ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ НА ДЕФЕКТАХ ИЗОЛЯЦИИ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
FIBRE-OPTIC SYSTEM OF PARTIAL DISCHARGE CONTROL ON DEFECTS OF OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINE INSULATION

Область техники
Изобретение относится к области контроля состояния высоковольтных воздушных линий (ВЛ) и может быть использовано для контроля состояния изоляторов ВЛ.
Уровень техники
Известна система контроля частичных разрядов (ЧР) для выявления локальных дефектов изоляции ВЛ, содержащая терминал контроля, связанный с размещенными на опорах ВЛ модулями первичной обработки, в состав каждого из которых входит гребенка полосовых фильтров, подключенных входами к датчику тока, наведенного частичными разрядами в грозозащитном тросе ВЛ [опубликованная заявка US 2013/0179099]. Система-прототип сравнивает между собой интенсивности сигналов, выделяемых полосовыми фильтрами каждой гребенки, оценивает степень высокочастотного затухания выделяемых сигналов и соответствующую этому затуханию удаленность гребенки от источника ЧР (наиболее близкая к источнику ЧР гребенка имеет минимальную степень высокочастотного затухания).
В модуль первичной обработки системы-прототипа помимо гребенки полосовых фильтров входят электронные средства обработки сигналов (включая аналоговые и цифровые процессоры), оценивающие степень высокочастотного затухания сигналов, выделяемых фильтрами каждой гребенки, а также средство радиосвязи с удаленным терминалом контроля, который, сравнивая данные о степени высокочастотного затухания сигналов ЧР, выделяемых гребенками фильтров, определяет блок первичной обработки, наиболее близкий к локальному дефекту изоляции, порождающему ЧР.
Недостаток прототипа - высокое энергопотребление блока первичной обработки, необходимое, в частности, для обеспечения радиосвязи с удаленным терминалом контроля, низкая помехоустойчивость передачи данных о ЧР по радиоканалу, неудобство эксплуатации и пониженная надежность, обусловленные необходимостью поддержания рабочего состояния размещенных на опоре электронных средств обработки и радиосвязи и мощных источников их электропитания, а в случае использования аккумуляторов - необходимостью их частой подзарядки.
Раскрытие изобретения
Технический результат изобретения - снижение требований к электропитанию модулей первичной обработки, размещаемых на опорах ВЛ, и повышение надежности и информативности передачи данных от этих модулей удаленному терминалу контроля.
Предметом изобретения является система контроля частичных разрядов на дефектах изоляции воздушной линии электропередачи, содержащая размещенные на ее опорах модули первичной обработки, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один полосовой фильтр, вход которого подключен к датчику тока, наведенного в грозозащитном тросе воздушной линии частичными разрядами, а выход - к электрооптическому модулятору на основе брэгговской решетки, встроенному в оптоволоконную линию связи с терминалом контроля, при этом терминал контроля содержит подключенные к программируемому блоку обработки данных лазерный источник излучения и фотоприемник, к которым через циркулятор или направленный ответвитель подведена указанная оптоволоконная линия, и выполнен с возможностью определения спектральных сдвигов излучений, отраженных брэгговскими решетками электрооптических модуляторов, вычисления, по соответствующим спектральным сдвигам, интенсивностей выходных сигналов полосовых фильтров, сравнения вычисленных интенсивностей и выявления, по результатам сравнения, модуля первичной обработки, ближайшего к источнику частичных разрядов.
Предлагаемая система отличается от прототипа тем, что к выходу каждого полосового фильтра подключен электрооптический модулятор на основе брэгговской решетки, встроенный в оптоволоконную линию связи с терминалом контроля, при этом терминал контроля содержит подключенные к программируемому блоку обработки данных лазерный источник излучения и фотоприемник, к которым через циркулятор или направленный ответвитель подведена указанная оптоволоконная линия, и выполнен с возможностью определения спектральных сдвигов излучений, отраженных брэгговскими решетками электрооптических модуляторов, и вычисления, по соответствующим спектральным сдвигам, интенсивностей выходных сигналов полосовых фильтров.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.
