Система обнаружения распределённого оптического измерения температуры электрического кабеля
Система обнаружения распределённого оптического измерения температуры электрического кабеля
Введение
Современные энергосистемы предъявляют повышенные требования к надежности и безопасности передачи электроэнергии. Перегрузка кабельных линий, локальные дефекты изоляции или охлаждения, а также внешние тепловые воздействия могут привести к критическому повышению температуры токопроводящих жил, ускоренному старению изоляции и, в худшем случае, к пожарам или длительным перерывам в электроснабжении. Традиционные методы точечного контроля температуры становятся недостаточными для протяженных кабельных трасс. Решением является внедрение систем распределенного оптического измерения температуры (DTS — Distributed Temperature Sensing), основанных на эффекте Рамановского рассеяния света в оптическом волокне. Данная статья посвящена описанию испытаний такой системы, интегрированной непосредственно в электрический кабель.
1. Объекты испытаний
Основным объектом испытаний являлся силовой электрический кабель среднего или высокого напряжения со встроенным оптическим волокном, выполняющим функцию распределенного температурного сенсора. Конкретно испытывались:
- Сам кабель: Конструкция кабеля (материалы изоляции, экрана, брони, оболочки), его электрические параметры (номинальное напряжение, токовая нагрузка) и тепловые характеристики.
- Оптическое волокно: Специализированное волокно, интегрированное в конструкцию кабеля (например, расположенное под металлическим экраном, в межжильном пространстве или во внешней оболочке). Испытывалась его механическая и температурная стойкость, оптические характеристики (затухание) и чувствительность.
- Система DTS в сборе:
- Лазерный источник: Генерирующий оптические импульсы заданной длины волны (обычно ~1550 нм или ~1064 нм).
- Оптический модуль: Включающий делитель/ответвитель, фильтры и детекторы для разделения и регистрации Рамановских компонент (Стокса и анти-Стокса).
- Блок обработки сигнала (АЦП и процессор): Для оцифровки сигналов и вычисления температуры вдоль волокна по соотношению интенсивностей Стокса и анти-Стокса.
- Программное обеспечение: Для управления системой, визуализации температурного профиля, настройки параметров измерения (пространственное разрешение, время усреднения), задания пороговых значений температуры, формирования аварийных сигналов и архивирования данных.
- Система коммутации и соединений: Оптические соединители, патч-корды, муфты, обеспечивающие целостность оптического тракта от измерительного прибора до конца кабеля и обратно.
Цель испытаний – подтвердить работоспособность всей интегрированной системы (кабель + DTS) в заданных условиях, ее точность, надежность и пригодность для непрерывного мониторинга.
2. Область испытаний
Испытания охватывали ключевые аспекты эксплуатации системы:
- Точность измерения температуры: Оценка соответствия показаний системы DTS эталонным значениям температуры в различных точках кабеля при стационарных и динамических тепловых режимах.
- Пространственное разрешение: Определение минимального расстояния, на котором система способна различить два независимых тепловых события.
- Температурное разрешение: Оценка минимального обнаруживаемого изменения температуры в заданных условиях.
- Дальность действия: Определение максимальной длины кабеля (оптического волокна), на которой система обеспечивает заявленные точностные характеристики.
- Стабильность и повторяемость: Проверка постоянства показаний во времени при неизменных внешних условиях.
- Влияние электрической нагрузки: Оценка точности измерения температуры при протекании по кабелю номинального и повышенного токов.
- Влияние внешних факторов: Проверка устойчивости показаний к изменению температуры окружающей среды, механическим воздействиям (вибрация), наличию влаги и другим факторам, характерным для условий прокладки (кабельные каналы, тоннели, земля).
- Функциональность ПО: Тестирование интерфейса, функций тревожной сигнализации, архивирования данных, экспорта отчетов.
- Надежность и живучесть: Оценка способности системы продолжать работу (или выявлять повреждения) при частичном нарушении целостности оптического волокна.
3. Методы испытаний
Испытания проводились с использованием следующих основных методик:
- Калибровка и верификация точности:
- Эталонные термопары/термосопротивления: Установка высокоточных датчиков в контрольных точках вдоль отрезка испытуемого кабеля (на поверхности оболочки, внутри муфт, на токопроводящих жилах при специальном доступе).
- Термостатируемые камеры/печи: Помещение отрезков кабеля с волокном в камеры с точно контролируемой и равномерной температурой. Сравнение показаний DTS с показаниями эталонных датчиков внутри камеры или на кабеле.
- Локальный нагрев: Использование нагревательных элементов (лент, струй горячего воздуха) для создания известных локальных "горячих точек" на кабеле. Контроль температуры в точке нагрева эталонным датчиком и измерение ее системой DTS.
