1　引　　言

变电站是指电力系统中电压和电流进行变换，接受电能及分配电能的场所。特高压变压器、高压套管、避雷器是整个变电站输电系统中不可或缺的重要组成设备。电能通过一系列传输线缆和接线端子与这些设备连接，实现电能的转换^［1］。在室外的风、雨、振动等环境作用下，变电站的线缆会发生晃动，使得线缆与变压设备之间的接线端子受力复杂，易发生变形或者与变压设备之间接触不良^［2-3］，导致变电站事故发生。

目前，对于变电站变压设备的监测，主要集中于局部放电、绝缘性^［4-6］等方向，而线缆与变压设备连接质量的不良也会导致变电站事故的发生，因此对接线端子进行研究，反映线缆与变压设备的连接状况也是尤为必要的。近年来，已有科研工作者对接线端的电气性能^［7-8］、材料和安装^［9-10］在连接中的作用进行研究。2016年，国家电网在十八项反措中明确要求引流线（包含金具）对套管接线柱的作用力不能大于套管和接线端子的弯曲负荷耐受值。因此保护套管安全、优化线缆与变压设备间的连接方式，是变电站安全运行的重要内容。2017年开始，河南电力公司对风载荷下接线端子连接金具系统^［11-12］和接线端子处的引下线连接方式^［13］进行仿真优化，并设计应变片拉力传感器对接线端子的受力进行了测量^［14-15］。但所设计的应变片三维拉力传感器需要24个应变片进行三维力解调，解调复杂，且应变片传感器难以在变压器高压、强电磁环境中长时间稳定实时在线测量。

光纤传感器具有体积小、耐电磁环境干扰、稳定性高、可复用等优点，可代替应变片传感器运用于各个领域^［16-24］。本文采用光纤光栅拉力传感器对高压套管安装方式和长时间状态进行了测试。基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器，设计了具有高压套管端部接线端子的三维拉力测量传感器，采用8个光栅，实现三维拉力的解调；将传感器安装在套管端部，实现对套管与引下线安装方式的测试，优化引下线的安装方式和金具的安装类型，得到最佳的安装方式；并将传感器安装在端部进行长时间的监测，实现对变电站套管三维拉力的实时监控和预警，并测量得到三维力中的低频信号，推测风载荷对变电站套管系统整体的作用产生了此低频信号。结果显示，光纤光栅三维拉力传感器能够实现对套管的实时在线监测，促进了光纤传感器在电网系统的发展，推动输电系统智能化监控的发展，保障变电站的安全运行。

2　光纤光栅三维拉力传感器

光纤布拉格光栅是在纤芯部位具有周期性折射率分布结构的光纤。当宽带光进入光栅光纤时，波长满足布拉格条件的光将被反射^［25］，而其他波将继续传播。光纤光栅布拉格波长的表达式为

式中：λB为布拉格波长；neff为有效折射率；Λ为光栅的空间周期。

基于光纤光栅制作拉力传感器，并将其安装在变电站主变套管端部的接线端子处进行测试。图1（a）为每个传感器上光纤光栅的位置和类型，传感器上有5个光纤光栅应变传感器和3个光纤光栅温度传感器，光栅1和3进行X方向力的解调，光栅2和4进行Y方向力的解调，光栅2和5进行Z方向力的解调。温度传感器T1对光栅1进行温度补偿，温度传感器T2对光栅2、3和5进行温度补偿，温度传感器T3对光栅4进行温度补偿。图1（b）为设计封装完成的安装在主变套管上的三维拉力传感器，图1（c）为传感器的温度灵敏度和应变灵敏度。

图 1. 三维（3D）拉力传感器。 （a）传感器布置；（b）传感器封装；（c）传感器参数

Fig. 1. 3D tension sensor. (a) Sensor arrangement; (b) sensor package; (c) sensor parameters

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对标定得到的传感器灵敏度矩阵进行光纤光栅三维拉力传感器三维力解调，解调公式为

式中：εi(i=1,2,3,...,5)为经过温度补偿后各应变光栅测量的应变值，通过（2）式，运算得到沿X、Y、Z方向三维力的应变s1、s2、s3。将灵敏度kix、kiy、kiz(i=1,2,3)代入（3）式中，可求得三维加载力FX、FY和FZ。

