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电力电缆隧道光纤传感器变形监测系统研究

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vdianwang 发表于 2022-12-10 14:28:37 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
摘要:本文分析了隧道结构安全监测有多种方法和技术的特点,包括全站仪监测方法,静力水准进行隧道纵断面沉降测量,地面激光扫描仪技术,电测传感器测量等,重点研究光纤传感技术在电力电缆隧道变形监测中应用。对三种不同应变光纤传感器(FBG,BOTDAR,Rayleigh-OFDR)进行分析,并做了大量的实验,研究它们在变形监测应用的有关问题,而后介绍了一个工程研究实例。
0前言
随着我国城市化的快速发展,近几年很多城市都不同规模地建设了电力电缆隧道。电力电缆隧道是电网系统中的重要设施,是电力线路尤其是高压电缆线路的主要敷设途径。随着城市经济的发展和规划标准的提升,电力电缆隧道在城网中的比例日益提高,已成为110~500kV输电线路的主要通道。与交通隧道相比,电力电缆隧道的特点是:空间小,平面上弯曲和分叉多,弯曲半径小;高程方向上,隧道一般也不在同一高程面上。
隧道能够为电力电缆提供安全的庇护,使之具有良好和安全的工作环境。为此,需要及时监测。我国目前一般依靠人工定期沿着隧道线进行排查,对电缆的运行状态进行常规巡视。随着电力电缆隧道的快速发展,采用人工定期常规巡视已不能满足要求,需要推进智能化监测。各类监控系统,如视频监控、环境监测(温度湿度传感器、水浸等)、在线测温针对电缆火灾故障预测、智能控制等,已开始得到应用。
然而,已开始的智能化监测系统只注重电力电缆安全本身,很少考隧道的安全(或健康)。电力隧道的结构安全问题至关重要,其结构一旦出现安全问题,如裂缝造成渗水漏水甚至塌陷,造成的经济损失、社会损失将是无法估量的。近年来,在城市主要道路下修建地铁及给排水、燃气等市政管道,道路两侧修建高层建筑越来越多。地铁及市政管道可能从既有电力隧道下方穿过,或紧邻其旁边修建,高层建筑的深基坑也可能旁临电力隧道,这些工程的修建会改变电力隧道现有受力状态及周围的荷载环境,有可能对电力隧道结构产生不利影响,从而造成电力隧道破坏,影响城市的供电,甚至造成工程事故。另外,电力隧道在运营过程中,不断地受到动力荷载的反复作用,结构材料在恶劣环境下不断地老化,从而产生损伤累积,结构本身也存在弱化现象。为及时准确地掌握涉及结构安全的各种外部和内部结构状态,确保结构安全,应对电力隧道的结构安全状态进行监控,随时掌握电力隧道的应力、应变及振动性能等主要结构参数,从而确保电力隧道结构安全。
隧道结构安全监测有多种方法和技术,现分析如下1)全站仪变形监测方法。传统大地测量监测技术的理论方法成熟可靠、操作简单。通常在全站仪附近每隔10~20m布设一些断面,在每个断面上布置4~6个测点,在测点上固定棱镜,通过定期观测可监测隧道的收敛、相对沉降和位移,全站仪变形监测的精度可达1~2mm,这是目前在城市地铁隧道变形监测的主要方法,得到了广泛应用。然而这种方法只能周期性地监测离散点的变形。自动全站仪(测量机器人)的出现大大提高了隧道变形监测的工作效率,可以自动连续监测,但成本较高。而且,电力隧道空间较小,在隧道两侧边墙布满了电缆,隧道平面上弯曲和分叉多,一台自动全站仪作用距离很有限。因此这种监测方法不太适宜电力隧道。
(2)静力水准进行隧道纵断面沉降测量。静力水准仪由一系列含有液位传感器的容器组成,容器间由充液管互相连通,任何一个测点容器与参照容器间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化,从而获取测点间相对高程的改变。这种技术精度高(监测的精度可达1~2mm),且能实现隧道内实时的自动化数据采集。但这种技术依水平面作为参考面,只适宜用于能水平安装静力水准仪系统的隧道。由于电力隧道高程变化大,加上静力水准仪系统安装工程量大,维护成本也高,因此也不太适宜电力隧道。
(3)地面激光扫描仪。地面激光扫描仪可在短时间获取隧道一定范围内很多点的三维坐标(点云坐标),通过周期性的观测,得到点的变形。其特点是:周期性而不是连续性;精度中等,约几毫米;数据处理工作量大;仪器昂贵。
