МНОГОФАЗНЫЙ МОДУЛЬ ДАТЧИКА, СИСТЕМА И СПОСОБ
MULTIPHASE SENSOR MODULE, SYSTEM AND METHOD

Настоящее изобретение относится к области многофазной передачи энергии, которая может использоваться при подводной или подземной передаче или распределении энергии. Более конкретно, настоящее изобретение относится к усовершенствованиям датчиков, которые позволяют определять межфазные напряжения в многофазном кабеле. В конкретном варианте осуществления изобретения предлагается многофазный модуль датчиков, имеющий распорку и множество датчиков напряжения на основе волоконных брэгговских решеток, расположенных на распорке, а в другом варианте осуществления предлагается устройство контроля кабеля, содержащее множество многофазных модулей датчиков и оптическую систему опроса.
Уровень техники
С точки зрения защиты, управления и контроля желательно иметь возможность измерять в режиме реального времени напряжения и токи в подводных или подземных силовых кабелях. По своей природе такие силовые кабели обычно находятся в недоступных местах, и точки, в которых желательно проводить измерения и/или контролировать состояние силовых кабелей, часто находятся на очень больших расстояниях (например, >50 км) от источников питания или верхних строительных конструкций, или просто труднодоступны.
С точки зрения надежности и безопасности крайне желательно обеспечить измерение напряжения и, опционально, тока неразрушающим образом и без какого-либо прямого электрического контакта с токопроводящей жилой или обнажения неизолированной токопроводящей жилы.
В частности, до настоящего времени не было способа, с помощью которого можно измерять межфазные напряжения внутри силового кабеля на больших расстояниях, не требуя наличия источника питания. Вообще говоря, способы измерения межфазных напряжений требуют наличия датчика с активной электроникой. Подача питания на датчики в удаленных местах и обеспечение надежности источника питания является серьезной проблемой. Хотя поляриметрические датчики на основе эффекта Поккельса теоретически могут выполнять измерения без источников питания, они будут эффективны только на коротких расстояниях и не могут быть мультиплексированы для этого потребуется, например, множество оптических волокон на датчик.
В некоторых подходах используются медные контрольные провода, расположенные внутри силового кабеля, для подачи питания на датчики. Эти датчики могут передавать измеренные напряжения обратно по оптическому волокну, также расположенному внутри силового кабеля. Однако, хотя оптическое волокно позволяет передавать данные измерений на большие расстояния, этот способ основан на доставке энергии по проводам с потерями, что, следовательно, не может быть гарантировано на таких больших расстояниях.
В качестве альтернативы, известно, что можно установить трансформаторы, которые преобразуют напряжение токопроводящей жилы силового кабеля, которое может составлять от 10 до 30 кВ, до низкого напряжения, например от 24 до 240 В, чтобы управлять системой датчиков. Этот подход является чрезвычайно дорогостоящим, поскольку трансформаторы дороги, а также из-за необходимости создавать и устанавливать подводные или подземные силовые трансформаторы, и по своей природе более рискованным, чем, очевидно, являлся бы бесконтактный, неинтрузивный подход.
Соответственно, целью по меньшей мере одного аспекта настоящего изобретения является устранение и/или смягчения одного или более недостатков устройств известного/предшествующего уровня техники.
Дальнейшие цели и задачи изобретения станут понятны из следующего описания.
Краткое описание изобретения
В соответствии с первым аспектом изобретения предлагается модуль датчика межфазного напряжения, содержащий:
распорку для удержания двух токопроводящих жил на заранее заданном расстоянии друг от друга; и
по меньшей мере один датчик напряжения, расположенный на распорке между токопроводящими жилами;
при этом по меньшей мере один датчик напряжения содержит волоконную брэгговскую решетку, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, который расширяется и сжимается в зависимости от межфазного напряжения между токопроводящими жилами.
Предпочтительно, распорка удерживает токопроводящие жилы отдельно друг от друга.
Наиболее предпочтительно, по меньшей мере один датчик напряжения может быть выполнен для измерения электрического поля между токопроводящими жилами. Электрическое поле зависит от межфазного напряжения и, следовательно, представляет его. Соответственно, межфазное напряжение может быть измерено без электрического соединения с токопроводящими жилами. Пьезоэлектрический элемент может быть выполнен с возможностью расширяться и сжиматься в зависимости от электрического поля.
Предпочтительно, по меньшей мере один датчик может содержать пару электродов, прикрепленных к пьезоэлектрическому элементу, для измерения электрического поля между токопроводящими жилами и возбуждения пьезоэлектрического элемента. Опционально, электроды могут быть полусферическими. Опционально, электроды могут состоять из меди.
