Волоконно-оптический измеритель тяжения, устройство контроля состояния элементов воздушной линии электропередачи с таким измерителем тяжения и воздушная линия электропередачи, оснащенная таким устройством контроля

Группа полезных моделей относится к дистанционному контролю и предназначена для дистанционного измерения тяжения - растягивающей нагрузки протяженного элемента конструкции, закрепленного на опоре воздушной линии электропередачи (провода, грозозащитного троса, кабеля или закрепленной на опоре оттяжки). Технический результат - повышение надежности, благодаря исключению необходимости электропитания датчиков, установленных вдоль ВЛ. упрощение монтажа устройства контроля ВЛ, оснащенной оптическим кабелем связи, а также увеличение достоверности контроля благодаря повышению чувствительности датчиков деформации и компенсации их температурной погрешности. На промежуточном звене (2), с помощью которого контролируемый элемент закреплен на опоре ВЛ, размещен измеритель (4) тяжения. Измеритель (4) включает тензометрический датчик (5) и датчик (6) температуры, представляющие собой отрезки оптического волокна с нанесенными брегговскими решетками. Датчики (5) и (6) введены с помощью оптической муфты (9) в оптический тракт свободного от сигналов связи волокна (8) оптического кабеля (3). Датчик (5) установлен с возможностью восприятия продольной деформации звена (2), а датчик (6) с возможностью не воспринимать продольную деформацию эвена (2). Лазерный источник (10) и фотоприемник (11) подключены входом и выходом соответственно к блоку обработки и хранения данных. Выход источника (10) и вход фотоприемника (11) связаны через оптический циркулятор (13) и оптический переключатель (14) с несколькими волокнами (8). Блок (12) выполнен с возможностью вычисления температуры и температурно-компенсированного значения тяжения по данным, полученным с датчиков (5) и (6). Анализ спектра излучения, отраженного брегговскими решетками измерителей (4), введенных в волокно (8), позволяет контролировать состояния элементов ВЛ. 3 н.п.ф., 3 з.п.ф., 2 ил.

Область техники

Группа полезных моделей относится к дистанционному контролю (мониторингу) воздушных линий электропередачи (ВЛ) и предназначена для дистанционного измерения тяжения - растягивающей нагрузки протяженного элемента конструкции, закрепленного на опоре воздушной линии электропередачи (провода, грозозащитного троса, кабеля или закрепленной на опоре оттяжки), и определения его состояния (могут быть, в частности определены гололедная нагрузка, циклические нагрузки, вызванные вибрацией, пляской и др.).

Уровень техники

Известен измеритель тяжения, содержащий тензометрический датчик, установленный с возможностью восприятия растягивающих усилий, воздействующих на элемент крепления провода к траверсе опоры ВЛ, и средство связи указанного тензометрического датчика с наземным терминалом [T. Seppa et all. Use of on-line tension monitoring for real-time thermal rating, ice loads, and other environmental effects, CIGRE Session 1998, report 22-102.]. Это устройство выбрано в качестве прототипа предлагаемого измерителя тяжения.

В устройстве-прототипе тензометрический датчик выполнен на основе тензорезистора, а его связь с наземным терминалом осуществляется с помощью радиосредств.

Недостаток прототипа состоит в том, что на элементах сцепной арматуры или опоры ВЛ необходимо размещать источник электропитания тензометрического датчика и средств его связи с наземным терминалом (например, аккумулятор, заряжаемый солнечной батареей). Это повышает вероятность отказов устройства и, следовательно снижает надежность оценки состояния контролируемого элемента ВЛ (провода, грозотроса, кабеля или оттяжки).

В качестве прототипа заявляемого устройства контроля, выбрана оптоволоконное мультисенсорное устройство, состоящее из оптически связанных источника излучения (лазера), оптического волокна с распределенными по нему точечными датчиками на основе волоконных брэгговских решеток (БР), отражающих свет на разных резонансных длинах волн, волоконного светоделительного устройства и анализатора спектра, которым служит фотоприемник [патент RU 2319988].

Согласно этому патенту использование стандартного тонкого оптоволокна не обеспечивает прочность используемых в прототипе точечных датчиков. Устранить этот недостаток точечных датчиков в прототипе предлагается за счет применения более толстого оптоволокна с большим диаметром сердцевины вместо стандартного оптоволокна, используемого в оптических кабелях связи.