3　套管安装方式测试

基于已封装的光纤光栅三维拉力传感器，对主变套管的安装方式进行优化研究。套管在不同的安装方式下受到的初始力不一样，选择产生较小作用力的安装方式能有效避免故障的发生。将三维拉力传感器安装在变电站内使用，变电站环境如图2（a）所示，变电站主要由跨线、引下线、主变套管、避雷器、电容式电压互感器（CVT）和相关的塔支架组成。跨线连接输电线和下端变压设备。下线起到连接跨线和主变套管、避雷器、CVT的功能，不同的跨线下线安装方式会影响主变套管受到的作用力大小。选择合适的安装方式，使得主变套管受到的作用力最小，能够最大保持设备的有效寿命。

图 2. 三维拉力测试环境。 （a）变电站测试环境；（b）跨线；（c）下线；（d）金具

Fig. 2. 3D tension testing environment. (a) Substation test environment; (b) cross line; (c) down lead; (d) fittings

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变电站中跨线安装方式有两种，如图2（b）所示。避雷器和主变套管的引下线可以安装在跨线1或者跨线2上。跨线1和跨线2在塔基横梁上的位置不同，跨线1连接上＃1塔后位于主变套管正上方，跨线2连接上＃1塔后位于主变套管斜上方。因此使用不同的跨线连接方案后引下线对主变套管的作用力是不同的。

变电站内连接跨线和主变套管端部的下线也有两种连接方法，即“Ⅱ”字形和“人”字形连接，如图2（c）所示。“Ⅱ”字形引下线是指主变套管和避雷器分别通过引下线与跨线连接，相互独立；“人”字形下线是指主变套管与跨线连接，避雷器下线连接到主变套管的下线上，呈人字形。不同的下线连接方式对主变套管端部的作用力也不一样。

引下线与主变套管端部通过金具结构进行连接，可进行连接的金具种类有两种：“一”字形和“羊角”形（“L”形），如图2（d）所示。一字形金具和羊角形金具有相对应的接线板，以供连接，传感器安装在金具和接线板之间，固定端与金具连接，加载端与接线板连接。

将两个传感器安装在主变套管端部，在不同的跨线、下线和金具安装方式下对主变套管端部受到的作用力进行测量，按照力的方向对两个传感器得到的三维力数据进行合成，得到的主变套管端部三维拉力如表1所示。

从表1可知，主变套管端部受到Z方向的作用力相对X、Y方向的作用力较小，因此主要对比X、Y方向的作用力。在所有的安装方式中，在跨线1、Ⅱ字形引下线和一字形金具安装方式下，主变套管端部受到的作用力最小。因此跨线1、Ⅱ字形引下线和一字形金具安装方式为主变套管最优的安装方式，这与2017年吕中宾对高压变电站引下线及连接金具系统力学特性分析的结论一致^［13］。在跨线2的安装方式下，主变套管端部受到的力普遍要大于跨线1的安装方式，这与河南安阳变电站在跨线2安装条件下发生的套管倒塌事件吻合。因此在实际变电站内选择跨线1、Ⅱ字形引下线和一字形金具安装方式，保证主变套管受到较小的作用力，提高主变套管的使用寿命，这对保障变电站安全具有重要意义。

4　主变套管长时间监测三维拉力分析

采用跨线1、人字形下线和一字型金具安装方式，将光纤光栅三维拉力传感器安装在主变套管上进行长时间监测，监测时间长达1500 h。在长时间监测过程中，采用MOI-SI155光纤光栅解调仪进行解调，采样频率为100 Hz，采用Labview软件将解调的波长信号代入（2）、（3）式中运算，得到实时的三维拉力，并进行实时处理显示。对光纤光栅三维拉力传感器的数据进行长时间信号分析，传感器解调得到的三维力信号如图3所示。

图 3. 三维拉力监测。 （a）三维拉力；（b）温度；（c）温度差值；（d）夜间FX；（e）日间FX；（f）FX长时间变化；（g）夜间FX抖动

Fig. 3. 3D tension monitoring. (a) 3D tension; (b) temperature; (c) temperature difference; (d) FX at night; (e) FX at daytime; (f) FX change at long-time; (g) FX shaking at night

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图3（a）为长时间三维力FX、FY和FZ的监测结果，在三维力中FX长时间出现诸多峰谷，FY和FZ峰谷较少。图3（b）为长时间监测温度T1、T2和T3的结果，长时间的温度与市区气象温度（日高温T_H、日低温T_L）基本一致；在温度数据中出现的一系列峰对应的时间为日间时间，谷区域为夜间时间。对长时间温度分别进行相减处理，得到长时间监测过程中的温度变化（T12、T13、T23），如图3（c）所示，温度差值中夜间为差值平稳区域，日间为峰谷区域。在三维力中，FX平稳变化区域对应夜间温度平稳区域，如①区域，展开如图（d）所示。FX波动中出现的峰谷位置对应于日间，如②区域，展开如图（e）所示。长时间中FX常出现长时间缓慢变化，如③区域，展开如图（f）所示。长时间中FX常出现短时间变化幅度范围变大现象，如④区域，展开如图（g）所示。