В качестве альтернативы, по меньшей мере один датчик напряжения может быть выполнен с возможностью электрически соединяться с токопроводящими жилами. В этом случае пьезоэлектрический элемент непосредственно управляется напряжениями в токопроводящих жилах, с помощью которых можно непосредственно измерять межфазное напряжение.
Распорка может представлять собой диэлектрический материал, который может быть PTFE (политетрафторэтилен) или РЕЕК (полиэфирэфиркетон). В качестве альтернативы, распорка может содержать проводящий материал, который может быть медью. В качестве дополнительной альтернативы, распорка может представлять собой композитный материал, который может содержать диэлектрические и проводящие материалы. Распорка может быть изготовлена путем 3D-печати или литья под давлением.
Предпочтительно, распорка может иметь правильную геометрическую форму. Наиболее предпочтительно, распорка может иметь несколько вершин или боковых граней, соответствующих количеству фаз (и, следовательно, токопроводящих жил). Наиболее предпочтительно, модуль содержит датчик напряжения, расположенный на каждой грани распорки между парой токопроводящих жил.
В предпочтительном варианте осуществления первого аспекта, применимого к трехфазной системе, распорка имеют форму треугольной призмы или сконфигурирована иным образом с возможностью удерживать три токопроводящие жилы на заданном расстоянии друг от друга, причем модуль содержит три датчика напряжения, расположенных на отдельных боковых гранях между соответствующими парами токопроводящих жил.
В другом варианте осуществления первого аспекта, применимого к шестифазной системе, распорка имеет форму шестиугольной призмы или сконфигурирована иным образом с возможностью удерживать шесть токопроводящих жил на заданном расстоянии друг от друга, причем модуль содержит шесть датчиков напряжения, расположенных на отдельных боковых гранях распорки между соответствующими парами токопроводящих жил.
Предпочтительно, волоконная брэгговская решетка или каждая волоконная брэгговская решетка по меньшей мере одного датчика напряжения, в зависимости от конкретных обстоятельств, имеет уникальную пиковую длину волны отражения. Соответственно, упомянутая одна или каждая волоконная брэгговская решетка может быть опрошена и однозначно идентифицирована с использованием, например, мультиплексора с разделением по длине волны. Мультиплексор с временным разделением может использоваться, если упомянутая одна или каждая брэгговская решетка не имеет уникальной пиковой длины волны отражения.
Предпочтительно, пьезоэлектрический элемент или каждый пьезоэлектрический элемент по меньшей мере одного датчика напряжения, в зависимости от конкретных обстоятельств, представляет собой объемный пьезоэлектрический материал. Альтернативно, упомянутый один или каждый пьезоэлектрический элемент может представлять собой пакет пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрический материал может содержать цирконат-титанат свинца и может, например, представлять собой PZT-5А или PZT-5H.
Опционально, распорка может содержать одно или более креплений для прикрепления токопроводящих жил к распорке. Предпочтительно, крепления расположены в вершинах или около вершин распорки.
Опционально, модуль датчика межфазного напряжения дополнительно содержит по меньшей мере один датчик тока. Предпочтительно датчик тока содержит волоконную брэгговскую решетку, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, причем пьезоэлектрический элемент подключен параллельно с трансформатором тока или катушкой Роговского и нагрузочным резистором. Если трансформатор тока расположен вокруг одной из токопроводящих жил, можно измерить ток в этой токопроводящей жиле.
Варианты осуществления первого аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения или наоборот.
В соответствии со вторым аспектом изобретения предлагается модуль датчика межфазного напряжения, содержащий;
распорку для удержания двух токопроводящих жил на заданном расстоянии друг от друга; а также
по меньшей мере один датчик напряжения, расположенный на распорке между токопроводящими жилами;
при этом по меньшей мере один датчик напряжения содержит волоконную брэгговскую решетку, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, и пару электродов, прикрепленных к пьезоэлектрическому элементу, посредством чего электроды связывают электрическое поле между токопроводящими жилами с пьезоэлектрическим элементом, в результате чего пьезоэлектрический элемент расширяется и сжимается в зависимости от межфазного напряжения между токопроводящими жилами.
Варианты осуществления второго аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения или наоборот.
В соответствии с третьим аспектом изобретения предлагается модуль датчика межфазного напряжения, содержащий:
распорку для удержания двух токопроводящих жил на заданном расстоянии друг от друга; а также
по меньшей мере один датчик напряжения, распложенный на распорке между токопроводящими жилами;
при этом по меньшей мере один датчик напряжения содержит волоконную брэгговскую решетку, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, и пару электродов, прикрепленных к пьезоэлектрическому элементу, для измерения электрического поля между токопроводящими жилами и обеспечения расширения и сжатия пьезоэлектрического элемента в зависимости от межфазного напряжения между токопроводящими жилами.
Варианты осуществления третьего аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения или наоборот.
