及高盐高湿度的环境考验，复合材料的耐候性低于瓷质材料；负载设计方面，复合材料支柱绝缘子抗弯性能相较瓷质绝缘子并无优势，且抗压能力弱于瓷质材料，故综合考虑复合材料绝缘子不具备替代性。

   项目按照如下方案逐步开展实施：

（1）设计搭建基于FBG光纤光栅传感器的支柱绝缘子损伤监测样机，开发用于信号采集和分析处理的软件程序；

（2）系统测量该监测装置对于弯曲应变等绝缘子结构状态的响应特性，验证方案的可行性；

（3）结合监测装置的实际工作环境，研究温度等外界环境参数对于测量结果的影响，并设计相应的补偿机制。

   具体步骤如下：

步骤1：瓷支柱绝缘子在典型工况下的应力应变情况的调研和仿真分析：

（1）调研项目应用场景中的绝缘子结构和典型工况；

（2）建立与典型工况相符合的模拟分析模型；

（3）利用有限元等方法对模型的应力、应变情况进行仿真计算。

步骤2：FBG应变和温度传感器件研制与测试

（1）根据仿真分析结果，提出满足不同检测要求的光纤传感器的设计需求。

（2）选取或设计定制符合上述要求的FBG应变和温度传感器件；

（3）对FBG传感器件进行工艺和性能测试。

步骤3：光纤传感器件安装与标定测试

（1）选取优化的监测位点、安装方式和贴装工艺；

（2）在试样上敷设光纤传感器件，并进行初始状态标定；

（3）利用万能试验机等设备对安装完成的试样进行性能测试和参数标定。

三、项目实施情况及成果

作为光纤传感监测对象的高压输变电终端站的瓷绝缘子支座如下图所示：

对监测对象所建立的仿真模型以及利用有限元分析所获得的瓷绝缘子的静态应力和动态载荷分析结果如下图所示，为我们优化光纤传感器测点的布置提供了依据：

     

测点及现场部署方案如下图所示：

采用的光纤应变传感器如下图所示，与待测物体粘连后，可以有效反映待测对象的形变情况：

    

   下图给出了通过施加外力测得了光纤传感器的波长偏移随着应力的变化曲线，并反映了多个传感器性能较好的重复性：