(4)电测电磁传感器。电测电磁传感器是基于电磁原理做成的,可用于应变、倾斜和裂缝等几何量的观测,可根据需要安在特定的地方,监测精度与成本有关,高精度的传感器价格较昂贵。这类传感器普遍存在寿命短、测量易受环境影响、易受电磁干扰、难以进行实时在线监测等缺点。但工程结构的渐变性决定监测系统不仅应具备高精度和长期稳定性,而且要求实时监测数据的准确性以及恶劣条件下测读数据的可靠性。由此可见,常规的电磁类传感器已逐渐不能满足对重大工程结构安全的长期监测要求。
(5)光纤传感技术。光纤传感技术是继电磁传感技术之后的新型传感技术。该技术具有“传”、“感”合一的特点,并以光波为载体,光纤为媒质,具有抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度和测试精度高、耐久性强及可实现远距离实时监测等优点,这些优点决定其在隧道安全监测方面具有很强的竞争力。国内用光纤传感技术进行隧道安全监测已有一些实例,主要用于道路隧道,而且大都是学校或研究单位进行实验,但在电力隧道中应用很少。
经过分析比较我们采用光纤传感技术,并就光纤传感技术在变形监测中的应用做了大量实验研究。当然,上述每一种技术都有其优点和局限性,合理的方案应是不同技术的集成。例如,采用光纤传感技术的自动实时监测系统也可加入全站仪监测方法,周期性测量以便比较和补充。本文研究光纤传感技术在电力电缆隧道变形监测中的应用。首先对三种不同应变光纤传感器进行分析,并做了大量的实验,研究它们在电力电缆隧道变形监测应用的有关问题,而后介绍了一个工程研究实例。
1光纤传感技术的基本原理
光纤传感器主要有两类:一类是光纤布拉格光栅传感器(FBG),另一类是分布式光纤传感器。光纤布拉格光栅传感器的长度仅有1cm左右,它仍然是“点”式传感器。而分布式光纤传感器的传感器媒质就是普通的通信光纤, 通过对散射光信号的检测和分析,获得光纤上各点的信息,它无需像光纤布拉格光栅传感器那样需事先在光纤上制作布拉格光栅。点式光栅传感器也可采用复用(multiplexing)技术把多个FBG串起来测量多点的信息(准分布式),如图1所示。
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FBG的基本原理是当光栅受到拉伸、挤压或热变形时,光栅区域内栅距发生变化,从而使纤芯的折射率随之变化,进而引起反射波长的变化,通过测量反射波长的变化便可得出被测结构的应变变化。FBG应变监测原理如图2所示。
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分布式光纤传感器源于光纤介质对入射光的散射,有三种不同的散射,即拉曼(Raman)、布里渊(Brillouin)和瑞利(Rayleigh)散射,因此有三类分布式光纤传感器。当光纤介质均匀时,散射光向前传播,然而当光纤介质由于环境或密度的变化不均时,散射光向后传播,我们利用后传播散射光获取有关信息。拉曼散射主要是由于光纤中温度的变化引起的,因此拉曼光纤传感器用于监测温度,它采用“光时域反射技术”(OTDR)。布里渊散射主要取决于光纤的密度,因此布里渊光纤传感器可监测温度和应变,其原理见图3。
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有两种类型的布里渊光纤传感器,布里渊光时域反射仪(BOTDR)和布里渊光时域分析仪(BOTDA)。前者是基于单一脉冲的布里渊散射而获取应变或者温度信息;后者是采用两个反向传输的光束来增强布里渊散射。二者相比,BOTDR测量的信号强度弱,测量应变和温度的工作测量范围也较小,分辨力较低,但因其测量的是后散射信号,因此只需要一个光源连接头。而BOTDA技术要求更多的光学部件和双向光路,系统较复杂,成本较高。瑞利散射是光的弹性散射,由于温度或应变使光纤局部的折射力发生波动产生入射光的散射,如图4所示。
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瑞利分布式光纤传感器采用“光频域反射技术”(OFDR)测量后散射光获取有关信息。根据国外参考文献,三类分布式光纤传感器的特点如表1所示。