- Определение пространственного и температурного разрешения:
- Контролируемые тепловые мишени: Создание двух близкорасположенных областей с разной известной температурой (с помощью отдельных нагревателей или разделенных термостатированных зон). Анализация способности системы разрешить эти точки и точно измерить разницу температур.
- Испытания на дальность:
- Использование длинномерных (сотни метров или километры) бухт испытуемого кабеля или специальных оптических симуляторов длины.
- Создание известных тепловых событий (локальный нагрев) на разных расстояниях от измерительного прибора и оценка точности измерения температуры и локализации события на максимальной длине.
- Испытания под нагрузкой:
- Пропускание через кабель электрического тока (переменного или постоянного) различной величины (от нуля до номинального и перегрузочных значений) с помощью источников тока или нагрузочных станций.
- Одновременный контроль температуры как системой DTS, так и эталонными датчиками, установленными на жилах или оболочке. Анализ теплового профиля и его соответствия ожидаемому от нагрева током.
- Испытания на воздействие внешних факторов:
- Термоциклирование: Помещение кабеля с волокном в климатическую камеру с циклическим изменением температуры окружающей среды в заданном диапазоне.
- Вибрационные испытания: Воздействие на кабель вибрацией с определенными частотами и амплитудами, имитирующими условия эксплуатации (например, рядом с ж/д путями).
- Испытания на влагостойкость: Выдержка кабеля во влажной среде или камере с высокой влажностью.
- Во всех случаях – оценка стабильности и точности показаний DTS до, во время и после воздействия.
- Тестирование ПО и функций сигнализации:
- Имитация превышения температуры в различных зонах виртуально или через создание реальных тепловых событий. Проверка срабатывания визуальных (цветовые зоны на карте) и звуковых сигналов тревоги, генерации событий в журнале, отправки уведомлений.
- Тестирование функций настройки зон мониторинга, порогов срабатывания, времени усреднения.
- Проверка экспорта данных в различные форматы.
4. Испытательное оборудование
Для проведения комплексных испытаний использовалось следующее оборудование:
- Распределенный температурный измеритель (DTS-прибор): Основное устройство, содержащее лазерный источник, оптический модуль и блок обработки сигналов.
- Эталонные средства измерения температуры: Высокоточные термопары (типа K, T) или платиновые термосопротивления (Pt100, Pt1000) с соответствующими вторичными преобразователями/регистраторами. Бесконтактные пирометры (для поверхностного контроля).
- Системы термостатирования:
- Климатические камеры с широким диапазоном регулирования температуры (-40°C до +100°C и выше).
- Термостаты жидкостные или воздушные для локального нагрева/охлаждения сегментов кабеля.
- Печи для высокотемпературных испытаний (если применимо).
- Источники тока и нагрузочное оборудование:
- Источники постоянного (DC) и переменного (AC) тока большой мощности.
- Нагрузочные реостаты или активные нагрузочные станции.
- Трансформаторы тока и измерители тока/напряжения для контроля параметров нагрузки.
- Вибростенд: Электродинамический или гидравлический вибростенд с системой управления и контроля вибрации.
- Камера влажности/солевого тумана: Для испытаний на воздействие влаги и агрессивных сред.
- Оптическое тестовое оборудование:
- Оптический рефлектометр (OTDR) для проверки целостности и измерения затухания оптического волокна до, во время и после испытаний.
- Измерители оптической мощности.
- Оптические аттенюаторы для симуляции потерь на длине.
- Системы сбора данных (DAQ): Многофункциональные модули для синхронной записи сигналов от эталонных датчиков температуры, тока, вибрации и других параметров.
- Персональный компьютер/Сервер: С установленным ПО DTS и другим ПО для управления испытаниями, сбора данных с DAQ-систем и анализа результатов.
- Коммуникационное оборудование: Для проверки функций удаленного оповещения (E-mail, SMS, SNMP traps).
Заключение
Проведение всесторонних испытаний системы распределенного оптического измерения температуры, интегрированной в электрический кабель, является критически важным этапом перед ее промышленным внедрением. Испытания по описанным методикам с использованием специализированного оборудования позволяют объективно оценить ключевые характеристики системы: точность, разрешающую способность, надежность, устойчивость к внешним воздействиям и функциональность программного обеспечения. Успешно прошедшая испытания система DTS становится мощным инструментом для повышения безопасности, надежности и эффективности эксплуатации кабельных линий, обеспечивая непрерывный мониторинг теплового состояния по всей их длине и своевременное предупреждение о потенциально опасных ситуациях.