Развития изобретения, относящиеся к частным случаям его реализации, состоят в том, что:
- по меньшей мере, два модуля первичной обработки содержат гребенки полосовых фильтров, а терминал контроля выполнен с возможностью сравнения выходных сигналов указанных гребенок по степени высокочастотного затухания;
- несколько электрооптических модуляторов с несовпадающими спектрами отражения брэгговских решеток встроены в одно волокно оптоволоконной линии;
- оптоволоконная линия содержит несколько волокон, в каждое из которых встроен, по меньшей мере, один электрооптический модулятор на основе брэгговской решетки, а терминал контроля снабжен оптическим переключателем, поочередно связывающим его с указанными волокнами.
Осуществление изобретения с учетом его развитий
На чертеже представлена функциональная схема заявляемой системы, которая содержит терминал контроля 1, связанный оптоволоконной линией 2 с модулями первичной обработки 3, размещенными на опорах ВЛ.
Каждый модуль 3 содержит полосовые фильтры 4, входы которых подключены к соответствующему датчику тока 5 отрезком 6 помехозащищенного кабеля. Датчик тока 5 размещен на грозозащитном тросе ВЛ с возможностью измерения тока, наведенного в тросе частичными разрядами, порождаемыми дефектами изоляции (например, дефектами изолирующих подвесок). К выходу каждого фильтра 4 подключен электрооптический модулятор 7 на основе брэгговской решетки, встроенный в оптоволоконную линию 2.
В качестве оптоволоконной линии 2 могут использоваться одно или несколько волокон оптического кабеля 8, проложенного вдоль ВЛ, подключаемых к модулям 3 с помощью монтажных муфт 9, размещаемых на опорах ВЛ. Модуляторы 7 одного модуля 3, как правило, оптически последовательно встраиваются в одно волокно линии 2. Модуляторы 7, встроенные в одно волокно оптоволоконной линии, имеют различные (несовпадающие) спектры отражения брэгговских решеток.
Терминал 1 контроля содержит источник лазерного излучения 10 и фотоприемник 11, программируемый блок 12 обработки данных, циркулятор (или направленный ответвитель) 13. Источник 10 и фотоприемник 11 подключены к блоку 12 своими входом и выходом соответственно.
Оптоволоконная линия 2 подведена к выходу источника 10 и входу фотоприемника 11 через циркулятор 13. В случае использования в линии 2 нескольких оптических волокон она подключается к циркулятору 13 через дополнительно вводимый в состав терминала 1 многоканальный оптический переключатель 14.
Программа, под управлением которой работает блок 12, позволяет терминалу 1 определять спектральные сдвиги излучений, отраженных брэгговскими решетками встроенных в линию 2 модуляторов 7, вычислять, по соответствующим спектральным сдвигам, интенсивности сигналов на выходах полосовых фильтров 4 и, сравнивая указанные интенсивности, выявлять модуль 3, ближайший к дефекту изоляции - источнику частичных разрядов.
Система работает следующим образом.
Переключатель 14 под управлением блока 12 поочередно связывает циркулятор 13 с несколькими волокнами оптоволоконной линии 2, в каждое из которых оптически встроен, по меньшей мере, один из модуляторов 7.
Лазерный источник 10 под управлением блока 12 излучает широкополосное излучение, которое через циркулятор 13 поступает в очередное волокно линии 2, подключенное переключателем 14. Далее это излучение проходит вдоль контролируемой ВЛ по подключенному волокну оптоволоконной линии 2 и по всем оптически встроенным в данное волокно модуляторам 7.
