Краткосрочные испытания перспективной волоконно-оптической технологии
с современным грозотросом ОКГТ четвёртого поколения, который имеет тройное
предназначение – защита от молний, передача информации и организация связи,
мониторинг температуры и вибраций. Для испытаний был организован опытный
участок с подвешенным ОКГТ на площадке завода ИНКАБ. Были сымитированы
различные воздействия на кабель и опоры и проведён предварительный анализ
полученных данных.
Автоматизация всё глубже проникает во все сферы. Даже элементарные вещи и
приборы приобретают элементы машинного интеллекта, что говорить о сферах
промышленности, особенности такой важной как энергетика.
Можно добавить, что энергетика вообще одна из самых прогрессивных областей,
слишком высока цена проблем на линиях снабжения и аварий. Поэтому десятки
различных систем следят за десятками параметрами и сотнями точек контроля в силовых
установках, на подстанциях и линиях. Применяются различные технологии, одной из
последних стали применять волоконно-оптическую технологию Рамана для
распределённого мониторинга силовых кабельных линий. Такие кабельные линии (от 110
кВ) уже на протяжении нескольких лет контролируются по температуре вдоль для
обнаружения дефектов. Кабели включают в конструкцию оптические волокна, в
большинстве своём многомодовые 50/125.
В связи с эффективностью применения систем мониторинга (в т.ч. Волоконно-
оптических) и растущей цифровизацией населения, началось и развитие автоматизации в
области воздушных линий. В линиях, идущих на сотни километров между городами и
регионами, закладываются оптические волокна для связи и контроля. В основном это
одномодовые волокна 9/125. Такие линии позволяют передавать диагностическую
информацию и пакеты данных на десятки и сотни километров.
Оптические технологии внедряются непосредственно в грозотросы. Это кабель-
канат, который используется как сопроводительная линии к силовым кабелям на ЛЭП. Его
основное предназначение – это отведение ударов молнии от основной линии и
сохранности этой линии для бесперебойной передачи электроэнергии потребителям.
Наши испытания проводились на самом современном образце грозотроса производства
«Завода «Инкаб» – конструкция на основе стального оптического модуля, и стальных
проволок, плакированных алюминием (Рис.1).
В мире ОКГТ принят в качестве основного технического решения по построению
ВОЛС на ВЛ 35 кВ и выше, в РФ аналогичная ситуация и это подтверждено стандартом
ФСК ЕЭС «Правила проектирования, строительства и эксплуатации ВОЛС на ВЛ 35 кВ и
выше».
По сравнению с другими кабелями (ОКСН, ОКНН, например), у ОКГТ нет
ограничений по напряжению линии и количеству грозовых часов, нет дополнительной
нагрузки на опору. ОКГТ заменяет собой грозозащитный трос, нет затрат на монтаж
дополнительного элемента ВЛ и лишний комплект линейной арматуры. ОКГТ не
находится под напряжением в рабочем режиме, поэтому его соединительная арматура
проще и дешевле.
ОКГТ впервые был запатентован компанией British Insulated Callender’s Cables в
1977 году, и, начиная с 1980-х годов, стал широко использоваться в современной практике
телекоммуникаций. Уже в 2000 году протяжённость линий с ОКГТ по всему миру
составила более 60000 км. Азия, и особенно Китай, стала крупнейшим рынком
использования ОКГТ для линий телекоммуникационных передач. На данный момент 80%
всех высоковольтных магистральных энергетических линий за рубежом оснащено ОКГТ.
Как правило, помимо оптической части, в ОКГТ применяются стальные проволоки
плакированные алюминием и проволоки из алюминиевого сплава, за счет комбинаций
этих двух типов проволок есть возможность варьировать характеристики троса.
Алюминиевое покрытие стальных проволок, помимо термической стойкости,
обеспечивает высокую коррозионную стойкость и меньший вес в сравнении с цинковым
покрытием.
Но какой бы прочный и надёжный кабель не был, природа всегда непредсказуема и
стихийна, а также непредсказуем и человеческий фактор.
В случае повреждения грозотроса или всей линии возникает проблема
оперативного обнаружения мест повреждений. Очевидно, что мероприятия начинаются
при повреждении силовых линий, в первую очередь. Но, даже зная о проблеме, поиск
повреждённых участков может быть довольно затруднителен. Основные сложности –
протяжённость объектов, трудность доступа к отдельным участкам, погодные условия.