Однако увеличение диаметров волокна и его сердцевины снижает чувствительность датчиков к деформации элемента, воспринимающего усилие, и сокращает дальность передачи оптического сигнала из-за увеличения удельных потерь, что особенно существенно в случае протяженных ВЛ.

Кроме того, точечные датчики, согласно прототипу, это датчики деформации/температуры, а вопрос разделения измерений деформации и температуры (с исключением их взаимной погрешности) в устройстве-прототипе не решен.

Таким образом, применение изобретения по патенту RU 2319988 для контроля состояния элементов ВЛ, во-первых, требует прокладки вдоль ВЛ контрольного оптического кабеля с увеличенной толщиной и большим удельным затуханием волокон (даже в тех случаях, когда ВЛ оснащена оптоволоконным кабелем связи), а во-вторых, не обеспечивает необходимую чувствительность волоконно-оптических датчиков деформации, компенсацию их температурной погрешности и, следовательно, достоверность контроля.

Раскрытие группы полезных модели

Технический результат первой предлагаемой полезной модели (измерителя тяжения) - повышение надежности, благодаря исключению необходимости электропитания датчиков, установленных вдоль ВЛ. Технический результат второй полезной модели заявляемой группы (устройства контроля) - упрощение монтажа устройства контроля ВЛ, оснащенной оптическим кабелем связи, поскольку в этом случае не требуется прокладки дополнительного оптического кабеля для контроля, а также увеличение достоверности контроля, благодаря повышению чувствительности датчиков деформации и компенсации их температурной погрешности.

Предметом первой полезной модели является измеритель тяжения протяженного элемента конструкции, закрепленного на опорах воздушной линии электропередачи, оснащенной многоволоконным оптическим кабелем, содержащий промежуточное звено, которым указанный элемент конструкции закреплен на опоре, тензометрический датчик, установленный с возможностью восприятия продольной деформации указанного промежуточного звена, и средство соединения тензометрического датчика с наземным терминалом, отличающийся тем, что тензометрический датчик выполнен в виде отрезка оптоволокна с нанесенными брегговскими решетками, а средство соединения с наземным терминалом - в виде монтажного отрезка оптического кабеля, подсоединенного к тензометрическому датчику для его введения в оптический тракт свободного волокна многоволоконного оптического кабеля.

Первая полезная модель имеет развития, состоящие в том, что:

- тензометрический датчик установлен вдоль указанного промежуточного звена;

- измеритель снабжен датчиком температуры, выполненным в виде отрезка оптоволокна с нанесенными брегговскими решетками, введенного в указанный оптический тракт и установленного с возможностью невосприятия деформации указанного промежуточного звена, причем спектры излучения, отражаемого брегговскими решетками датчика температуры и тензометрического датчика, сдвинуты относительно друг друга.

Предметом второй полезной модели, для использования в которой предназначена первая полезная модель, является устройство контроля состояния, по меньшей мере, одного протяженного элемента конструкции, закрепленного на опоре воздушной линии электропередачи, оснащенной многоволоконным оптическим кабелем, содержащие лазерный источник широкополосного излучения и фотоприемник отраженных оптических сигналов, подключенные к блоку обработки и хранения данных и связанные через оптический циркулятор, по меньшей мере, с одним свободным волокном оптического кабеля, в которое посредством подвесной оптической муфты введен, по меньшей мере, один вышеописанный измеритель, при этом блок обработки и хранения данных выполнен с возможностью вычисления температуры и температурно-компенсированного значения тяжения по данным, полученным с датчиков измерителя.

Вторая полезная модель имеет развитие, состоящие в том, что устройство снабжено оптическим переключателем, поочередно связывающим оптический циркулятор с несколькими свободными волокнами оптического кабеля, в которые посредством подвесных оптических муфт введены вышеописанные измерители.

Кроме того, предметом полезной модели является воздушная линия электропередачи, оснащенная многоволоконным оптическим кабелем и устройством контроля состояния, по меньшей мере, одного протяженного элемента, закрепленного на ее опоре, отличающаяся тем, что указанное устройство контроля состояния выполнено согласно второй полезной модели.

Осуществление группы полезных моделей с учетом развитии

На фиг.1 изображен фрагмент линии электропередачи, оснащенной оптическим кабелем, часть волокон которого используется для передачи сигналов связи, и измерителем тяжения (в качестве примера представлен случай, когда контролируется тяжение провода ВЛ).

На фиг.2 представлена схема устройства контроля.