图3（d）为夜间监测数据，图3（e）为日间监测数据，T12为对FX进行温度补偿的传感器1和2的温度差值。在夜间，温度变化平稳，三维力也基本不变，在日间温度差值较大，三维力变化也较大，且三维力变化时间与温度差值变化时间相同，说明日间三维力变化与温度差值变化相关。

三维力的缓慢变化与温度变化相关，可能原因有两种：一种是三维力解调中温度补偿出现的误差，另一种是接线端子和下线因温度变化产生的热应力。对日间夜间温度补偿前后的三维力作差值，结果如图4所示。

图 4. 温度补偿前后的F_X差值。 （a）夜间；（b）日间

Fig. 4. Difference of FX before and after temperature compensation. (a) Night time; (b) daytime

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在夜间，温度补偿前后的三维力差值基本是平稳的，说明温度平稳时，温度传感器对三维力的温度补偿是准确的，因此在夜间时，温度传感器能够准确对三维力进行温度补偿。日间F_X稍有波动，且波动幅度仅有400 N，基本稳定。因此温度补偿不是引起三维力波动的原因，三维力的波动是因为传感器测量与套管连接部件因温度变化产生的热应力。因此三维力中包含实际测量的三维力和温度导致的热应力。

在FX在接近60 h的长时间变化过程中，温度传感器的T1、T2基本一致，无较大的差值，如图3（f）所示，而F_X缓慢变化，说明此过程无明显的热应力，此过程中传感器测量的力仅为套管端部受到的外界拉力。

取长时间信号中温度平稳区域的三维力，得到长时间套管端部收到的外界拉力，如图5所示。长时间中套管受到外界拉力变化幅度也较大，实际监测中对拉力进行监测，避免套管端部受到较大的拉力而发生事故。

图 5. 三维拉力长时间监测

Fig. 5. Long time monitoring of 3D tension

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三维力还存在短时间的抖动。如图6（a）所示，提取夜间的抖动信号进行分析，避免日间热应力的影响。在夜间19：00抖动较大，7：00附近抖动几乎没有。提取抖动和不抖动区域1 min数据进行傅里叶变换（FFT）处理，结果如图6（b）所示。在频域中，抖动区域有明显的低频信号（频率为0.18 Hz和0.22 Hz），未抖动区域没有明显的频率信息。因此抖动是低频信号引起的。

图 6. 三维力抖动。 （a）夜间抖动；（b）抖动和不抖动区域频域

Fig. 6. 3D force shaking. (a) Shanking at night; (b) frequency domain of area with shaking and no shaking

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三维力的抖动可能是风载荷引起塔结构晃动导致的，测量得到的低频信号的频率0.18 Hz和0.22 Hz可能为塔的固有频率。对长时间的三维力信号进行FFT处理，得到实时FFT变换结果，如图7所示。

图 7. 传感器频域信号。 （a） X方向；（b） Y方向；（c） Z方向

Fig. 7. Sensor frequency domain signal. (a) X direction; (b) Y direction; (c) Z direction

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在实时频谱中，频率为0~1 Hz时信号较强。此频率范围内，在X、Y方向上，明显的两个频率在长时间内持续出现，两个频率分别为0.18 Hz和0.22 Hz。在Z方向频谱中，未得到无明显的与0.18 Hz和0.22 Hz相关的频率信号，变电站内跨线受风载荷影响，在X、Y方向易发生舞动，在Z方向难以发生舞动。因此推测0.18 Hz和0.22 Hz为跨线舞动导致变电站结构晃动的频率。

5　结　　论

利用设计的光纤光栅三维拉力传感器，对变电站主变套管和避雷器与下线的连接方式进行了测试，得到了在跨线1下采用Ⅱ字形引下线和一字型金具安装方式下套管端部受到的作用力最小的结果。通过传感器对套管端部进行长达1500 h的实时监测，得到套管端部主要受到两个力的作用：结构的拉力和由于外界环境温度变化产生的热应力。同时在三维力中还存在低频信号，低频信号频率为0.18 Hz和0.22 Hz，此低频信号可能与风载荷相关。

在光纤光栅三维拉力对套管进行长期监测过程中，由于温度产生的热应力对套管端部的影响较大，在接下来的研究中，应该关注结构的热应力对变电站结构健康的影响，着力解决在温度变化较大情况下光纤传感器的温度补偿已出现的补偿误差问题，促进光纤传感器在变电站复杂环境下的运用。