CC BY
25Т Е Х Н И Ч Е С К И Е
НАУКИ
УДК 681.7.068+536.5
Н.С. Анищенко
СИСТЕМА ТЕМОМОНИТОРИНГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
В данной статье рассматривается преимущества волоконно-оптических датчиков. Также рассмотрена явление рассеяния Мандель-штама-Бриллюэна и система термомониторинга высоковольтных линий передач с использованием оптических датчиков.
Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, рассеяния Ман-дельштама-Бриллюэна, датчики,ЛБТЯО.
В связи ростам промышленности и техники возрастает потребность в системах ранней диагностики и мониторинга и это привело к развитию волоконно-оптических датчиков. Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять очень многое. Например: давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т. д. Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, их можно грубо разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики, в которых оно используется в качестве чувствительного элемента.[1].
Элементы, применяемые в волоконно-оптических датчиках, считаются полностью пассивными по отношению к электрическим (не излучают и не проводят электрический ток), что часто оказывает решающее влияние на успешное применение их в некоторых областях. В медицине это позволяет изолировать пациентов от электроустройств, в области высокого напряжения исключить проводящие пути, а при размещении обеспечивается совместимость с любыми материалами. Весогабаритные свойства датчиков являются критичными при их использовании в таких областях, как аэрокосмическая, и здесь, благодаря своим небольшим весу и размеру, волоконно-оптические датчики получают существенное преимущество по сравнению со многими другими изделиями. К тому же такие датчики невосприимчивы к электро-
© Анищенко Н.С., 2018.
Научный руководитель: Горлов Николай Ильич - доктор технических наук, профессор, СибГУТИ, Россия.
магнитным помехам. Классические электрические датчики часто приходится размещать в тяжелой экранирующей оболочке, что существенно увеличивает их стоимость, размер и вес. Устойчивость к воздействиям внешней среды считается определяющей при использовании волоконно-оптических датчиков в условиях высокой температуры, а твердотельная структура позволяет им выдерживать предельные уровни вибрационных и ударных нагрузок. К перечисленным выше свойствам можно добавить высокую чувствительность и широкополосность. При объединении каналов матрицы датчиков широкая полоса пропускания самих оптических волокон позволяет передавать получающиеся в результате данные и тем самым обеспечивает определенное преимущество.[2]
Из-за своей большой стоимости и высокой технологической значимости аварийный выход из строя силовых высоковольтных кабельных линий является чрезвычайным происшествием, требующим срочного и дорогостоящего ремонта. Во многих случаях причиной аварийности кабельной линии являются локальные перегревы, которые могут быть вызваны повышением токовой нагрузки в линии, ухудшением условий охлаждения кабеля по длине, или же являются результатом возникновения некоторых дефектов в изоляции кабеля и муфт.
Своевременное выявление зон перегрева кабеля и муфт возможно при использовании систем температурного мониторинга с применением оптического волокна, интегрированного в конструкцию кабеля. Подобные системы измерения распределения температуры вдоль кабельной линии, проводимого с использованием эффекта рассеивания лазерного импульса в оптическом кабеле, называемого романовским, сейчас интенсивно внедряются на практике.
Оптоволоконная система «ASTRO» отечественного производства (компания «Инверсия-Сенсор») предназначена для оперативного контроля профиля температуры высоковольтных кабельных линий в процессе эксплуатации [3].
Оптическое волокно, интегрировано в конструкцию кабельной линии и расположено, обычно, в зоне экрана, под внешней оболочкой. В него лазером периодически излучаются диагностические импульсы и при помощи измерительного прибора регистрируется обратный отраженный поток света.
При изменении параметров встроенного в кабель оптического волокна, возникающих под воздействием температуры, для каждого конкретного участка кабельной линии определяется величина локальной температуры [4].
Локальная температура на каждом конкретном участке кабельной линии рассчитывается с использованием разницы во времени между моментом времени получения отраженного от каждого участка импульса и моментом излучения лазерного импульса в оптическое волокно. Зная скорость распространения света в измерительном оптоволокне, можно с высокой точностью рассчитать место, которому соответствует спектр отраженного оптического сигнала.
Рис. 1. Высоковольтная кабельная линия
Оперативное определение температурного профиля кабельной линии позволяет обслуживающему персоналу эффективно эксплуатировать линию, используя:
• Метод контроля температуры по оптическому рассеянию в отраженных сигналах, позволяет проводить оперативное измерение температурного профиля на кабелях, имеющих большие длины, до 16 км. Это дает возможность при помощи одного прибора контролировать протяженные объекты или несколько объектов сразу, включив их последовательно.
• Знание температурного профиля кабельной линии позволяет оптимизировать ее загрузку, рационально учитывать реальные климатические условия и локальные особенности пролегания всех участков кабельной линии.