При повреждении грозотроса, без использования систем контроля состояния, проблема
может быть не обнаружена вовсе, что приведёт к угрозе повреждения уже самой силовой
линии, передающей электроэнергию, во время следующей сильной грозы, например.
Грозотрос, включающий в себя оптическое волокно, как, например, ОКГТ, может
быть подключен к системам мониторинга, наподобие DAS In20 (разработка ООО «ОСБ»,
серийное производство ООО «КИПЛАЙН»). DAS In20 это отечественная распределённая
вибро-акустическая система, которая позволяет покрыть участок до 80 км от одного
прибора (2 канала по 40 км) или создать кольцевую схему 40 км, подключив два канала к
одной линии в 40 км.
Система воспринимает вибрационные воздействия на кабель, основной рабочий
диапазон от 0 до 400 Гц, этого достаточно для большинства технических процессов.
Можно отметить, что подобные системы могут применяться в различных сложных
условиях, возможно восстановление фазы, а в нулевых частотах нет шума.
Для подтверждения теории эффективности использования грозотроса с оптическим
волокном и систем вибро-акустики были проведены два практических опыта. Первый в
помещении на оптической линии 25 км с включенным в линию участком грозотроса (10
м), второй опыт на опытной установке в Перми, на территории завода Инкаб, где
сымитирована линия электропередач и на опорах подвешены 100 метров грозотроса.
Рис.2 Графический интерфейс пользователя
Вибро-акустическая система In20 позволяет делать анализ по трём компонентам:
Амплитудно-дистанционная (Рис.2 – отм. 1) – двухкомпонентный график который
показывает уровень сигнала в dB в точке события.
Амплитудно-временная (Рис.2 – отм. 2) – трёхкомпонентный график, который часто
называют водопад т.к. он раскладывает данные по трём координатам, но в нашем случае
интересны две его компоненты амплитуда и время, т.к. все события в описываемой
опытной работе прогнозируемы и локализованы.
Частотно-Временная (Рис.2 – отм. 3) – третья компонента, которая позволяет
оценить изменение частотных полос по логарифмической шкале во времени в
зависимости от происходящего события.
Складывая аналитическую информацию по данным трём компонентам мы
получаем уникальные стат данные, которые позволяют определять тип события и обучать
таким образом систему, при накоплении всё большей библиотеки, вероятность ложных
срабатываний стремится к нулю, а пользователь получает автоматизированное решение с
навыками распознавания событий и оповещения заинтересованных лиц и служб.
В данной статье описана работа системы, где информация отображается в
инженерном интерфейсе, это сделано для наглядного описания работы системы и
принципов анализа событий. Конечно же, при установке на объекте, интерфейс адаптируется под оператора и выдаются сигналы тревоги с дополнительными данными и указаниями.
Первые тесты
В помещении
Для проведения первого опыта система была развёрнута в помещении линия
включала в себя 25 км с вваренным по середине ОКГТ (10 метров). Кабель и линия
подвергались различным физическим воздействиям. Наиболее интересны воздействия при
ударе сварочным аппаратом. Данный опыт отображает процесс лёгкого вибрационного
воздействия с тепловым эффектом.
При воздействии точечным сварочным аппаратом был виден чёткий сигнал (Рис.3)
с эффектом «эхо» по всей длине опытного участка ОКГТ, т.к. удары током наносились в
самом начале участка (Рис.4), соответственно эффект «эха» отображался справа на
амплитудно-временной шкале в виде менее интенсивного сигнала. Также при дальнейшем
наблюдении за «водопадом» амплитудно-временной шкалы можно отметить остаточный
эффект, который создаётся от сильного разогрева кабеля ОКГТ.
Рис.3 Паттерн от воздействий точечным сварочным аппаратом.
Рис.4 Удар точечным сварочным аппаратом в ОКГТ.
До грозотроса находилась катушка с намотанным волокном более 10 км. Она
использовалась для демонстрации дальности опроса опытного участка и демонстрации
возможности обработки большого количества поступающих данных. По ребру катушки
оказывалось последовательное воздействие сверху вниз и наоборот, в программном
интерфейсе на «водопаде» сразу отображалась характерная картинка (Рис.5). Чётко видно
что быстрое воздействие обрабатывается почти мгновенно и складывается в характерные
картинки (паттерны). Систему также можно обучать восприятию уникальных паттернов,
что даст безошибочное распознавание событий в перспективе.
Рис.5 Паттерн при воздействии на ребро катушки с оптическим волокном.