На фигурах показаны:

- провод 1, подвешенный с помощью гирлянды изоляторов и промежуточного звена 2 к траверсе опоры ВЛ, оснащенной многоволоконным оптическим кабелем 3;

- измеритель 4 тяжения;

- тензометрический датчик 5, представляющий собой отрезок оптического волокна с нанесенными брегговскими решетками, установленный с возможностью восприятия продольной деформации звена 2, например, вдоль него;

- датчик 6 температуры, представляющий собой отрезок оптического волокна с нанесенными брегговскими решетками, установленный с возможностью не воспринимать продольную деформацию звена 2, например, поперек него;

- монтажный отрезок 7 оптического кабеля;

- свободное от сигналов связи волокно 8 оптического кабеля 3, используемое для контроля элементов ВЛ;

- подвесная оптическая муфта 9.

Датчики 5 и 6 введены в оптический тракт волокна 8 с помощью монтажного отрезка 7 и муфты 9.

На фиг.2, кроме того, показаны:

- лазерный источник 10 широкополосного излучения;

- фотоприемник 11 отраженного излучения;

- программируемый блок 12 обработки и хранения данных;

- оптический циркулятор 13;

- оптический переключатель 14.

Лазерный источник 10 и фотоприемник 11 подключены входом и выходом соответственно к блоку обработки и хранения данных. Выход источника 10 и вход фотоприемника 11 связаны через оптический циркулятор 13 и оптический переключатель 14 (или оптический разветвитель) с несколькими волокнами 8 оптического кабеля 3, свободными от сигналов связи. В каждое волокно 8, используемое для контроля элементов ВЛ, введен посредством подвесной оптической муфты 9, по меньшей мере, один измеритель 4. Все брегговские решетки, нанесенные на отрезки оптоволокна датчиков 5 и 6 измерителей 4, введенных в одно или несколько волокон 8, имеют несовпадающие частоты отражения (резонансные частоты).

Измеритель 4 изготавливается следующим образом.

Датчик 5 крепится вдоль звена 2 (в качестве которого может быть использован стандартный элемент сцепной линейной арматуры, например звено промежуточное типа ПР или 2ПРР) с возможностью восприятия продольной деформации звена 2.

Датчик 6 устанавливается так, чтобы продольная деформация звена 2 на него не влияла, например, поперек звена 2. Волокна датчиков 5 и 6 соединяются своими торцами, например, с помощью сварки и накрываются защитным кожухом (на фиг.1 не показан). К другим торцам этих волокон присоединяются (например, посредством оптического разъема) волокна монтажного отрезка 7 оптоволоконного кабеля, предназначенного для введения измерителя 4 в оптический тракт свободного волокна 8 с помощью подвесной оптической муфты 9. Отрезок 7 кабеля закрепляется стандартными струбцинами типа СШ или ЗКШ на элементах опоры и сцепной арматуры, связывающей натяжную гирлянду изоляторов крепления провода с траверсой анкерной или анкерно-угловой опоры (закрепление отрезка 7 на чертежах не показано).

Элементы 10-14 устройства располагаются на наземном терминале электроподстанции, к которому подведены волокна 8 кабеля 3.

Устройство контроля работает следующим образом.

Лазерный источник 10 под управлением блока 12 формирует широкополосное излучение, которое через циркулятор 13 и переключатель 14 поступает в соответствующее волокно 8 кабеля 3. Далее это излучение через муфты 9, монтажные отрезки 7 оптического кабеля и датчики 5 и 6 измерителей 4 проходит по волокну 8 вдоль контролируемой ВЛ. Отраженное брегговскими решетками каждого измерителея 4 излучение возвращается по волокну 8 обратно и через переключатель 14 поступает на циркуляр 13, который препятствует попаданию в источник 10 отраженного излучения и ответвляет его на фотоприемник 11. Переключатель 14 под управлением блока 12 поочередно связывает циркулятор 13 с используемыми для контроля элементов ВЛ волокнами 8, в которые введены измерители 4.

Каждый измеритель 4 работает следующим образом.

Датчик 5 воспринимает продольную деформацию звена 2, которая пропорциональна воздействующим на звено 2 растягивающим усилиям, а брегговские решетки, нанесенные на волокно датчика 5, соответственно сдвигают спектр отражаемого излучения. Кроме того, датчик 5 деформируется от изменений температуры, что вносит соответствующую температурную погрешность в величину спектрального сдвига. Датчик 6 деформируется от температуры аналогично датчику 5, но не воспринимает продольную деформацию звена 2. Спектр, отражаемый брегговскими решетками датчика 6, сдвинут относительно спектра датчика 5, контролируется независимо и используется блоком 12 для компенсации температурной погрешности спектра датчика 5. При этом датчики 5 и 6 совместно функционируют как температурно компенсированный тензометрический датчик силы (измеритель тяжения, тензометр).