В соответствии с четвертым аспектом изобретения предлагается модуль датчика напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль», содержащий:
распорку для удержания токопроводящей жилы и заземляющей или нейтральной трубчатой оболочки на заданном расстоянии друг от друга; а также
по меньшей мере один датчик напряжения, расположенный на распорке между токопроводящей жилой и заземляющей или нейтральной трубчатой оболочкой;
при этом по меньшей мере один датчик напряжения содержит волоконную брэгговскую решетку, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, который расширяется и сжимается в зависимости от напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль» между токопроводящей жилой и заземляющей или нейтральной трубчатой оболочкой.
Предпочтительно, распорка удерживает токопроводящую жилу и заземляющую или нейтральную трубчатую оболочку отдельно друг от друга.
Может быть предусмотрен многофазный модуль датчиков путем введения множества датчиков напряжения.
По меньшей мере один датчик напряжения может быть подключен к токопроводящей жиле и заземляющей оплетке многофазного кабеля.
Варианты осуществления четвертого аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта или наоборот.
В соответствии с пятым аспектом изобретения предлагается модуль датчика межфазного напряжения, содержащий:
по меньшей мере один датчик напряжения, расположенный между двумя токопроводящими жилами;
при этом по меньшей мере один датчик напряжения содержит волоконную брэгговскую решетку, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, который расширяется и сжимается в зависимости от межфазного напряжения между токопроводящими жилами.
Предпочтительно, по меньшей мере один датчик может содержать пару электродов, прикрепленных к пьезоэлектрическому элементу, для измерения электрического поля между токопроводящими жилами и возбуждения пьезоэлектрического элемента. В качестве альтернативы, по меньшей мере один датчик напряжения может быть электрически соединен с токопроводящими жилами.
Опционально, по меньшей мере один датчик напряжения может быть расположен в выемке между соответствующими токопроводящими жилами.
Варианты осуществления пятого аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения или наоборот.
В соответствии с шестым аспектом изобретения предлагается кабельный сросток, содержащий корпус кабельного сростка и по меньшей мере один модуль датчика межфазного напряжения, напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль» в соответствии с любым из предыдущих аспектов.
Предпочтительно, упомянутый один или каждый модуль датчика межфазного напряжения (или напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль») располагается в корпусе кабельного сростка так, чтобы удерживать две или более токопроводящих жил (или токопроводящую жилу и заземляющую или нейтральную трубчатую оболочку) на заданном расстоянии друг от друга, при этом один или более датчиков напряжения, размещенных на распорке модуля, расположены между одной или более парами токопроводящих жил (или парами токопроводящих жил и заземляющими или нейтральными трубчатыми оболочками) так, чтобы измерять напряжение «фаза-фаза» между токопроводящими жилами (или напряжение «фаза-земля» или «фаза-нейтраль» между токопроводящими жилами и заземляющими или нейтральными трубчатыми оболочками).
Опционально, кабельный сросток дополнительно содержит по меньшей мере один датчик тока, связанный с каждой токопроводящей жилой. Предпочтительно, по меньшей мере один датчик тока содержит волоконную брэгговскую решетку, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, причем пьезоэлектрический элемент подключен параллельно с трансформатором тока или катушкой Роговского, расположенными вокруг токопроводящей жилы, и нагрузочным резистором.
Наиболее предпочтительно, каждый из датчиков напряжения и/или тока подключается к единому (т.е. одному и тому же) оптическому волокну.
Кабельной сросток может быть ремонтным кабельным сростком и может быть снабжен клеммами для подключения к соответствующим концам многофазного кабеля.
Варианты осуществления шестого аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения или наоборот.
В соответствии с седьмым аспектом изобретения предлагается способ дооснащения многофазного кабеля, содержащего две или более токопроводящих жил, модулем датчика межфазного напряжения, напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль» по любому из аспектов с первого по пятый, причем способ включает в себя установку кабельного сростка в соответствии с шестым аспектом в многофазный кабель.
Способ может включать в себя размещение распорки по меньшей мере одного модуля датчика межфазного напряжения, напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль» между двумя или более токопроводящими жилами внутри корпуса кабельного сростка так, чтобы удерживать токопроводящие жилы на заданном расстоянии друг от друга и располагать один или более датчиков напряжения между соответствующими парами токопроводящих жил.
Способ может опционально включать в себя зачистку концов кабеля для обнажения токопроводящих жил и последующее подключение соответствующих токопроводящих жил каждого конца кабеля внутри корпуса кабельного сростка. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна из токопроводящих жил проходила через трансформатор тока или катушку Роговского датчика тока кабельного сростка.
Обратим внимание, что измерение или контроль напряжения «фаза-фаза» (или «фаза-земля» или «фаза-нейтраль», в зависимости от обстоятельств) не требует зачистки концов кабеля; в этом контексте зачистка концов кабеля предназначена для выполнения соединения между ними.
