本发明涉及输变电设备在线监测技术领域，具体涉及一种利用光纤布拉格光栅温度和应变传感器测量复合绝缘子覆冰程度的方法。
背景技术
绝缘子是输电线路中的重要设备，在冬春季节的高寒地区，绝缘子极其容易出现覆冰现象，从而导致绝缘子闪络电压降低、金具锈蚀，严重的覆冰现象还会导致绝缘子破损以及覆冰闪络等问题。
传统的覆冰测量技术主要是通过巡线人员定期巡查、现场观察和测量来检测输电线路绝缘子的覆冰状态，但通过这种抽样检验的方法存在工作强度高、覆冰区交通不便，并且不能实现在线实时监测的问题。通过国内外学者大量的研究，目前绝缘子覆冰在线监测方法主要是采用图像法，通过在输电线路杆塔或无人机上安装摄像头，通过图片和视频进行图像处理，计算绝缘子表面覆冰厚度，但重覆冰条件下摄像头容易被雪覆盖，图像不清晰，同时还存在机械传动部件容易冻结，监测终端电源不能稳定持续工作等问题。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种利用光纤布拉格光栅温度和应变传感器测量复合绝缘子覆冰程度的方法，所述方法不受电磁干扰、不易受环境腐蚀、测量精度高，且能够实现在线实时监测。
当复合绝缘子发生覆冰时，绝缘子伞裙的表面和边缘会形成大量的冰凌，从而对复合绝缘子形成轴向拉力；不同的覆冰程度下，冰凌的数量和分布情况不同，复合绝缘子所受到的拉力也不同，因此，覆冰程度越严重，伞裙表面所形成的冰凌数量越多，复合绝缘子受到的拉力越大，所以可以通过测量复合绝缘子的应力变化来判定复合绝缘子的覆冰状态。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种测量复合绝缘子覆冰程度的方法，所述方法通过在复合绝缘子芯棒周围的硅橡胶护套中植入三根光纤来实现，所述三根光纤沿复合绝缘子中心轴呈120°对称分布，每根光纤包括光栅覆盖区和尾纤，在光栅覆盖区内，每根光纤上均匀设置有4～20个光栅，其中最后一个光栅为温度补偿光栅，其余光栅均为应变光栅，通过应变光栅的波长变化和温度补偿光栅的波长变化，计算伞裙因覆冰引起的应变量，最后通过植入在不同方位的三根光纤所测得的伞裙的应变量，判断复合绝缘子的覆冰程度。
进一步地，所述应变光栅的植入位置对应复合绝缘子的防冰大伞和中伞，分别测量防冰大伞和中伞的应变量。
进一步地，所述光纤中光栅覆盖区的应变光栅区套接橡胶软管，橡胶软管与应变光栅区采用粘结剂填充，温度补偿光栅区套接陶瓷管并采用悬空封装，以保证结构应变不会对温度补偿光栅产生影响。
进一步地，当复合绝缘子伞裙表面和边缘形成冰层或冰凌导致形变，以及外界温度变化引起的应变光栅的波长变化为：δλ1＝λ1(ktδt+kεε),其中λ1表示应变光栅的波长，kt表示应变光栅的温度灵敏度，δt表示外界温度变化，kε表示应变光栅随伞裙表面和边缘因形成冰层或冰凌导致形变的应变灵敏度，ε表示伞裙表面和边缘因形成冰层或冰凌导致的应变量，δλ2＝λ2ktδt,其中λ2表示温度补偿光栅的波长，kt表示温度补偿光栅的温度灵敏度，计算得到伞裙因覆冰引起的应变量为：
进一步地，所述应变光栅采用应变传感器，所述温度补偿光栅采用温度传感器，两种光栅都为光纤bragg光栅，两种传感器都采用无源传感技术，无需设立终端电源。
进一步地，所述三根光纤在复合绝缘子注射伞裙的过程中植入。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明提供的测量复合绝缘子覆冰程度的方法，所有传感器都采用无源传感技术，无需设立终端电源，提高了传感器的可靠性；同时由于光纤植入在复合绝缘子芯棒周围的硅橡胶护套内，具有良好的绝缘性能、耐低温，不易受到覆冰环境的影响，测量精度和灵敏度更高；所述方法能够实时监测复合绝缘子伞裙覆冰状态，不需要配合人工巡检，减小了人为的测量误差，同时节省了人力资源，可用于电力系统和电气绝缘领域的故障实时检测。
附图说明
图1为本发明实施例复合绝缘子中光栅植入位置的示意图。
图2为本发明实施例中三根光纤植入复合绝缘子的位置侧视图。
图3为本发明实施例中三根光纤植入复合绝缘子的位置剖视图。
图4为本发明实施例中应变光栅和温度补偿光栅的封装示意图。
其中，1-硅橡胶护套，11-防冰大伞，12-中伞，13-小伞，2-芯棒，3-金具，4-光纤，41-1#光纤，42-2#光纤，43-3#光纤，5-光纤bragg光栅，51-应变光栅，52-温度补偿光栅，6-橡胶软管，7-陶瓷管，8-粘结剂。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例提供了一种测量复合绝缘子覆冰程度的方法，所述方法在110kv防冰复合绝缘子上实施，所述防冰复合绝缘子主要包括硅橡胶护套(1)、芯棒(2)、金具(3)和光纤(4)，为了能够有效监测覆冰情况下复合绝缘子的三维应力状态及其变化规律，通过在复合绝缘子芯棒(2)周围的硅橡胶护套(1)中植入三根光纤(4)来实现，如图2和图3所示，包括1#光纤(41)、2#光纤(42)和3#光纤(43)，三根光纤(4)沿复合绝缘子中心轴呈120°对称分布，每根光纤(4)包括光栅覆盖区和尾纤，在光栅覆盖区内，每根光纤(4)上均匀设置有4～20个光纤bragg光栅(5)，如图1所示，其中最后一个光纤bragg光栅为温度补偿光栅(52)，其余光纤bragg光栅均为应变光栅(51)，通过应变光栅(51)的波长变化和温度补偿光栅(52)的波长变化，计算伞裙因覆冰引起的应变量，最后通过植入在不同方位的三根光纤所测得的伞裙的应变量，判断复合绝缘子的覆冰程度。
具体地，所述复合绝缘子包括防冰大伞(11)、中伞(12)和小伞(13)，其中应变光栅(51)的植入位置对应复合绝缘子的防冰大伞(11)和中伞(12)，分别测量防冰大伞(11)和中伞(12)的应变量；如图4所示，所述光纤中光栅覆盖区的应变光栅区套接橡胶软管(6)，橡胶软管(6)与应变光栅区采用粘结剂(8)填充，使应变光栅(51)与橡胶软管(6)紧密接触，温度补偿光栅区套接陶瓷管(7)并采用悬空封装，不使用粘结剂(8)，也不与陶瓷管(7)的管壁接触，使得保护光栅的同时，保证结构应变不会对温度补偿光栅(52)产生影响。
当复合绝缘子伞裙表面和边缘形成冰层或冰凌导致形变，以及外界温度变化引起的应变光栅的波长变化为：δλ1＝λ1(ktδt+kεε),其中λ1表示应变光栅的波长，kt表示应变光栅的温度灵敏度，δt表示外界温度变化，kε表示应变光栅随伞裙表面和边缘因形成冰层或冰凌导致形变的应变灵敏度，ε表示伞裙表面和边缘因形成冰层或冰凌导致的应变量，δλ2＝λ2ktδt,其中λ2表示温度补偿光栅的波长，kt表示温度补偿光栅的温度灵敏度，计算得到伞裙因覆冰引起的应变量为：
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。