Необходимо отметить, что при проведении опытных тестов в помещении, мы
имеем практически идеальные условия, при тестах на опытном участке мы увидим
множество дополнительных артефактов (шумов от воздействий не несущих полезной
информации) во всём рабочем частотном диапазоне. На улице это всегда случайные
условия, где включаются факторы силы тяжести, изменений температуры, влажности,
порывов ветра и упругости конструкции.
Вторые тесты
На улице, на опорах:
Опытный участок был собран на территории «Завода «ИНКАБ». Протяжённость
линии около 4 км, на расстоянии 2,5 км от начала был участок ОКГТ протяжённостью 200
метров. 100 метров была буферная зона, расположенная на земле на территории завода и
на улице, после шёл участок длиной ещё 100 метров, подвешенный на опорах и
имитирующий настоящую линию. Испытания проводились в зимнее время в феврале, при
отрицательной температуре (от -10 до -15 C, при влажности до 98%).
До грозотроса были подключены 2 катушки с волокном, они были механически
соединены через оптическую розетку. Такое подключение было сделано для имитации
повреждения и разрыва оптического волокна.
Рис.6 Имитация повреждения оптического волокна.
Если посмотреть на амплитудно-временную характеристику, то будет заметна
чёрная область примерно в центральной части опытного участка (Рис.6). Данная область
возникает из-за механического соединения с мизерным воздушным зазором, которое
имитирует механическое повреждение волокна, т.е. возможную техническую проблему
связанную с иными факторами (например повреждение грозотроса или опоры). Если мы
заметили такой дефект при эксплуатации на объекте, то сразу становится понятно о
необходимости проверки данной зоны дронами или техническим персоналом, более того
мы с точностью в 5 метров можем назвать место данного повреждения.
Основной частью теста было проведение трёх опытных испытаний:
• Взрыв петард для имитации удара и взрывной волны, когда окружающая среда,
предметы и элементы испытывают резкое изменение давления, плотности, температуры
и скорости, что аналогично происходящему в момент удара молнии в грозотрос.
• Сильная тряска опытной линии, где подвешен грозотрос. Данный опыт помогает
имитировать эффект последующий за ударом молнии, момент при «отваливании» с
поверхности кабеля большого объёма льда при плавке гололёда, резонирующую тряску
при сильных порывах ветра, резонирующую тряску при резком изменении положения
опоры.
• Тепловой разогрев относительно широкого участка, что имитирует эффект при
замыкании линии на грозотрос или остаточный эффект после удара молнии.
Основные опытные испытания начались с имитации взрывной волны. Для
имитации локального взрыва были использованы обычные крупнокалиберные петарды,
продаваемые в магазинах фейерверков. Петарды привязывались к грозотросу ОКГТ, а
также на соседний грозотрос, который не был подключен к системе мониторинга.
Взрывы проводились при различных подстройках частотных фильтров, что
позволяет выявить характерные особенности процесса для каждой из трёх компонент
анализа. В целом эффект от взрыва всегда заметен, даже если взрыв был на не
контролируемой линии или при сильных шумах. Особенностью взрыва всегда будет
сильный сигнал от влияния взрывной волны в узкой зоне, а также разглаженный водопад в
сторону от этого сигнала в вследствие резонирующего кабеля из-за распространения
остаточного эффекта волны вдоль конструкции.
На паттернах можно увидеть:
– сильный эффект от взрывной волны (Рис.7 – отм.1) плюс резонирующее воздействие
(Рис.7 – отм.2) при использовании системы с подстройкой частотных фильтров;
– слабый эффект от взрывной волны (Рис.8 – отм.1) плюс резонирующее воздействие (Рис.
8 – отм.2) при использовании системы без подстройки частотных фильтров;
– слабый эффект от взрывной волны с соседнего кабеля (Рис.9 – отм.1) плюс почти
отсутствующее резонирующее воздействие при использовании системы с подстройкиой
частотных фильтров;
Тряска ОКГТ проводилась вручную (Рис.11, рис.12), к грозотросу были подвешены
стальные канаты за которые он раскачивался. На водопаде был виден паттерн, где все
артефакты пропадали, а мы видели почти пустую картинку. На самом деле при сильной
тряске, когда кабель находится в резонирующем состоянии, система определяет
эквивалентные повторяющиеся колебания и на основании анализа нескольких тысяч
паттернов за пару секунд обрезает автоматическим фильтром на текущем участке
повторяющийся сигнал, определяя его как устоявшийся.