Способ может включать в себя присоединение оптического волокна из одного конца кабеля к другому концу кабеля в корпусе кабельного сростка и через брэгговские решетки одного или более датчиков напряжения, и, опционально, датчиков тока в корпусе кабельного сростка.
Варианты осуществления седьмого аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения или наоборот.
В соответствии с восьмым аспектом изобретения предлагается система контроля многофазного кабеля, содержащая модуль датчика межфазного напряжения, напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль» в соответствии с любым из аспектов с первого по четвертый, подключенный к оптическому волокну многофазного кабеля, и систему контроля волоконно-оптических датчиков для опроса по меньшей мере одного датчика напряжения модуля датчика межфазного напряжения, напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль» через оптическое волокно.
Опционально, система может содержать множество модулей датчика межфазного напряжения, напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль», расположенных в разных местах вдоль многофазного кабеля.
Опционально, упомянутый или каждый модуль датчика межфазного напряжения, напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль» может содержаться в кабельном сростке в соответствии с пятым аспектом. Упомянутый или каждый кабельный сросток может содержать один или более датчиков тока, и система контроля волоконно-оптических датчиков может также опрашивать упомянутые один или более датчиков тока.
Предпочтительно, каждая из волоконных брэгговских решеток упомянутого или каждого модуля датчика межфазного напряжения, напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль» может иметь уникальную пиковую длину волны отражения, а система контроля волоконно-оптических датчиков может содержать мультиплексор с разделением по длине волны. Альтернативно, волоконные брэгговские решетки могут не иметь уникальные пиковые длины волн отражения, а система контроля волоконно-оптических датчиков может содержать мультиплексор с временным разделением.
Опционально, многофазный кабель может представлять собой подводный кабель для передачи энергии. Многофазный кабель может также альтернативно представлять собой кабель для распределения энергии. Изобретение также может быть применено к другим трехфазным системам, например нефтяным и газовым шлангокабелям, и т.п.
Варианты осуществления восьмого аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения или наоборот.
Краткое описание чертежей
Теперь будут описаны, только в качестве примера, различные варианты осуществления аспектов изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует оптический датчик напряжения на основе волоконной брэгговской решетки;
Фиг. 2 иллюстрирует систему контроля волоконно-оптических датчиков;
Фиг. 3 иллюстрирует трехфазный модуль датчиков в соответствии с аспектом изобретения;
Фиг. 4 представляет вид в перспективе трехфазного модуля датчиков, показанного на фиг.3;
Фиг. 5 представляет моделирование электрического поля вокруг трехфазных токопроводящих жил и пьезоэлектрических элементов трехфазного модуля датчиков, показанного на фиг. 3 и 4;
Фиг. 6 представляет моделирование напряжения на каждом пьезоэлектрическом элементе в трехфазном модуле датчиков, показанном на фиг. 3 и 4;
Фиг. 7 представляет моделирование напряжения на каждом пьезоэлектрическом элементе в альтернативном трехфазном модуле датчиков, содержащем медную распорку;
Фиг. 8 показывает зависимость между ожидаемым сдвигом пиковой длины волны и напряжением на пьезоэлектрических элементах в диапазоне напряжений, применимом к трехфазному модулю датчиков, показанному на фиг. 3 и 4, и альтернативному трехфазному модулю датчиков, к которому относится фиг. 7;
Фиг. 9 представляет зависимость между ожидаемым сдвигом пиковой длины волны и напряжением на пьезоэлектрических элементах в диапазоне напряжений, применимом к альтернативному трехфазному модулю датчиков, в котором пьезоэлектрические элементы непосредственно подключены к токопроводящим жилам; а также
Фиг. 10 представляет вид в поперечном разрезе типичного подводного трехфазного кабеля для передачи энергии.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Как обсуждалось выше, желательно иметь возможность измерять в режиме реального времени напряжения и токи в подводных или подземных силовых кабелях на больших расстояниях без необходимости в источниках питания. Также очень желательно иметь возможность измерять напряжение и ток неинтрузивным образом и без какого-либо прямого электрического контакта с токопроводящей жилой или обнажения неизолированной токопроводящей жилы. В частности, целью по меньшей мере одного аспекта изобретения является измерение межфазных напряжений внутри силового кабеля без необходимости в источнике питания.
Используя оптическое волокно, встроенное в современные силовые кабели, изобретение позволяет измерять межфазные напряжения на очень больших расстояниях (например, до 100 км, прежде чем требуется усиление сигнала) без каких-либо источников питания в удаленных местах измерения. Изобретение позволяет размещать большое количество точек измерения в регулярных или стратегических местоположениях вдоль силового кабеля без использования более чем одного волоконного сердечника. Кроме того, в вариантах осуществления изобретения, описанных ниже, делается возможным неинтрузивное измерение межфазного напряжения (и, опционально, тока).
