摘要：随着电网建设的不断发展，高压架空输电线路作为电力传输的重要载体，其安全稳定运行至关重要。塔基覆冰是威胁高压架空输电线路安全的重要因素之一，可能导致线路故障、倒塔等严重事故。本文探索了光纤传感技术用于高压架空输电线路塔基覆冰在线监测的方法，详细介绍了光纤传感原理，分析了覆冰监测系统的构成与工作流程，通过实验数据验证了该方法的可行性与有效性，为保障高压架空输电线路的安全运行提供了新的技术手段。

关键词：光纤传感技术；高压架空输电线路；塔基覆冰；在线监测

一、引言

高压架空输电线路通常跨越复杂的地理环境和气候条件，在寒冷地区的冬季，塔基覆冰现象时有发生。覆冰会增加塔基的荷载，改变输电线路的应力分布，当覆冰严重时，可能引发线路弧垂过大、绝缘子串倾斜、杆塔倒塌等事故，对电力系统的安全稳定运行造成巨大威胁 。传统的覆冰监测方法如人工巡检、视频监控等存在效率低、实时性差、受环境影响大等缺点，难以满足现代电网对输电线路安全监测的需求。光纤传感技术以其抗电磁干扰、灵敏度高、分布式测量等优点，为高压架空输电线路塔基覆冰在线监测提供了新的解决方案。

二、光纤传感技术原理

2.1 光的传播特性

光在光纤中传播遵循全反射原理。当光从光密介质（折射率 n1​ ）射向光疏介质（折射率 n2​ ，n1​ >n2 ）时，入射角 满足 ，光会在两种介质的界面上发生全反射，从而在光纤中沿特定路径传播 。光纤通常由纤芯、包层和涂覆层组成，纤芯的折射率高于包层，保证光在纤芯中传播。

2.2 光纤传感基本原理

光纤传感技术是利用外界因素（如温度、应变、压力等）对光纤中传输光的特性（如光强、相位、波长等）的影响来实现对被测量的检测。对于塔基覆冰监测，主要利用光纤的应变传感特性。当塔基因覆冰产生形变时，缠绕在塔基上的光纤也会随之发生应变，进而引起光纤中传输光的特性变化。例如，基于光纤布拉格光栅（FBG）的传感原理，FBG 是在光纤纤芯中形成的一种周期性折射率调制结构，它对特定波长的光具有反射作用，反射波长λB​ 满足布拉格条件：

λB​ =2neff​ Λ

其中，neff​ 是光纤纤芯的有效折射率，Λ是光栅周期。当光纤受到轴向应变ε时，neff​ 和Λ会发生变化，从而导致反射波长λB​ 的漂移，通过检测反射波长的变化量ΔλB​就可以计算出光纤所受的应变，进而得到塔基的形变信息 。根据弹性力学理论，应变ε与应力σ的关系为σ=Eε，其中 E 为材料的弹性模量。通过测量光纤的应变，结合塔基材料的弹性模量，就可以计算出塔基所受的应力变化，以此来判断塔基是否发生覆冰以及覆冰的程度。

三、基于光纤传感技术的覆冰监测系统构成

3.1 传感光纤布置

在高压架空输电线路塔基上，采用螺旋缠绕的方式布置传感光纤。将光纤均匀地缠绕在塔基的关键受力部位，如塔腿、横担连接处等。为了保证光纤与塔基紧密接触，采用专用的固定夹具，同时在光纤表面涂抹防护涂层，防止光纤受到外界环境的侵蚀和机械损伤 。通过合理布置传感光纤，可以全面感知塔基在覆冰过程中的应变分布情况。

3.2 信号解调单元

信号解调单元是光纤传感监测系统 于基于 FBG 的覆冰监测系统，常用的解调方法有滤波法、干涉法、可调谐 变腔长的光学滤波器，通过改变滤波器的腔长，使其与 FBG 反射波长匹配，从而检测出反射光的强度变化。 FBG 反射波长发生漂移时 调整 滤波器的腔长 使反射光能够最大程度 地通过滤波器，通过检测滤波器输出光强的变化，就可以计算出 FBG 反射波长的漂移量 。信号解调单元的精度和稳定性直接影响到覆冰监测系统的性能，其波长分辨率可达到皮米级，能够满足高精度的覆冰监测需求。

3.3 数据处理与传输单元

数据处理单元对信号解调单元输出 以及覆冰厚度等物理量。同时，数据处理单元还对数据进行分析和判断，当监测到塔基覆 时，及时发出预警信号 传输单元则负责将 线或无线通信方式传输到监控中心，实现远程实时监测。常用的通信方式有光纤通信、GPRS、 G/5G 等，其中光纤通信具有传输速率高、抗干扰能力强等优点，适用于距离较近的监测点与监控中心之间的数据传输；GPRS、4G/5G等无线通信方式则具有覆盖范围广、安装方便等特点，适用于偏远地区的输电线路监测。

3.4 监控中心

监控中心是整个覆冰监测系统的管理和控制核心，由计算机、监控软件、数据库等组成。监控软件实时显示高压架空输电线路塔基的覆冰状态、应力应变情况等监测数据，并以图表、曲线等直观的方式呈现给运维人员 。同时，监控中心还可以对历史数据进行存储和分析，预测覆冰发展趋势，为制定合理的除冰措施提供依据。运维人员可以通过监控中心对监测系统进行远程配置和管理，实现对高压架空输电线路塔基覆冰的全方位、实时化监测。