Излучения, отраженные брэгговскими решетками каждого модулятора 7, возвращаются обратно и через переключатель 14 поступают на циркулятор 13, который ответвляет их на фотоприемник 11, препятствуя попаданию отраженных излучений в источник 10. Брэгговская решетка каждого модулятора 7 отражает излучение на своей брэгговской длине волны, несовпадающей с брэгговскими длинами волн других модуляторов 7, встроенных в то же волокно линии 2. Излучения с другой длиной волны проходят через модулятор 7, не отражаясь от его брэгговской решетки.
Каждый фильтр 4, подключенный к датчику 5, выделяет и подает на соответствующий модулятор 7 токи определенного частотного диапазона, наведенные ЧР в грозозащитном тросе. В каждом модуляторе 7 электрический сигнал соответствующего фильтра 4 деформирует брэгговскую решетку, изменяя брэгговскую длину волны и, тем самым, сдвигая частотный спектр отражаемого решеткой излучения.
В качестве модуляторов 7 могут быть использованы, например, электрооптические модуляторы на основе брэгговской решетки, известные из патента RU 2248022 или статьи Goncharenko I.Α., Konojko A.I., Kuleshov V.К. Electro-optical modulator on the base of fiber Bragg gratings // Lightguides and their Applications II. - International Society for Optics and Photonics, 2004. - C. 29-36, доступной по электронному адресу http://dx.doi.org/l0.1117/12.581513.
Излучения, отраженные модуляторами 7, встроенными в волокно линии 2, подключенное переключателем 14, принимаются фотоприемником 11. Принятые излучения имеют спектральные пики мощности на частотах, отражаемых брэгговскими решетками каждого из модуляторов 7, встроенных в подключенное волокно линии 2.
Выходной сигнал фотоприемника 11 соответствует суммарному спектру принятых излучений. Блок 12 принимает и оцифровывает выходной сигнал фотоприемника 11 и, используя метод частотного разделения, выделяет спектральные пики излучения, отраженные брэгговской решеткой соответствующего модулятора 7. Затем блок 12 определяет спектральный сдвиг (от исходного значения) каждого выделенного спектрального пика и вычисляет пропорциональную сдвигу интенсивность выходного сигнала в диапазоне соответствующего фильтра 4. После этого блок 12 сравнивает вычисленные интенсивности сигналов ЧР в частотных диапазонах, выделяемых различными фильтрами 4, и по результатам сравнения выявляет ближайший к источнику ЧР (дефекту изоляции) модуль 3, в котором интенсивность выделенных сигналов (и, следовательно, токов ЧР) максимальна.
При использовании в модуле 3 гребенки полосовых фильтров блок 12 определяет степень и характер затухания токов ЧР в диапазонах частот, выделяемых полосовыми фильтрами этой гребенки. Наведенные токи ЧР, проходя по грозозащитному тросу, сильнее затухают в высокочастотных диапазонах. Сравнивая выходные сигналы гребенок различных модулей 3 по степени высокочастотного затухания, блок 12 может более точно определить дефектный изолятор ВЛ.
Система обеспечивает непрерывный контроль состояния изоляции ВЛ и выявление локальных дефектов изолирующих подвесок в режиме реального времени.
Поскольку электрооптические модуляторы 7 на основе брэгговских решеток, в отличие от радиопередатчиков, не требуют электропитания, предлагаемая система предъявляет меньшие требования к электропитанию размещаемых на опорах ВЛ модулей первичной обработки, безотказность которых определяет в значительной степени надежность системы контроля. В тех случаях, когда полосовые фильтры 4 могут быть выполнены на пассивных элементах (например, когда в модуле 3 используются один-два частотных диапазона), модуль 3 может функционировать вообще без источников электропитания. Реализуемая предложенной системой оптоволоконная передача сигналов от модулей первичной обработки к терминалу контроля дополнительно обеспечивает ей повышенную надежность, помехоустойчивость и, в силу широкополосности оптоволокна, большую информативность контроля токов ЧР и, соответственно, дефектов изоляции на трассе ВЛ.