Сети Smart Grid. Применение оптического кабеля, встроенного в фазный провод (ОКФП), в системах контроля гололедообразования

Концепция Smart Grid и предупреждение аварийных ситуаций

Во всём мире идёт активное обсуждение концепции так называемых умных сетей электроснабжения (Smart Grid). Модернизированные линии электроснабжения должны использовать современные информационные и коммуникационные сети для сбора информации с линии и автоматически повышать эффективность, надёжность и устойчивость производства и распределения электроэнергии. Это в свою очередь повлечёт увеличение экономической выгоды от внедрения концепции.

Важным элементом структуры умных сетей является сбор текущей информации с инфраструктуры (мониторинг), её анализ и своевременная автоматическая реакция, направленная на предупреждение возникновения и развития аварийных ситуаций (рис. 1).

Повышение наблюдаемости электрических сетей является наиболее приоритетной задачей для реализации концепции Smart Grid. Решением связанных с этой задачей вопросов занимаются многие компании и научные организации по всему миру. В основном предлагаемые и реализуемые технологии касаются различных объектов генерации электрической энергии, а также узлов её преобразования и потребления. При этом технологии транспортировки достаточно развиты только в части кабельных линий. Мониторинг протяжённых воздушных линий электропередач — задача наиболее сложной реализации. Однако именно её решение потенциально приводит к значительному экономическому эффекту, ввиду большой протяжённости линий и возможности своевременного реагирования на воздействие природных факторов, например, гололёдообразование, которое является наиболее критичной проблемой для многих ВЛ в России и мире.

Гололедообразование на линиях электропередач

Значительная часть регионов России подвержена сильным гололёдно-изморозевым отложениям на проводах и грозозащитных тросах. Особенно остро проблема стоит в южных регионах в районе Чёрного моря и Кавказа, на Урале, в северных регионах Красноярского края и на Дальнем Востоке (рис. 2). С образованием гололёда на линиях электропередач сталкиваются многие страны мира, имеющие горные массивы, такие как Альпы, а также с высокой влажностью и регулярными температурами ниже нуля градусов по Цельсию.

Рис. 2. Районирование территории России по уровню гололёда

Толщина гололёда на проводах может достигать 50–70 мм, существенно утяжеляя их. В ряде случаев масса увеличивается в 10–15 раз, что может приводить к обрыву проводов и поломке опор. При сочетании гололёдообразования с сильным ветром возможна пляска проводов и недопустимо близкое их сближение. Динамические нагрузки разрушают изоляторы и металлическую сцепную арматуру.

Подобные аварии приводят к значительному экономическому ущербу, а устранение последствий занимает значительное время.

Способы борьбы с образованием гололеда на проводах

Наиболее распространёнными методами борьбы с гололёдообразованием являются способы, направленные на борьбу с последствиями. В частности, одним из самых популярных способов в России является механическое удаление гололёда сбиванием, которое осуществляется с помощью длинных шестов. Такой способ требует большого количества рабочих и занимает много времени.

Возможно электротермическое удаление льда, когда провода нагреваются электрическим током — плавка гололеда на проводах. Ток сети ЛЭП искусственно повышается до такой величины, при которой выделяемой теплоты достаточно для расплавления льда. В России разработан целый ряд специальных блоков и схем, которые позволяют удалить лёд с проводов.

Оптическое волокно как распределённый датчик

Оптическое волокно может использоваться не только для передачи данных, но и как протяжённый чувствительный элемент, который способен измерять температуру, «слышать» акустические сигналы, а также измерять собственное удлинение буквально в каждой точке по всей длине.

Для этого специальные приборы с лазерным источником посылают оптический импульс в волокно и на основе обратного рассеяния сигнала способны детектировать различные события одновременно по всей длине линии.

Данные технологии на сегодняшний день достаточно широко известны и применяются в самых разнообразных отраслях: детектирование утечек вдоль трубопроводов, контроль состояния тоннелей, дамб, измерение температуры вдоль подземной кабельной линии, пожарное оповещение и т. д.