Волоконно-оптический датчик на волоконных брэгговских решетках
B
На фиг. 1 показан датчик 1, который объединяет оптический тензодатчик с пьезоэлектрическим элементом для создания механизма измерения напряжения в удаленном местоположении. Оптический тензодатчик содержит волоконную брэгговскую решетку (FBG) 3, которая записывается в сердцевину оптического волокна 7 с использованием стандартных технологий записи (таких как интерференция УФ-излучения и использование маски). FBG 3 будет отражать свет на длине волны Брэгга, λ=2nΛ, где n - эффективный показатель преломления сердцевины, а Λ - шаг решетки. Соответственно, FBG 3 эффективно действует как отражатель, зависящий от длины волны; пиковая длина волны отражения зависит от периодичности изменения показателя преломления в сердцевине волокна (т.е. шага решетки).
В этом примере пьезоэлектрический элемент 5 (который может быть пьезоэлектрическим пакетом) находится в физическом контакте (например, соединен) с оптическим волокном в области FBG 3. Когда пьезоэлектрический элемент 5 расширяется и сжимается под приложенным напряжением (на клеммах 9), FBG 3 также расширяется и сжимается, тем самым изменяя шаг решетки и, следовательно, длину волны Брэгга. Таким образом, мгновенное спектральное положение пиковой длины волны отражения FBG 3 указывает напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому элементу 5. Соответственно, система контроля (см. ниже) может быть выполнена с возможностью определять напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому элементу 5, используя мгновенное спектральное положение пиковой длины волны отражения.
В альтернативном примере FBG может быть не прикреплена непосредственно к пьезоэлектрическому элементу, а вместо этого «натянута» между торцевыми крышками, которые прикреплены к пьезоэлектрическому элементу. В таком устройстве деформация может быть выровнена по решетке, а волокно может быть предварительно напряжено, что приводит к улучшенным рабочим характеристикам по сравнению с вышеописанным устройством прямого крепления.
Такой датчик также можно использовать в качестве датчика тока, подключая пьезоэлектрический элемент и присоединенную FBG параллельно с трансформатором тока (СТ) и нагрузочным резистором. Контроль тока вторичной обмотки СТ, преобразованного в напряжение через нагрузочный резистор, обеспечивает измерение тока первичной обмотки в кабеле, окруженном трансформатором тока. Катушка Роговского, которая имеет диэлектрический сердечник, может использоваться вместо СТ.
Система контроля волоконно-оптических датчиков
1
2
3
4
n
Фиг. 2 схематически иллюстрирует систему 21 контроля, подходящую для контроля множества (n) FBG 3 в оптическом волокне 11. Каждая FBG 3 чувствительна к разной длине волны света (λ, λ, λ, λ … λ) при соответствующем выборе периодичности изменения показателя преломления сердцевины волокна (т.е. шага решетки см. выше).
Система содержит широкополосный источник 23 света для освещения оптического волокна 11 сигналом опроса, который имеет диапазон длин волн, охватывающий длины волн отражения всех FBG 3, расположенных вдоль оптического волокна 11. Свет проходит вдоль волокна 11, и свет, отраженный от каждой из FBG 3, одновременно и непрерывно подается в мультиплексор 27 с разделением по длине волны (через соединительное устройство 26), который разделяет свет, полученный из оптического волокна 11, на множество длин волн (и соответствующих волокон), каждая из которых соответствует одной из FBG 3. Быстрый оптический переключатель 28 пути, управляемый блоком 29 АЦП (аналого-цифрового преобразователя) / процессора, направляет отраженный сигнал от каждой FBG 3 по очереди на платформу 25 интерферометра и демодуляции.
Блок 29 АЦП/процессора затем обрабатывает выходной сигнал от платформы 25 интерферометра и демодуляции, чтобы определить длину волны отраженного света в каждом канале и, таким образом, определить мгновенное напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому элементу, связанному с соответствующей FBG 3. Это может быть сделано, например, путем сравнения мгновенного спектрального положения пика отражения с данными калибровки или справочной таблицей.
В качестве альтернативы, мультиплексор с временным разделением (не показан) может использоваться для разделения света, принимаемого от оптического волокна 11, на ряд с разделением по времени. В таком устройстве не требуется, чтобы FBG 3 демонстрировали уникальные пиковые длины волн отражения. Комбинация методов мультиплексирования с временным разделением и с разделением по длине волны может использоваться для опроса очень больших массивов FBG.
Многофазный модуль датчиков
Вариант осуществления многофазного модуля датчиков в соответствии с изобретением теперь будет описан со ссылкой на фиг. 3 и 4.