При возникшей тряске пролёта или нескольких на реальном объекте на общем фоне
других пролётов, которые будут продолжать выдавать стабильные случайные паттерны,
резонирующие участки грозотроса будут быстро и качественно детектироваться.
Рис.7 Паттерн при взрыве петарды на ОКГТ.
Рис.8 Взрыв петарды на ОКГТ без подстройки частотных фильтров.
Рис.9 Паттерн при взрыве петарды на соседнем грозотросе (не подключенного к вибро-
акустической системе).
Рис.10 Взрыв петарды без подстройки частотных фильтров.
Рис.11 Паттерн при сильной тряске ОКГТ.
Рис.12 Имитация тряски ОКГТ с помощью подвязанных канатов.
Рис.13 Паттерн при сильных ударах по опоре.
Удары по опоре (Рис.13 отм.1). В проведённых испытаниях грозотрос был
подвешен на бетонных опорах, что требовало значительных усилий, чтобы получить
желаемый эффект, отображаемый в ПО. Бетон хороший демпфирующий материал и не
способствует распространению упругих волн при вибрационных воздействиях, а скорее
наоборот, способствует их затуханию. Несмотря на особенности опоры, нам удалось
зафиксировать привычное разглаживание «водопада» при резонирующих колебаниях
кабеля, что хорошо видно на рисунке.
При воздействиях на металлическую опору эффект будет сильнее, упругие свойства
металла выше, соответственно и передающий эффект упругих волн вдоль конструкции
сильнее. Так, например, мы обязательное зафиксируем событие, если кто-то попытается
деформировать опору или даже спилить часть её на металлолом.
Последним тестом был разогрев линии высоким током. Перед опорами грозотрос
был свёрнут в небольшую бухту (ок 10 метров). К этой бухте был применён мощный
тепловой нагрев. Эффект от нагрева можно наблюдать на амплитудно-временной шкале
слева от участка подвешенного грозотроса. Происходит заметное возбуждение сигнала
(Рис.14 отм.1), но, например, при его оценке по шкале расстояние-частота можно
заметить, что амплитуда в месте нагрева не высокая и по сличению двух типов графиков
можно определить характер воздействия. Плюс, выделяя этот участок (под воздействием
теплового эффекта) отдельно и анализируя логарифмическую частотно-временную шкалу,
мы видим отчётливый переход при прекращении теплового эффекта (Рис.15 отм.1).
Рис.14 Паттерн при сильном нагреве участка ОКГТ
Рис.15 Паттерн в завершающей фазе при сильном нагреве участка ОКГТ
Заключение и выводы
По результатам опытных испытаний можно сделать предварительный вывод, что
при воздействии теплового эффекта, для его чёткого определения, необходимо
воздействие шириной 0,5-1 метра, а тепловой удар молнии даст эффект нескольких
десятков метров, что будет отчётливо видно.
Вторым значимым фактором можно считать определение системой резонирующих
воздействий на грозотрос (ветер, обваливающийся лёд и т.п.). Помимо теплового эффекта,
весь пролёт начнёт резко колебаться, что даст характерную амплитудно-дистанционную
картинку с высокими пиками, при этом амплитудно-временная шкала будет показывать
замирание сигнала, эффект пропадающего водопада на участке воздействия.
Также любое критическое деформирующее воздействие на грозотрос или опору
будет отчётливо видно, т.к. вибро-акустическая система оперативно определит точное
место разрыва или надрыва волокна.
Интересным и вполне очевидным направлением развития решений ОКГТ плюс
вибро-акустическая система мониторинга может стать детектирование работ вблизи ЛЭП.
Шум при вырубке леса, валке деревьев, движение грузового транспорта и т.п. может
находиться в библиотеке систем и помочь предотвратить незаконные действия по порче
природных ресурсов.
Самой перспективной и сложной задачей является обнаружение коротких
замыканий (КЗ). Задача крайне актуальна, но и сложна, т.к. требует набора особых
библиотек и фильтров. Именно на изучение этой проблематики будет направлены
последующие опытные испытания.
По результатам эксперимента можно с уверенностью сказать, что точно существует
определённое будущее для ОКГТ и распределённых волоконно-оптических систем в
области энергетики, причём вибро-акустические системы могут быть как
самостоятельным решением, так и дополнять более сложноструктурированные системы.
В итоге применение систем по типу DAS In20 даст эффект экономии средств на
обеспечение безопасности и наблюдение, повысит безопасность и эффективность труда
специалистов, даст возможность оперативно локализовать места аварий и иных событий.