Применение оптического волокна в качестве распределённого датчика контроля напряжённого состояния проводов открывает большие перспективы для концепции Smart Grid, значительно повышая наблюдаемость и возможности своевременного реагирования на нештатные ситуации, возникающие на линии электропередач.

Схема работы системы предупреждения гололёдообразования на линиях электропередач

Система должна непрерывно измерять удлинение провода или грозозащитного троса по всей линии и пересчитывать его в соответствующие нагрузки. При начале гололёдообразования нагрузки постепенно увеличиваются, в результате чего система детектирует начало этого процесса, своевременно включая плавку гололёда. Таким образом образование льда или налипание снега останавливается, не приводя к возникновению аварийной ситуации. Потенциально система, которая работает соответствующим образом, позволяет не допускать возникновения нагрузок, значительно превышающих среднеэксплуатационные. Это увеличивает срок службы проводов, грозозащитных тросов, опор и других элементов инфраструктуры, а также обеспечивает возможность применения их более лёгких модификаций.

Задача по определению начала гололёдообразования на ЛЭП сводится к следующим подзадачам:

1. Использовать оптические волокна в грозозащитных тросах и проводах. На сегодняшний день достаточно широко применяются оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос (ОКГТ). В меньшей степени известны оптические кабели, встроенные в фазный провод (ОКФП).
2. Сохранить срок службы волокна внутри провода/троса. Нельзя превышать уровень механического удлинения волокна больше допустимого предела.
3. Обеспечить удлинение волокна вместе с удлинением провода или грозозащитного троса.
4. Использовать комплексы на основе DAS или BOFDA/BOFDR для измерения величины удлинения волокна, а, следовательно, и провода/троса в каждой точке по всей длине линии.
5. Обеспечить реакцию системы на начало увеличения относительного удлинения провода/троса при повышении нагрузок от налипающего снега или гололёдообразования путём включения тока плавки.

В данной статье рассмотрим решение первых трёх подзадач, касающихся возможности применения оптического волокна для мониторинга в проводах и грозозащитных тросах. Решение последних двух подзадач лежит в сфере программных обработок сигналов и создания соответствующих управляющих событий в системе. В целом похожие решения достаточно широко применяются в различных отраслях и могут быть внедрены в рамках данной концепции.

Характеристики и конструкция ОКФП

По своим характеристикам ОКФП должен быть ближайшим аналогом соответствующих проводов, применяемых на конкретной линии электропередач. Близкие по значениям электрические и механические характеристики обеспечивают идентичные токи, нагрузки, стрелы провеса и габариты вместе с обычными проводами, подвешенными в соседней цепи (при наличии) и фазах.

В случае большой разницы по электрическому сопротивлению возможна асимметрия системы с возникновением лишнего тока в нейтрали, вплоть до отключения защитной автоматикой.

При серьёзных отличиях механических характеристик возможно схлестывание проводов, ассиметричная нагрузка на опоры, несоблюдение габаритов провода до земли.

В России основным документом определяющим применение ОКФП на ЛЭП является стандарт организации ПАО «Россети» СТО 56947007- 33.180.10.176-2014 «Оптический кабель, встроенный в фазный провод, натяжные и поддерживающие зажимы, муфты для организации ВОЛС-ВЛ на линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше. Общие технические условия».

Стандартом организации определено, что ОКФП должен соответствовать государственному стандарту 839-80 «Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия», и при этом отклонение электрического сопротивления допускается не более, чем на 5% от фазного провода, аналогом которого он является.

Заводом Инкаб разработана целая линейка конструкций ОКФП с различными характеристиками, в том числе аналоги популярных проводов марки АС, применяемых на ЛЭП в Российской Федерации с сечением алюминиевой части 120, 150, 185, 240, 300 и более мм². При этом стальная трубка (оптический модуль) может содержать до 48 оптических волокон, а в ряде случаев и до 96 волокон (при необходимости). Оптический модуль может располагаться в качестве центрального элемента, а также в первом повиве вместе со стальными проволоками. Проволоки из алюминиевого сплава располагаются во внешних повивах.