Трехфазная электроэнергия является наиболее распространенным способом генерации, передачи и распределения электроэнергии переменного тока. В типичной трехфазной системе электропитания три токопроводящих жилы несут переменный ток равной частоты и амплитуды (напряжения) с разностью фаз 120° между токопроводящими жилами. Преимущества трехфазной передачи электрической энергии хорошо известны в данной области техники, но, как отмечено выше, существует желание измерять межфазные напряжения внутри силового кабеля, не требуя источника питания, т.е. без использования активной электроники.
Заявитель также установил, что измерение межфазных напряжений способом или способами, которые будут описаны ниже, решает проблему измерения напряжения относительно земли, что может быть особенно трудным в корпусах сростков (один из способов, которым настоящее изобретение может быть реализовано, см. ниже).
На фиг. 3 и 4 показан трехфазный модуль 300 датчиков, который содержит распорку 301, имеющую форму треугольной призмы, и три датчика 303А, 303В, 303С на основе FBG, расположенные на боковых гранях 305А, 305В, 305С распорки 301. Вершины 307А, 307В, 307С треугольной распорки 301 имеют форму для размещения соответствующих токопроводящих жил 309А, 309В, 309С трехфазного кабеля передачи (не показан). Заданное расстояние d разнесения между парами токопроводящих жил 309А-309В, 309В-309С и 309С-309А может быть получено путем соответствующего выбора или конструкции распорки 301. Могут быть предусмотрены такие приспособления, как зажимы (не показаны) для прикрепления распорки 301 к токопроводящим жилам и удержания их на месте.
В этом варианте осуществления распорка 301 содержит PTFE, хотя может использоваться любой диэлектрический материал, например РЕЕK. Однако, как будет обсуждаться ниже, хотя предпочтительно, чтобы распорка 301 содержала диэлектрический материал, также предполагается, что можно использовать проводящий материал, такой как медь. Композитный материал, например диэлектрический материал, окружающий проводящий материал, также может быть использован, при этом проводящий материал (например, металл) обеспечивает структурную прочность и жесткость.
Аналогично FBG датчику, описанному выше, каждый из датчиков 303А, 303В, 303С содержит пьезоэлектрический элемент 311А, 311В, 311С, который может представлять собой объемные пьезоэлектрические элементы или пьезоэлектрические пакеты, соединенные с FBG (не показано). На концах каждого пьезоэлектрического элемента 311А, 311В, 311С предусмотрена пара медных электродов 313А, 313В, 313С, которые обеспечивают измерение электрического поля между каждой парой токопроводящих жил, что, в свою очередь, возбуждает пьезоэлектрический элемент и модулирует соответствующую FBG. Следует отметить, что в этом варианте осуществления предпочтительными являются полусферические электроды, чтобы лучше направлять линии электрического поля, хотя может использоваться любая подходящая форма или материал электрода.
При симметричном расположении датчиков 303А, 303В, 303С и токопроводящих жил 309А, 309В, 309С перекрестные помехи от электрического поля, генерируемого соответствующей третьей токопроводящей жилой (например, 309С при измерениях между 309А и 309В), сводятся к минимуму. В примере осуществления распорка 301 устанавливает расстояние d разнесения между каждой парой токопроводящих жил равным 80 мм. Хотя для разных условий эксплуатации могут потребоваться разные расстояния разнесения, предоставление распорки заданного размера и конфигурации позволяет надежно и воспроизводимо повторять требуемые расстояния разнесения в разных точках по всей длине контролируемого кабеля.
Для целей моделирования были рассмотрены два различных пьезоэлектрических материала: цирконат-титанат свинца PZT-5A и цирконат-титанат свинца PZT-5H (далее сокращенно PZT-5A и PZT-5H, соответственно). Подходящие параметры для этих двух материалов показаны в таблице 2 ниже. При моделировании предполагается, что эти возбудители представляют собой цилиндрические пьезоэлектрические элементы диаметром 8 мм и длиной 20 мм, расположенные на воздухе при комнатной температуре.
Таблица 1 - Пьезоэлектрические свойства цирконат-титаната свинца PZT-5A и цирконат-титаната свинца PZT-5H.
На фиг. 5 показано моделирование электрического поля относительно трехфазных токопроводящих жил 309А, 309В, 309С и датчиков 303А, 303В, 303С трехфазного модуля 300 датчиков, описанного выше и проиллюстрированного на фиг. 3 и 4. Напряжение на каждом пьезоэлектрическом элементе 311А, 311В, 311С из-за электрических полей вокруг каждой токопроводящей жилы 309А, 309В, 309С может быть оценено из моделирования.
