Волоконно-оптическая система геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ) состоит из 3-х основных компонентов: анализатор, протяженный (непрерывный) волоконно-оптический сенсор и специализированное программное обеспечение (см. рис.1). Диапазон действия одного анализатора, основанного на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), составляет до 80 км (длина сенсора), а с использованием встроенного оптического переключателя для последовательного опроса сенсора в обе стороны от анализатора – до 160 км. Использование внешнего оптического переключателя и топологии типа «звезда» позволяет увеличить число подключаемых к одному анализатору сенсоров до 21.
Сенсор представляет собой непрерывный волоконно-оптический кабель специальной конструкции в зависимости от назначения и условия применения. Сенсор является эквивалентом огромного количества точечных датчиков (исходя из пространственного разрешения анализатора можно считать, что каждые 50 см сенсора являются отдельным независимым точечным датчиком; таким образом участок сенсора длиной 50 км будет эквивалентом 100 000 !!! точечных датчиков). Сенсор – полностью пассивное устройство, подключается с одного или двух концов к анализатору и размещается вдоль всего объекта, который необходимо контролировать. Оптическое волокно внутри сенсора изменяет свои оптические характеристики при изменениях различных внешних параметров (температуры, растяжения/сжатия, акустического давления и т.д.). Отсюда вытекают и различные применения системы.
Возможность контролировать протяженный объект в каждой точке, где инсталлирован сенсор в совокупности с очень высокой точностью и автономной работой в режиме реального времени делают систему уникальной и безальтернативной для большого количества различных применений.
Рисунок 1 – Элементы системы ВОС ГТМ: А) стойка или шкаф с измерительным анализатором и вспомогательным оборудованием; Б) волоконно-оптический сенсор; В) специализированное программное обеспечение (ставится на сервер).
На сегодняшний момент в мегаполисах развитых стран, вследствие высокой стоимости земли, отчетливо видна тенденция по замене высоковольтных воздушных линий (ВЛ) на кабельные линии (КЛ). При этом возникают вопросы безопасности высоковольтных кабельных коллекторов (см. рис. 2) и в первую очередь – вопрос пожарной безопасности (см. рис. 3). Ответом на него, не имеющим достойных конкурентов, который позволяет не допустить условий для возникновения пожара, является использование распределенного волоконно-оптического датчика температуры.
Распределенный волоконно-оптический датчик температуры в виде модуля, содержащего оптические волокна, может быть интегрирован в конструкции высоковольтного кабеля на заводе изготовителе, как это сейчас делают большинство производителей для передачи технологической информации или инсталлирован непосредственно на высоковольтный кабель или между высоковольтными кабелями.
Распределенный волоконно-оптический датчик — абсолютный диэлектрик, ему не являются помехой сильные электрические и магнитные поля, срок службы составляет десятки лет.
Для эффективной транспортировки электроэнергии от генерирующих станций до потребителей необходимо контролировать тепловое состояние высоковольтных кабелей, увеличивая насколько возможно передаваемую токовую нагрузку (полезную мощность), но при этом оставаясь в пределах тепловых ограничений, существующих для тех или иных конструкций силовых кабелей. Для этого в современные высоковольтные кабели закладывают модуль с оптическими волокнами (см. рис. 4), которые могут использоваться для передачи информации и управляющих сигналов, а также позволяют контролировать распределение температуры вдоль всего кабеля при помощи Рамановского или Бриллюэновского анализатора.
Рисунок 4 – Примеры современных высоковольтных кабелей с интегрированным оптическим волокном.
Данные такой системы мониторинга в реальном масштабе времени передаются в систему анализа и проектирования высоковольтных систем. Система анализа хранит конструкции всех современных высоковольтных кабелей, выпускаемых основными производителями. Используя тепловые модели и граничные условия, такая система пересчитывает температуру оптоволокна (находящегося в различных частях кабеля в зависимости от конструкции, см. рис.4) в температуру токопроводящей сердцевины кабеля. Эти данные позволяют прогнозировать и управлять переходными тепловыми процессами в кабеле, такими как:
Для предотвращения аварийных ситуаций существует возможность установки сигналов тревоги согласно заданным пороговым значениям температуры кабеля:
Рисунок 5 – Пример температурного анализа высоковольтного кабеля
Использование такой системы мониторинга приводит к большей гибкости и эффективности (большему КПД) использования транспортной электросети при большей же безопасности ее эксплуатации. Наибольшей эффективности удается достичь на подвесных линиях электропередач (подверженных значительным суточным колебаниям температуры) либо прибрежных подводных линиях электропередач (также испытывающих значительные колебания температуры).
Образование наледи на подвесных высоковольтных кабелях представляет собой очень серьезную проблему (см. рис. 6). С одной стороны, это приводит к существенному возрастанию массы кабеля со льдом и как следствие к увеличению весовых нагрузок. С другой стороны, образующийся лед увеличивает площадь сечения кабеля, что приводит к увеличению ветровых нагрузок. Оба эти фактора приводят к серьезным увеличениям растягивающих усилий на кабель, особенно в точках крепления кабеля на опорах ЛЭП, что в конечном итоге приводит к обрывам высоковольтных кабелей.
Рисунок 6 – Примеры образования гололеда и последствий этого на высоковольтных ВЛ
Для предотвращения возможных обрывов энергетики производят плавку гололеда при его значительном образовании. Для этого к нужному участку подают высокое постоянное или переменное напряжение в течение определенного периода времени. Во время процесса плавки очень важно знать температурное состояние высоковольтного кабеля во избежание его перегрева. Существующие в мире системы плавки гололеда используют точечные датчики температуры, установленные в так называемых критичных пролетах, но при такой системе можно пропустить момент начала образования гололеда или наоборот перегреть грозотросс ВЛ. Поэтому для целей раннего обнаружения образования гололеда и управлением его плавкой наиболее эффективным решением является контроль температуры с помощью имеющегося в грозотросе оптического волокна (см. рис. 7) и анализатора Рамановского или Бриллюэновского рассеяния.
Рисунок 7 – Примеры современных грозотросов с интегрированным оптическим волокном (ОКГТ)
На секциях ВЛ с максимальными длинами пролетов между опорами тросы испытывают максимальные растягивающие нагрузки. Также повышенные нагрузки могут испытывать участки ВЛ, находящиеся в зонах повышенной влажности (возле рек, болот и т.д.) и вследствие этого конденсации влаги на кабеле с последующим образованием льда (в зимние периоды). Другая проблема может возникнуть в жаркое время года при высокой температуре окружающего воздуха, вследствие чего возможен опасный провес тросов (см. рис. 8). Для безопасной эксплуатации таких линий очень важно контролировать натяжение кабелей. На существующих ВЛ такой контроль либо не осуществляется, либо осуществляется выборочно с использованием на отдельных опорах локальных тензодатчиков, контролирующих натяжения кабеля.
|
Рисунок 8 – Примеры провиса фазных проводов и последствий этого на высоковольтных ВЛ |