Эскизы конструкций приведены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Эскиз кабеля ОКФП с оптическим модулем в центре

Рис. 4. Эскиз кабеля ОКФП с оптическим модулем в первом повиве

Наиболее важными характеристиками для механического расчёта линии на основе ОКФП являются модули упругости:

• конечный,
• монтажный (начальный),
• после вытяжки.

При монтаже и выставлении монтажных стрел провеса ОКФП растягивается по начальному модулю упругости. При достижении максимально допустимой растягивающей нагрузки в гололёд с ветром, ОКФП не сжимается упруго в первоначальное состояние. После снятия нагрузки всегда будет присутствовать некоторое остаточное удлинение, а зависимость удлинения от нагрузки будет описываться конечным модулем упругости. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит необратимая вытяжка провода, которая описывается модулем упругости после вытяжки (рис. 5).

Монтажный модуль упругости и модуль упругости после вытяжки являются нелинейными и описываются полиномами 4-ой степени. Учёт всех механических характеристик требует применения сложных численных методов и, как правило, решается с помощью специального программного обеспечения, например PLS-CADD.

Рис. 5. Графики зависимости удлинения ОКФП от нагрузки при различных условиях

Традиционные ОКГТ или ОКФП рассчитываются таким образом, чтобы волокно при воздействии нагрузок на провода и тросы практически не подвергалось удлинению. Это связано с обеспечением надёжности и сохранением срока службы волокна, которые могут уменьшаться при превышении безопасных пределов удлинения.

Достигается это следующими способами:

• в оптическом модуле волокно находится с некоторой рассчитанной избыточной длиной, таким образом, при растяжении кабеля волокно сначала распрямляется и только затем подвергается удлинению. Избыточная длина волокна в модуле закладывается при его изготовлении и может варьироваться в достаточно широких пределах;
• в оптическом модуле, расположенном в повиве, волокно имеет «запас» по удлинению за счёт скрутки. Удлинение такого кабеля приводит к тому, что волокна, расположенные в центре модуля, начинают смещаться к внутренней поверхности модуля ближе к центру скрутки (рис. 6).

Рис. 6. Изменение положения волокна при удлинении кабеля

Допустимый запас определяется следующей формулой:

где,

• R — радиус скрутки,
• S — шаг скрутки,
• ΔR — зазор между оптическим волокном и внутренней стенкой модуля.

Увеличивая радиус скрутки и зазор (внутреннее пространство модуля), а также уменьшая шаг скрутки, можно получить большее допустимое удлинение кабеля без механического напряжения волокна. При этом шаг скрутки не должен быть меньше определённой величины, определяемой минимальным радиусом кривизны волокна за счёт спиральной скрутки модулей.

Надёжность и срок службы оптического волокна

Так как в течение эксплуатации ОКФП подвергается постоянным, но различным по величине, механическим нагрузкам и удлинениям, то при оценке срока службы необходимо учитывать надёжную работу и срок службы оптического волокна внутри провода. Удлинение волокна больше безопасного предела может сокращать его срок службы вследствие появления и роста микротрещин в стекле.

В связи с этим, для возможности использования волокна в качестве распределённого датчика образования гололёда необходимо решать две противоположные задачи: с одной стороны, волокно должно удлиняться при начале процесса гололёдообразования с целью детектирования этого процесса с помощью программно-аппаратных комплексов, с другой стороны, волокно не должно удлиняться больше безопасного предела, обеспечивающего безобрывное состояние волокна в течение всего срока службы.

Формула срока службы волокна

Степенной закон для роста микротрещин возникает в рамках хорошо проверенной эмпирически модели поведения механических дефектов на поверхности хрупких тел при приложении растягивающей нагрузки.

После ряда упрощений уравнение можно представить в виде зависимости от параметра роста трещины (коррозионная стойкость) n, механического напряжения в течение срока службы кабеля s, времени воздействия этого напряжения t, механического напряжения при перемотке волокна s₀ – так называемый proof-test при производстве оптического волокна, позволяющий исключить наличие трещин больше определённого размера в прошедшей тест длине волокна.