На фиг. 6 показано смоделированное напряжение на каждом из трех датчиков 303А, 303В, 303С, причем каждая токопроводящая жила 309А, 309В, 309С работает при ее номинальном напряжении 11 кВ. Максимальное пьезоэлектрическое напряжение с конкретными размерами и выбранными материалами (см. выше) составляет 100 В.
Выбор материала, из которого сформирована распорка 301, может существенно влиять на распределение электрического поля и, следовательно, напряжение на каждом пьезоэлектрическом элементе 311А, 311В, 311С. Моделирование было выполнено повторно с материалом распорки, выбранным проводящим, для исследования того, улучшается ли экранирование третьей токопроводящей жилы. В этом примере распорка, по-видимому, «направляет» линии поля от электродов, что приводит к снижению напряжения между электродами датчика почти на 75%. Напряжение на каждом датчике с медной распоркой показано на фиг. 7.
33
На фиг. 8 изображен вызванный деформацией сдвиг длины волны FBG, возникающий из-за напряжения, приложенного к пьезоэлектрическим элементам PZT-5A и PZT-5H. Деформация, переданная волокну (содержащему FBG и к которому присоединен пьезоэлектрический элемент), определяется с использованием пьезоэлектрического коэффициента d, приведенного в таблице 1, в предположении, что волокно присоединено к пьезоэлектрическому элементу по его длине 200 мм. Эта деформация затем преобразуется в сдвиг длины волны с использованием уравнения Брэгга.
С распоркой из PTFE, которая в приведенном выше примере испытывает максимальное пьезоэлектрическое напряжение 100 В, сдвиги пиковых длин волн составляют приблизительно 2,19 пм и 3,46 пм, соответственно. С медной распоркой, которая в приведенном выше примере испытывает максимальное пьезоэлектрическое напряжение приблизительно 28 В, сдвиги пиковых длин волн составляют приблизительно 0,61 пм и 0,97 пм. Если предположить, что минимальный уровень шума при деформации в системе опроса (как указано выше) составляет 10 nε/√Тц, он будет соответствовать оценкам уровня сигнал/шум 34,3 дБ и 38,2 дБ при использовании распорки из PTFE и 23,2 дБ и 27,2 дБ с медной распоркой. Хотя оба этих сигнала малы по сравнению с прямым подключением к токопроводящим жилам (см. ниже), можно будет безопасно и точно контролировать оптический сигнал от каждого датчика, хотя явно предпочтительнее использовать диэлектрическую распорку.
Следует отметить, что, хотя изобретение было проиллюстрировано выше со ссылкой на трехфазную систему, следует понимать, что оно может быть применено к любой многофазной системе. Например, в двухфазной системе многофазный модуль датчиков в соответствии с изобретением может включать в себя один датчик FBG, расположенный на распорке между токопроводящими жилами, или два датчика FBG, расположенных на противоположных сторонах распорки. В качестве альтернативы, многофазные системы более высокого порядка также могут быть приспособлены путем использования распорок правильных геометрических форм, имеющих количество вершин или сторон, соответствующих количеству фаз (и, следовательно, токопроводящих жил).
Например, были построены и испытаны многофазные системы для передачи энергии, имеющие шесть или двенадцать фаз. Например, шестифазная система может контролироваться с использованием распорки правильной формы шестиугольной призмы всего с шестью датчиками, расположенными на соответствующих боковых гранях распорки. Предполагается, что будет наблюдаться подобное уменьшение или устранение перекрестных помех, аналогичное тому, которое наблюдалось для трехфазного модуля датчиков, описанного выше.
Разработки в технологиях 3D печати могут позволить легко и воспроизводимо изготавливать распорки с заданными расположениями и размерами. Конструкции распорок могут быть оптимизированы путем моделирования таким образом, чтобы электрические поля, создаваемые токопроводящими жилами, были хорошо выровнены с соответствующими датчиками и чтобы минимизировать перекрестные помехи между датчиками.
Конечно, с точки зрения надежности и безопасности предпочтительно, чтобы напряжение и/или ток измерялись неинтрузивным образом и без какого-либо прямого электрического контакта с токопроводящей жилой или обнажения неизолированной токопроводящей жилы. Вышеописанный вариант осуществления (и его варианты) обеспечивают повторяемую геометрию для токопроводящих жил, которые могут использоваться, например, внутри корпуса сростка (см. ниже) и которые измеряют напряженность электрического поля, и, таким образом, могут позволить определять межфазное напряжение между токопроводящими жилами минимально инвазивным способом.
Однако при этом предусматривается, что может быть принят более инвазивный подход, в котором межфазное напряжение измеряется путем непосредственного подключения клемм каждого пьезоэлектрического элемента прямо к двум токопроводящими жилам, между которыми должно измеряться относительное напряжение. В таком варианте осуществления, поскольку модуль датчиков не производит измерение электрического поля, можно обойтись без (полусферических медных) электродов. Если предположить, что каждая токопроводящая жила работает при номинальном напряжении 11 кВ, среднеквадратичное межфазное напряжение будет составлять 19 кВ; это соответствует пиковому межфазному напряжению 26,9 кВ, которое измеряется каждым датчиком напряжения.