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2电力电缆隧道光纤传感器变形监测系统
通过上述分析,考虑了多种因素,我们采用光栅式应变传感器(FGB),其精度高于4微应变,即4ppm。研发的电缆隧道光纤传感器变形监测系统在双子站电力隧道100m监测段中进行测试,每隔10m布设一个光栅式应变传感器,共13个(如图5所示),
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传感器固定于电力隧道顶部中间,另外还布设了2个光栅式温度传感器,它们用光纤串联在一起并连接到应答器。应答器有两项功能:发射一定波长的激光和接收并测量反射光的波长,而后进行数据处理得到应变和温度。应答器要放在无线信号能发送的地方,连接RTU数据无线通信模块,进行数据的无线发送和接收控制,然后通过无线通信网络进行传输,最后传输到应用服务器,进行数据接收的控制和处理,其系统组成结构如图6所示。
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数据处理方法见文献。本研究的数据处理系统如图7所示,
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它由三个子系统组成:数据采集子系统、数据库子系统和数据分析子系统。数据采集子系统包括数据采集相关软件,数据通信相关软件和数据处理、显示、存储等相关软件。数据库子系统用于存储采集的应变数据和温度数据。数据分析子系统由以下几个功能模块组成:
(1)单点时间系列模块。它能显示每一点的变形信息,可以每一分钟一个点,也可每10min一个点,这由用户选择。这个模块有粗差剔除和温度改正功能。温度改正是要区分测点的应变是由于温度变化引起的还是结构本身产生的。对于混凝土,温度膨胀系数为10-5,相当于温度变化1℃产生10个微应变。
(2)趋势分析模块。它有两个功能:一是对每个点时间系列进行模拟,由此可看出每个点在时域中的变化趋势;另一个是应变的空域分析(沿隧道方向),得出其变形的空间特性。对于这种监测系统,主要是第一种分析。
(3)报警功能模块。当观测的应变超过某一极限值时发出提醒信号。极限值的确定相当复杂,取决于材料的弹性模量E和它所能承受的最大强度,该值可由用户根据经验数据输入。
本文研发的系统在现场使用正常,可以起到应有的作用。早期隧道变形很小,没有发现异常。作为监测实例,以下显示两个计算机屏幕截图。图8是No.4点应变随时间的变化(每一分钟一个值)和趋势拟合曲线。
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图9是2016年8月16日14:56隧道上各监测点的应变值和空间拟合曲线。
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3结语
本文的研究得出如下有用的结论,可供研究电力电缆隧道监测的科研和工程人员参考。
(1)典型隧道变形监测技术有多种,如全站仪测量、静力水准法、地面激光扫描技术以及电磁传感技术。但根据电力电缆隧道的特点,这些技术和方法都有其严重的局限性,不完全适用,而光纤传感技术优点明显。
(2)有三种光纤传感器可用于监测建筑物应变,即布拉格光栅传感器(FBG)、分布式瑞利光纤传感器和分布式布里渊光纤传感器。本文分析了它们各自的特点,并通过大量的测试,得出了如下结论:FBG是最早的光纤传感器,产品成熟、精度高,但只能是点式,从经济角度考量,点与点间距也不能太短。两种分布式光纤传感器发展时间较短,需要从微弱的后散射光提取信号,仪器的灵敏度要高,因此成本也较高。分布式布里渊光纤传感器工作距离长,适合长电缆隧道,但空间分辨力较低,噪声也较大;瑞利光纤传感器,空间分辨力较高,但工作距离较短;瑞利光纤传感器的精确度与FBG相当。
(3)研发的电缆隧道光纤传感器变形监测系统,实现了实时自动数据采集和数据分析, 可为管理人员及时了解电缆隧道的健康情况提供有力的手段。
(4)本系统的数据处理系统功能较强,包括数据采集子系统、数据库子系统和数据分析子系统,而数据分析子系统又有单点时间系列分析功能、应变的空间(沿隧道方向)分析功能和报警功能。






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