Компания Corning в своей статье «Mechanical Reliability. Applied Stress Design Guidelines» (August 2001) определяет, что нулевая вероятность обрыва волокна в течение не менее 40 лет достигается при постоянном механическом напряжении в течение всего срока службы не более 20% от натяжения при перемотке. С помощью вышеупомянутой формулы можно определить иные допустимые уровни механического напряжения и их длительность в течение срока службы. Соответствующие расчёты показывают, что допускается механическое напряжение в 28% от уровня proof-test в течение не более 10 суток или 33% в течение не более 4 часов. При этом параметр роста трещины (коррозионная стойкость) принимается равным 20.

Исходя из формулы, допускаемые механические напряжения в течение срока службы можно увеличить следующими способами:

• увеличить коррозионную стойкость волокна. На уровне производителей волокна обсуждаются предложения о существенном увеличении стандартного значения в производимых волокнах, а компания Corning имеет значительный опыт в производстве таких волокон с повышенным n;

• увеличить уровень механического напряжения при перемотке (proof-test). Стандартно поставляемое волокно для телеком-отрасли имеет уровень proof-test в 1% в течение 1 секунды. Таким образом, безобрывное состояние волокна достигается при уровне механического напряжения в 0,2% в течение всего срока службы. Также на рынке доступно волокно с уровнем proof-test в 2%. Это позволяет достичь безобрывного уровня при механическом напряжении до 0,4%.

Рабочий диапазон удлинения волокна в привязке к удлинению кабеля

Согласно вышеизложенной постановке задачи, необходимо, чтобы оптическое волокно подвергалось удлинению при возникновении ненормативного состояния ВЛ, а именно в начале процесса гололёдообразования. При этом уровень удлинения волокна не должен превышать безопасно допустимый. С другой стороны, при воздействии нормативных нагрузок на провод или трос, в стационарных режимах эксплуатации ВЛ, волокно можно не подвергать воздействию растягивающих нагрузок, т. к. это не является задачей системы. Следовательно, необходимо определить такой уровень механических нагрузок на провод или трос, при котором необходима реакция системы. А для всех нагрузок ниже этого уровня обеспечить отсутствие удлинения волокна в кабеле за счёт избыточной длины волокна в самом модуле или наличия скрутки в повиве.

Пример расчёта

Рассмотрим применение ОКФП 100/52 с 16 оптическими волокнами (рис. 7) в проекте с пролётами до 500 м в 3-й зоне по гололёду и ветру.

Рис. 7. Эскиз ОКФП 100/52-16 G.652D

Для монтажа ОКФП с 2% стрелой провеса, согласно расчётам, потребуется 499,83 м начальной длины, как если бы он лежал на земле в ненагруженном состоянии. После наибольшей нагрузки в условиях гололёда с ветром, длина ОКФП составит 502,00 м, что составляет 0,43% относительного удлинения или 502,01 м (0,44%) в режиме наибольшей нагрузки после реализации ползучести. При этом стрела провеса будет достигать 19,43 м (3,89%).

Относительное удлинение ОКФП после монтажа будет в пределах 0,1–0,26% в зависимости от температуры. А после реализации вытяжки или режима наибольшей нагрузки, относительное удлинение ОКФП в нормальном состоянии будет находиться в пределах 0,12–0,33% (табл. 1).

Таблица 1. Относительное удлинение ОКФП в разных режимах

Классическая конструкция данного ОКФП предполагает наибольшее допустимое удлинение в 0,7%, которое складывается из избыточной длины волокна в модуле в 0,3%, «запасе» по скрутке в 0,2% и безопасном удлинении самого волокна в 0,2%.

