Терминал контроля технического состояния опор воздушной линии электропередачи
Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована для дистанционного мониторинга технического состояния опор воздушной линий электропередачи (ВЛ). Технический результат полезной модели - повышение надежности и удобства эксплуатации. Система содержит размещенные на опоре один или несколько датчиков (1-4), которые выполнены оптоволоконными на основе брэгговских решеток и связаны с удаленным терминалом (8) оптоволоконной линией (6). Терминал (8) содержит источник (9) излучения и фотоприемник (10) подключенные к блоку (11) обработки данных, и выполнен с возможностью измерения спектральных сдвигов излучений, отраженных брэгговскими решетками, и определения показаний каждого датчика по результатам измерений. В число оптоволоконных датчиков, устанавливаемых на опоре ВЛ, могут входить: тензометрические датчики (1) силы, размещенные у основания опоры; двухосевой датчик (2) крена, выполненный на базе инклинометра или акселерометра и размещенный на верхней части стойки опоры; двухосевой датчик (3) наклона, выполненный на основе инклинометра или акселерометра и размещенный на конце траверсы опоры; тензометрический датчик (4) силы, размещенный у основания траверсы опоры. Воздушная линия электропередачи содержит подвешенные на опорах токонесущие провода и встроенный или самонесущий оптический кабель и снабжена вышеописанной системой мониторинга, использующей в качестве оптоволоконной линии (6), по меньшей мере, одно волокно указанного оптического кабеля. 2 н.п.ф., 7 з.п.ф., 2 ил.
Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована для дистанционного контроля технического состояния опор воздушной линий электропередачи (ВЛ).
Уровень техники
На опоры ВЛ помимо собственного веса воздействуют возможные смещения заделанного в грунт основания (фундамента) и эксплуатационные нагрузки (ветровые и от подвешенных проводов, тросов и/или кабелей, на которые в свою очередь воздействуют собственный вес, ветер и гололедные отложения). Стойка и траверсы опоры ВЛ реагируют на эти нагрузки как балки с одним защемленным и другим свободным концами: свободные концы стойки и траверс отклоняются, а их защемленные концы испытывают механические напряжения. Контроль технического состояния опоры состоит в постоянном мониторинге этих реакций и деформаций конструкции.
Известен терминал контроля технического состояния опор ВЛ, позволяющий анализировать состояние опоры по показаниям размещенных на опоре датчиков [Rodrigo Ataide etc. Sensor Network for Structural Health Monitoring: Online Monitoring of Transmission Line Towers. Proceedings of 11th Microelectronics Student Forum, Joáo Pessoa, Brazil, 2011]. Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Датчики, показания которых определяет прототип, представляют собой электронные приборы с электрическими выходными сигналами. Средства связи датчиков с терминалом включают местный электронный модуль, который нормирует и оцифровывает сигналы датчиков, установленных на одной опоре, объединяет полученные данные в единый цифровой поток и, используя беспроводный доступ в сеть Интернет, передает собранные данные на удаленный терминал.
При использовании прототипа необходимо размещать на опорах ВЛ не только сами электронные датчики, но и средства первичной обработки информации и беспроводной передачи данных наземному терминалу, т.е. сложное электронное оборудование, требующее электропитания (от провода ВЛ или от аккумулятора), что повышает вероятность отказов, усложняет обслуживание и, следовательно, снижает надежность контроля.
Недостаток прототипа - пониженная надежность контроля, а также неудобство эксплуатации, обусловленное необходимостью поддерживать рабочее состояние размещенных на опоре электронных модулей и средств их электропитания.
Раскрытие полезной модели
Заявляемый терминал в отличие от прототипа способен контролировать состояние опоры с помощью размещенных на ней одного или нескольких оптоволоконных датчиков состояния опоры, выполненных на основе брэгговских решеток и связаных с терминалом оптоволоконной линией.
Для этого терминал содержит источник излучения и фотоприемник, подключенные к блоку обработки данных, и выполнен с возможностью измерения спектральных сдвигов излучения, отраженного брэгговскими решетками оптоволоконных датчиков состояния опоры, размещенных на опоре и связаных оптоволоконной линией с источником излучения и фотоприемником, при этом блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний каждого датчика по результатам измерений.
Эта совокупность признаков, неизвестная из уровня техники, обеспечивает повышение надежности и удобства контроля технического состояния опор ВЛ.
Указанный технический результат обусловлен тем, что предлагаемое устройство обеспечивает контроль состояния опор ВЛ без размещения на них сложного электронного оборудования и средств его электропитания. Кроме того, в случае применения предлагаемого технического решения для мониторинга опор воздушной линии, оснащенной оптическим кабелем связи, имеющим свободные волокна, существенно упрощается монтаж средств контроля на линии.