四、覆冰监测系统工作流程

4.1 数据采集

传感光纤实时感知塔基的应变信息，并将其转化为光信号的变化。随着塔基覆冰的逐渐加重，塔基产生形变，传感光纤受到拉伸或压缩，导致光纤中传输光的波长、相位或光强发生改变 。信号解调单元按照一定的时间间隔对传感光纤中的光信号进行采集和解调，将光信号转换为电信号，并测量出光信号的变化量，如 FBG 反射波长的漂移量ΔλB​ 。

4.2 数据传输与处理

信号解调单元将采集到的电信号通过数据 到数据 单元首先对接收的数据进行滤波、去噪等预处理，去除信号中的干扰和噪声，提高数据的质量 。然后，根据预先建立的光纤传感特性模型和塔基力学模型，将光信号的变化量转换为塔基的应变ε和应力σ。例如，对于基于 FBG 的传感系统，根据布拉格波长漂移与应变的关系ΔλB​ =（1+pe​ ）λB​ ε（其中pe​ 为光纤的弹光系数），可以计算出光纤的应变，进而得到塔基的应变 。再根据塔基的受力情况和材料参数，计算出塔基所受的应力。最后，通过建立覆冰厚度与塔基应力应变的关系模型，反演出塔基的覆冰厚度。

4.3 状态评估与预警

数据处理单元将计算得到的塔基覆冰厚度、应力应变等数据与预先设定的阈值进行比较，对塔基的覆冰状态进行评估。当监测数据超过阈值时，系统判断塔基处于危险状态，立即通过监控中心向运维人员发出预警信号 。预警方式可以采用短信、声光报警等多种形式，提醒运维人员及时采取除冰等措施，防止因覆冰导致塔基倒塌等事故的发生。同时，监控中心将预警信息和相关监测数据进行记录和存储，以便后续分析和处理。

五、实验验证与数据分析

为了验证光纤传感技术用于高压架空输电线路塔基覆冰在线监测方法的可行性和有效性，进行了模拟实验。在实验室搭建了一个模拟塔基模型，在模型上按照实际工程中的布置方式缠绕传感光纤，并通过人工模拟覆冰过程，逐渐增加塔基的荷载 。实验过程中，利用信号解调单元实时采集传感光纤的信号，并通过数据处理单元计算出塔基的应变、应力和覆冰厚度。

5.1 实验装置

实验装置主要包括模拟塔基、传感光纤、信号解调仪、数据采集卡和计算机等。模拟塔基采用钢材制作，模拟实际高压架空输电线路塔基的结构和力学特性 。传感光纤选用布拉格光纤光栅（FBG），其中心波长为 1550nm ，反射率大于 90% 。信号解调仪采用基于可调谐 F - P 滤波器的解调方式，波长分辨率为 1pm。数据采集卡将信号解调仪输出的电信号采集到计算机中，通过自编的软件进行数据处理和分析。

5.2 实验过程

在模拟塔基上均匀施加荷载，模拟塔基覆冰过程。荷载从 0 开始逐渐增加，每次增加 0.5kN，记录每次加载后传感光纤的反射波长变化量、塔基的应变和应力 。同时，通过称重法测量实际施加的荷载，与通过光纤传感技术计算得到的应力结果进行对比。在整个实验过程中，保持实验环境温度和湿度相对稳定，以减少环境因素对实验结果的影响。

5.3 实验结果与分析

实验结果表明，随着施加荷载的增加，传感光纤的反射波长逐渐发生漂移，塔基的应变和应力也随之增大 。通过对实验数据的分析，得到了光纤反射波长漂移量与塔基应变、应力之间的关系曲线，如图 1 所示。从图中可以看出，光纤反射波长漂移量与塔基应变、应力之间具有良好的线性关系，这与理论分析结果一致 。通过将实验测量得到的应力值与称重法得到的实际荷载值进行对比，计算出两者之间的相对误差，结果显示相对误差在 5% 以内，表明该光纤传感监测系统具有较高的测量精度 。

同时，通过建立覆冰厚度与塔基应力的关系模型，对不同荷载下对应的覆冰厚度进行了反演计算。将反演得到的覆冰厚度与实际模拟的覆冰厚度进行比较，验证了覆冰厚度反演模型的准确性 。实验结果证明，基于光纤传感技术的高压架空输电线路塔基覆冰在线监测方法能够准确地监测塔基的应变、应力和覆冰厚度变化，具有良好的可行性和有效性。

六、结论

本文探索了光纤传感技术用 验验证了该方法的可行性和有效性。光纤传感技术具有抗电磁干扰、灵敏度 、应力和覆冰厚度的监测，及时发现塔基覆冰隐患，为运维人员采取除冰措施提供依据，有效保障 线路 定运行。随着光纤传感技术的不断发展和完善，其在电力系统输电线路监测领域将具有更加广阔的应用前景。未来的研究可以进一步优化光纤传感系统的性能，提高监测精度和可靠性，同时降低系统成本，推动光纤传感技术在高压架空输电线路覆冰监测中的大规模工程应用。

第一作者：司兴登，男，1986 年 3 月，汉族，山东济宁，讲师，硕士研究生，主要研究方向：电力系统自动化技术、电气自动化技术.通讯作者：杨洪磊，男，1987 年 4 月，汉族，河南省商丘市，讲师，硕士研究生，研究方向：电力电气自动化技术、高压架空输电线路