• Поскольку оптоволоконной системой производится измерение температуры под оболочкой кабельной линии, в программном обеспечении мониторинга производится перерасчет на температуру то-коведущей жилы кабеля, определяется переходный процесс нагрева при скачке нагрузки. Особенно важно это для определения технической возможности передачи по кабельной линии дополнительной мощности, с учетом наиболее нагретого участка кабеля.
• При помощи системы «ASTRO» можно определять места возникновения и оценивать степень развития дефектов, сопровождающихся локальным разогревом отдельных участков контролируемой кабельной линии.
• Можно оперативно проводить определение мест обрыва кабельной линии после возникновения фатальных дефектов или аварийных динамических воздействий на кабель.
Система температурного мониторинга кабельных линий конструктивно состоит из двух основных элементов - оптического волокна, проложенного вдоль кабельной линии, являющегося распределенным датчиком температуры, и измерительного прибора со средствами обработки и анализа первичной информации, установленного в защитном шкафу.
Если кабельная линия была изначально рассчитана на использование с системой температурного мониторинга, то оптическое волокно заранее устанавливается под оболочкой кабеля еще на этапе его изготовления.
Если же система температурного мониторинга устанавливается на уже эксплуатируемой кабельной линии, внутри которой отсутствует измерительное оптическое волокно, то тогда оно прокладывается снаружи и фиксируется максимально близко к контролируемому кабелю. Наружный способ прокладки оптического волокна-датчика температуры менее предпочтителен, так как имеет существенно меньшую точность и более подвержен влиянию внешних температурных воздействий.
Шкаф системы температурного мониторинга кабельной линии включает в себя непосредственно измерительный прибор марки «ASTRO», промышленный компьютер со специализированным программным обеспечением для обработки информации, оценки состояния и прогнозирования возможного увеличения нагрузки кабельной линии. Также в шкафу монтируется источник бесперебойного питания и все необходимые технические средства для коммуникации с верхним уровнем АСУ-ТП. [5]. Как представлена на рисунке 2.
Климатическое исполнение защитного шкафа системы мониторинга определяется параметрами технического задания на создание системы. Сам шкаф может быть установлен рядом с концевой муфтой контролируемой кабельной линии или располагаться на удалении до нескольких километров, в зависимости от длины линии. При наружной установке шкаф снабжается системой внутреннего температурного кондиционирования.
Система температурного мониторинга высоковольтной кабельной линии марки «ASTRO» работает полностью в автоматическом режиме, в соответствии с внутренними расчетными и экспертными алгоритмами и заданными локальными настройками для каждого объекта контроля. Технические параметры представлены в таблице 1.
Информация о текущем температурном режиме работы контролируемой кабельной линии и результаты проведения экспертной диагностики постоянно отображаются на экране встроенного промышленного компьютера. Полная информация о состоянии линии передается в систему АСУ-ТП более высокого уровня по оптическому волокну с использованием стандартного протокола МЭК 61850. [5].
Рис. 2. Система температурного мониторинга высоковольтной кабельной линии
Таблица 1
Технические параметры системы «ASTRO»
Диапазон измерения температуры, °С -55 - 300
Время измерения температуры, сек от 10
Точность измерения, °С от 1
Пространственное разрешение, м от 1
Длина чувствительного элемента (оптоволокна), км до 8, опция до 16
Количество измерительных каналов 1, 4, 8
Длина волны излучения, нм 1550
Тип волокна ММ
Температура эксплуатации, °С +10 - +40
Влажность окружающей среды, % до 90
Напряжение питания, В 220
Потребляемая мощность, Вт 200
Размеры прибора, мм 500*450*130
Вес измерительного прибора, кг 12,0
Библиографический список
1. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников /Под ред. Э. Удда. -М.: Техносфера, 2008.
2. Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, Х. Нисихара, К. Кюма, К. Хататэ. Волоконно-оптические датчики. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.
3. С. А. Бростилов, Т.И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова, А. Ю.Удалов, А. В. Архипов Волоконно-оптические кабели для волоконно-оптических датчиков / С. А. Бростилов, Т.И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова, А. Ю.Удалов, А. В. Архипов // ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет»- г.Пенза, ОАО ЭОКБ «Сигнал»-г.Энгельс.
4. А.В.Листвин, В.Н.Листвин. Рефлектометрия оптических волокон. - М.: ЛЕСАРарт, 2005.
5. temperatures.ru информационный портал [Электронный ресурс] /Образовательный ресурс и как информационный ресурс, объединяющий специалистов в области температурных измерений; Веб-мастеру Екатерине: kjones0317@gmail.com;^. редактор портала Temperatures.ru Моисеева Наталия Павловна. URL http://temperatures.ru/pages/o saite
АНИЩЕНКО НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ - магистрант, СибГУТИ, Россия.