Полезная модель имеет уточняющие и дополняющие развития, состоящие в том, что:
- блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний оптоволоконного тензометрического датчика силы, размещенного у основания опоры;
- блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний оптоволоконного датчика крена, выполненного на основе инклинометра или акселерометра;
- блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний оптоволоконного датчика наклона, выполненного на базе инклинометра или акселерометра;
- блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний тензометрического оптоволоконного датчика силы, размещенного у основания траверсы опоры;
- блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний оптоволоконного датчика температуры;
- блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний нескольких оптоволоконных датчиков с несовпадающими спектрами отражения брэгговских решеток связаны с удаленным терминалом одним волокном оптоволоконной линии;
- к источнику излучения и фотоприемнику подключен дополнительно введений оптический переключатель, предназначенный для связи с несколькими волокнами оптоволоконной линии, в каждое из которых встроен, по меньшей мере, один оптоволоконный датчик состояния опоры.
Краткое описание фигур
Фиг. 1 показаны примеры размещения на стойке и траверсах опоры ВЛ датчиков контроля ее состояния. На фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая устройство и работу заявляемой полезной модели.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитий
На фиг. 1 показаны: 1 - тензодатчики силы, установленные у основания опоры (например, на нижних поясах ее решетчатой стойки), 2 - двухосевой датчик крена, установленный в верхней части стойки опоры, 3 - двухосевой датчик наклона траверсы, установленный на ее конце, и 4 - тензодатчик силы, установленный у основания траверсы. Датчики 3 и 4 могут быть установлены на каждой траверсе контролируемой опоры.
Все датчики 1-4 выполнены оптоволоконными на основе брэгговских решеток, которые нанесены на участки оптоволокна, служащие чувствительными элементами датчиков.
Чувствительные элементы тензодатчиков 1 и 4 закреплены непосредственно на соответствующих элементах опоры и воспринимают их деформации.
Датчики 2 и 3 выполнены на базе инклинометров или акселерометров, имеющих элемент конструкции, упруго изгибающийся под действием веса груза (в инклинометрах) или инертной массы (в акселерометрах). Чувствительные элементы с брэгговскими решетками устанавливаются в датчиках 2 и 3 так, чтобы воспринимать деформацию упругого элемента при его изгибе по двум координатным осям [Fiber Bragg Grating Sensors. Research Advancements, Industrial Applications and market Exploitaton. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Bentham Science Publishers, 2011. ISBN: 978-1-60805-343-8, стр. 148-150].
На схеме фиг. 2, в качестве примера осуществления системы показаны три группы 5 из оптоволоконных датчиков 1-4, размещенные на контролируемых опорах ВЛ. Датчики 1-4 всех групп 5, встроены своими чувствительными элементами в оптоволоконную линию 6, которая может быть образована, например, частью волокон оптического кабеля связи, подвешенного на ВЛ. Встраивание датчиков в волокна линии 6 может осуществляться с помощью размещаемых на опорах подвесных оптических муфт 7.
Линия 6 связывает датчики 1-4 всех контролируемых опор ВЛ с удаленным наземным терминалом 8, позволяющим анализировать состояние каждой опоры по показаниям размещенных на ней датчиков. Для этого терминал 8 содержит источник 9 лазерного излучения и фотоприемник 10, подключенные своими входом и выходом соответственно к программируемому блоку 11 обработки данных.
Оптоволоконная линия 6 подведена к выходу источника 9 и входу фотоприемника 10 через циркулятор (или направленный ответвитель) 12, а также (в случае использования в ней нескольких оптических волокон) через оптический переключатель 13.
Программа, под управлением которой работает блок 11, позволяет терминалу 8 измерять спектральные сдвиги излучений, отражаемых брэгговскими решетками датчиков 1-4, и по результатам измерений расчетным путем определять показания соответствующих датчиков.
Показаниями датчика 2 являются углы крена по двум осям, лежащим в горизонтальной плоскости, показаниями датчика 3 - углы наклона по двум осям, лежащим в вертикальной плоскости, а показаниями датчиков 1 и 4 сила растяжения-сжатия, деформирующая соответствующий элемент конструкции.
В линию 6 могут быть также встроены группы 14 оптоволоконных датчиков, используемых для контроля состояния подвешенных на опорах ВЛ проводов, грозотросов или кабелей.
В линию 6 могут быть встроены датчики 15 температуры - участки оптоволокна с брегговскими решетками, размещаемые на контролируемой опоре (например, на конструктивных элементах датчиков 1-4) или вблизи нее (например, на конструктивных элементах датчиков группы 14) так, чтобы исключить восприятие ими других факторов, деформирующих оптоволокно, кроме температуры. Датчики 15 используются для компенсации температурной погрешности спектральных сдвигов излучения, отражаемого брэгговскими решетками других датчиков.
Все чувствительные элементы с брэгговскими решетками, встроенные в одно волокно линии 6, имеют собственную (несовпадающую с другими, встроенными в то же волокно линии 6) брэгговскую длину волны и, следовательно свой спектр отраженного излучения.
Система работает следующим образом
Переключатель 13 под управлением блока 11 поочередно связывает циркулятор 12 с несколькими волокнами оптоволоконной линии 6, в каждое из которых встроен, по меньшей мере, один из оптоволоконных датчиков.