Спектр отраженного излучения, принимаемого фотоприемником 11, имеет пики мощности на частотах, отражаемых брегговскими решетками всех датчиков 5 и 6 измерителей 4, введенных в волокно 8. Блок 12 принимает и оцифровывает выходной сигнал фотоприемника 11, соответствующий суммарному отраженному спектру всех датчиков и, используя метод частотного разделения, выделяет спектральные пики и, определяет их частотный сдвиг для каждого из датчиков 5 и 6, введенных в оптический тракт волокна 8.

По частотному сдвигу спектрального пика, отраженного датчиком 6, блок 12 определяет значение температуры и, соответственно температурную составляющую частотного сдвига отраженного излучения датчика 5 и затем с учетом этой составляющей вычисляет температурно-компенсированное значение тяжения.

Анализ полученных значений тяжения и температуры позволяет прогнозировать состояние контролируемого элемента ВЛ (провода, грозотроса, самонесущего кабеля или оттяжки) с учетом, в частности, следующего:

- при температурах в диапазоне от 0 до -5°C существенное увеличение тяжения провода, грозтроса или кабеля свидетельствует о начале формирования гололедных отложений, а дальнейшее повышения тяжения - об увеличении гололедной нагрузки, требующем рассмотрения вопроса о проведении плавки гололеда;

- при более высоких температурах существенное уменьшение тяжения свидетельствует об удлинении объекта контроля, соответствующем нагреве провода (током нагрузки или током плавки гололеда), грозотроса (током плавки гололеда) или кабеля (окружающей средой) и об увеличении их стрел провеса в пролетах между опорами.

Применение предлагаемой группы полезных моделей повышает надежность и достоверность контроля, что позволяет снизить аварийность за счет принятия оперативных управляющих решений, соответствующих наиболее вероятному сценарию развития событий на ВЛ.

1. Измеритель тяжения протяженного элемента конструкции, закрепленного на опорах воздушной линии электропередачи, оснащенной многоволоконным оптическим кабелем, содержащий промежуточное звено, которым указанный элемент конструкции закреплен на опоре, тензометрический датчик, установленный с возможностью восприятия продольной деформации указанного промежуточного звена, и средство соединения тензометрического датчика с наземным терминалом, отличающийся тем, что тензометрический датчик выполнен в виде отрезка оптоволокна с нанесенными брегговскими решетками, а средство соединения с наземным терминалом - в виде монтажного отрезка оптического кабеля, подсоединенного к тензометрическому датчику для его введения в свободное волокно многоволоконного оптического кабеля.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что тензометрический датчик установлен вдоль указанного промежуточного звена.

3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен датчиком температуры, выполненным в виде отрезка оптоволокна с нанесенными брэгговскими решетками, введенного в оптический тракт тензометрического датчика и установленного с возможностью невосприятия деформации указанного промежуточного звена, причем спектры излучения, отражаемого брегговскими решетками датчика температуры и тензометрического датчика, сдвинуты относительно друг друга.

4. Устройство контроля состояния, по меньшей мере, одного протяженного элемента конструкции, закрепленного на опоре воздушной линии электропередачи, оснащенной многоволоконным оптическим кабелем, содержащие лазерный источник широкополосного излучения и фотоприемник отраженных оптических сигналов, подключенные к блоку обработки и хранения данных и связанные через оптический циркулятор, по меньшей мере, с одним свободным волокном оптического кабеля, в которое посредством подвесной оптической муфты введен, по меньшей мере, один измеритель по п.3, при этом блок обработки и хранения данных выполнен с возможностью вычисления температуры и температурно-компенсированного значения тяжения по данным, полученным с датчиков измерителя.

5. Устройство по п.4, снабженное оптическим переключателем, поочередно связывающим оптический циркулятор с несколькими свободными волокнами оптического кабеля, в которые посредством подвесных оптических муфт введены измерители по п.3.

6. Воздушная линия электропередачи, оснащенная многоволоконным оптическим кабелем и устройством контроля состояния, по меньшей мере, одного протяженного элемента, закрепленного на ее опоре, отличающаяся тем что устройство контроля состояния выполнено по п.4 или 5.