Исходя из данного конкретного проекта с максимальным пролётом и возникающими в нём нагрузками, необходимо решить задачу от обратного: при температурах близких к 0 градусов относительное удлинение кабеля составляет приблизительно 0,16%. Таким образом, волокно должно начать удлиняться при удлинении кабеля выше 0,2%, которое является точкой отсчёта при начале процесса гололёдообразования. Этого значения возможно достичь, полностью исключив избыточную длину волокна в модуле. Следовательно, ОКФП 100/52 с нулевой избыточной длиной волокна в модуле становится возможным применять в системах мониторинга. При соответствующих погодных условиях и образовании льда на поверхности, возрастающие нагрузки приведут к удлинению волокна в модуле, что зафиксирует программно-аппаратный комплекс. При этом своевременное включение систем плавки гололёда не допустит образование чрезмерной толщины льда и превышения безопасного предела удлинения волокна в 0,2%. Однако даже при отсутствии реакции системы, максимальное удлинение ОКФП, как указано выше, составит не более 0,44%, а соответствующее удлинение волокна не превысит 0,24%, что является приемлемым уровнем при кратковременном воздействии, не превышающем несколько дней. Для обеспечения дополнительной безопасности, возможно применение волокна с proof-test в 2%, которое позволяет безопасно удлинять волокно до 0,4% в процессе эксплуатации.

Данный подход к расчёту необходимо применять каждый раз в конкретном проекте под конкретную конструкцию ОКФП. Это позволяет исключить ненормативное удлинение волокна в процессе эксплуатации и одновременно использовать его в качестве распределённого датчика начала гололёдообразования.

Практический эксперимент

В мае 2021 года Заводом Инкаб совместно с компанией «Т8-сенсор» были произведены практические испытания с целью определения возможности использования оптического волокна в качестве распределённого датчика для контроля начала удлинения.

В данной конструкции ОКФП волокно было зафиксировано без избыточной длины в специальных компактных стальных модулях, расположенных между проволоками первого повива (рис. 8).

Рис. 8. Эскиз экспериментального ОКФП

Расчётное максимальное удлинение такого кабеля не превышает 0,4%, что позволяет использовать волокно с proof-test 2%, без возникновения угрозы его обрыва в течение всего срока службы.

ПАК «Дунай», который классически используется для акустического мониторинга (DAS), в данном эксперименте был опробован в режиме контроля изменения длины волокна (DΔTSS). Для контроля сходимости полученных результатов дополнительно использовались бриллюэновский рефлектометр (BOFDR) и бриллюэновский анализатор (BOFDA).

На испытательном полигоне на Заводе Инкаб (рис. 9) с пролётом в 100 м были сымитированы гололёдные нагрузки путём подвеса соответствующих грузов, равномерно распределённых по пролёту.

Рис. 9. Испытательный полигон на Заводе Инкаб

По результатам эксперимента сделаны выводы, что аппаратным комплексом уверенно фиксируются нагрузки на данную конструкцию ОКФП величиной от 100 кг (рис. 10)

Рис. 10. Фиксация нагрузки на ОКФП с течением времени различными приборами

Дополнительно отмечено, что ПАК «Дунай» предоставляет значительно большую детализацию изменений в растяжении оптического волокна, чем DSS, выдавая сигнал с периодом в 1 секунду, вместо усреднения по 10 минутам для DSS, что позволяет анализировать быстропротекающие события, такие как нагрузка и снятие нагрузки с троса.

Заключение

В настоящее время во всём мире наблюдается повышенный интерес к возможностям использования оптического волокна в качестве распределённых датчиков. При этом протяжённые воздушные линии электропередачи являются наиболее привлекательными, но и наиболее сложными проектами с точки зрения реализации. Разработанные заводом Инкаб современные конструкции оптических кабелей, встроенных в фазный провод, показывают возможность их применения на объектах энергетики, с соблюдением безопасных нагрузок на оптическое волокно в течение всего срока эксплуатации и одновременным детектированием начала потенциально опасных процессов, таких как гололёдообразование на проводах. Возможность изготовления конструкций под конкретные проекты с заданными характеристиками по удлинению и применение волокна с proof-test 2% позволяет сохранять высокий уровень надёжности линий и при этом существенно увеличивает их наблюдаемость в реальном времени, решая одну из главных задач концепции Smart Grid.