Лазерный источник 9 под управлением блока 11 излучает широкополосное излучение, которое через циркулятор 12 поступает в очередное волокно линии 6, подключенное переключателем 13.
Далее это излучение проходит по оптоволоконной линии 6 вдоль контролируемой ВЛ по всем встроенным в данное волокно датчикам 1-4 групп 5, датчикам групп 14, датчикам 15. Отраженное брэгговскими решетками каждого датчика излучение возвращается обратно и через переключатель 3 поступает на циркулятор 12, который препятствует попаданию в источник 9 отраженного излучения и ответвляет его на фотоприемник 10. Каждый участок волокна с брэгговской решеткой, используемый в качестве чувствительного элемента оптоволоконного датчика, отражает излучение на своей брэгговской длине волны. Излучения с другой длиной волны проходят через такой участок, не отражаясь от его брэгговской решетки. Деформация оптоволокон изменяет брэгговскую длину волны их решеток и, тем самым, сдвигает длину волны (и, соответственно, частотный спектр) отражаемого ими излучения.
Спектр отраженного излучения, принимаемого фотоприемником 10, имеет пики мощности на частотах, отражаемых брэгговскими решетками всех датчиков, встроенных в одно волокно линии 6. Блок 11 принимает и оцифровывает выходной сигнал фотоприемника 10, соответствующий суммарному отраженному спектру всех датчиков, и, используя метод частотного разделения, выделяет спектральные пики излучения, отраженные каждым чувствительным элементом датчиков. Затем блок 11 определяет спектральный сдвиг (от исходного значения) каждого выделенного спектрального пика и вычисляет деформации оптоволокна и конструктивных элементов, соответствующие этим сдвигам. По вычисленным деформациям блок 11 определяет показания соответствующих датчиков (в том числе углы крена стоек опор и углы наклона их траверс, измеряемые двухосевыми датчиками 2 и 3, деформирующие силы, измеряемые датчиками 1 и 4, температуру, измеряемую датчиками 15).
Совместный анализ этих данных используется для контроля состояния опор ВЛ в режиме реального времени.
Если ВЛ имеет встроенный, (например, в грозотрос ВЛ) или подвешенный на ее опорах самонесущий оптический кабель 16, то монтируемая на ВЛ, система мониторинга может использовать в качестве оптоволоконной линии 6 часть волокон кабеля 16, поочередно подключаемых к терминалу 8 оптическим переключателем 13.
Как видно из изложенного, применение полезной модели позволяет обеспечить контроль технического состояния опор без размещения на ВЛ сложного электронного оборудования и средств его электропитания. Единственный источник электропитания, необходимый для осуществления контроля состояния опор, питает наземный терминал 8.
Промышленная применимость
Для осуществления полезной модели используется проверенный физический принцип измерения деформации в нескольких точках контролируемого объекта с помощью оптических волокнон с нанесенными брэгговскими решетками, отражающими свет на разных резонансных длинах волн [см. например, патент RU 2319988, а также «Квантовая электроника», 35, 
12, 2005, стр. 1085-1103, «Обзор. Волоконные решетки показателя преломления и их применение»].
Необходимые для выполнения датчиков 2 и 3 двухосевые оптоволоконные (на основе брэгговских решеток) инклинометры или акселерометры описаны, например, в источнике [Fiber Bragg Grating Sensors. Research Advancements, Industrial Applications and market Exploitaton. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Bentham Science Publishers, 2011. ISBN: 978-1-60805-343-8, стр. 148-150] и представлены на российском рынке, например, по ссылке http://www.nevatec.ru/tensometria/index.htm.
1. Терминал контроля технического состояния опор воздушной линии электропередачи, содержащий источник излучения и фотоприемник, подключенные к блоку обработки данных, и выполненный с возможностью измерения спектральных сдвигов излучения, отраженного брэгговской решеткой, по меньшей мере, одного оптоволоконного датчика состояния опоры, размещенного на опоре и связанного оптоволоконной линией с источником излучения и фотоприемником, при этом блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний датчика по результатам измерений.
2. Терминал по п. 1, отличающийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний оптоволоконного тензометрического датчика силы, размещенного у основания опоры.
3. Терминал по п. 1, отличающийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний оптоволоконного датчика крена, выполненного на основе инклинометра или акселерометра и размещенного на верхней части стойки опоры.
4. Терминал по п. 1, отличающийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний оптоволоконного датчика наклона, размещенного на конце траверсы опоры.
5. Терминал по п. 1, отличающийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний оптоволоконного датчика силы, размещенного у основания траверсы опоры.
6. Терминал по п. 1, отличающийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний оптоволоконного датчика температуры.
7. Терминал по п. 1, отличающийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью определения показаний нескольких оптоволоконных датчиков с несовпадающими спектрами отражения, связанных с источником излучения и фотоприемником одним волокном оптоволоконной линии.
8. Терминал по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что к источнику излучения и фотоприемнику подключен дополнительно введеный оптический переключатель, предназначенный для связи с несколькими волокнами оптоволоконной линии, в каждое из которых встроен, по меньшей мере, один оптоволоконный датчик состояния опоры.