Когда каждый пьезоэлектрический элемент напрямую подключен через свои клеммы к двум токопроводящим жилым, тогда он будет испытывать пиковое напряжение 26,9 кВ. Фиг. 9 расширяет график, показанный на фиг. 8, до максимума при 26,9 кВ для обоих пьезоэлектрических материалов. Можно видеть, что при максимальном приложенном напряжении сдвиги пиковых длин волн составляют приблизительно 590 пм и 930 пм для PZT-5A и PZT-5H, соответственно. Таким образом, полные сдвиги длин волн от пика к пику составляют 1,18 нм и 1,86 нм. Предполагая, что минимальный уровень шума при деформации в системе опроса (такой как описанная выше) составляет 10 nε/√Гц, он будет соответствовать оценкам уровня сигнал/шум в 82,9 дБ и 86,8 дБ, соответственно.
Следует отметить, что вместо предоставления распорки или по меньшей мере вместо предоставления распорки, которая удерживает токопроводящие жилы на расстоянии друг от друга, изолированные жилы могут соприкасаться; распорка эффективно обеспечивается изоляцией, которая предохраняет сами токопроводящие жилы от прикосновения. В такой компоновке датчик напряжения может быть расположен в выемке между соответствующими токопроводящими жилами, минимизируя тем самым требования по размещению модуля датчиков.
Распорка, которая не удерживает токопроводящие жилы на расстоянии друг от друга (т.е. когда изолированные жилы соприкасаются), может по-прежнему определять конкретную геометрию между токопроводящими жилами и пьезоэлектрическими элементами, например, распорка может иметь такие размеры, чтобы занимать внутреннее пространство между токопроводящими жилами, и может иметь тонкие плечи, которые простираются между токопроводящими жилами, чтобы обеспечить возможность расположения пьезоэлектрических элементов в желаемых местоположениях.
Кроме того, в такой конфигурации, где датчики напряжения расположены в выемках, пьезоэлектрические элементы могут быть расположены в направлении по длине; то есть, более длинные размеры пьезоэлектрических элементов (и FBG) параллельны токопроводящим жилам. В такой конфигурации пьезоэлектрические элементы будут упруго податливыми в так называемом направлении 11 (в противоположность направлению 33), которое перпендикулярно направлению, в котором керамический элемент поляризован.
Компоновка подводного кабеля
На фиг. 10 показан вид в поперечном разрезе типичного подводного кабеля, в данном случае - трехжильного изолированного и армированного подводного кабеля, который может использоваться в морской ветро- и волноэнергетической инфраструктуре для трехфазной передачи электроэнергии. Определения частей кабеля приведены в таблице 2 ниже. В частности, внутри кабеля предусмотрен волоконно-оптический пакет, содержащий одно или более одномодовых оптических волокон.
Таблица 2 - Описание деталей и определение материалов примера подводного кабеля, показанного на фиг.10.
Оптическое волокно в кабелях электропередачи может использоваться для обеспечения связи с контрольным оборудованием, например, на морских ветро- и волноэнергетических инфраструктурах, таких как турбины, или относящимся к ним. Однако предусматривается, что одно или более оптических волокон в типичных подводных кабелях могут альтернативно (или дополнительно) использоваться для связи с многофазными модулями датчиков в соответствии с изобретением - для обеспечения контроля межфазных напряжений между токопроводящими жилами 1001А, 1001В, 1001С.
Также датчики тока описанного выше вида, в которых пьезоэлектрический пакет и присоединенная FBG соединены параллельно с СТ и нагрузочным резистором, могут быть встроены так, чтобы облегчить измерение тока на токопроводящих жилах 1001А, 1001В, 1001С.
Существует ряд требований для интеграции датчиков в соответствии с изобретением в подводную кабельную среду. Это обеспечивает преимущество, особенно если датчики содержатся в сухой среде, поскольку влага может значительно ухудшить рабочие характеристики пьезоэлектрического элемента. Следует позаботиться о конструкции системы измерения напряжения, чтобы обеспечить защиту пьезоэлектрического элемента.
Может быть предусмотрено сращивание в существующем оптоволоконном кабеле. Как упомянуто выше, кабели электропередачи обычно содержат несколько волоконно-оптических жил для целей связи, которые сращиваются традиционным способом на концах кабеля или в местах сращивания. Предполагается, что датчики напряжения (и, опционально, тока) могут быть установлены в кабельном сростке или концевой кабельной муфте, и оптоволоконные соединения могут быть реализованы в оптоволоконном «корпусе сростка», обычном для большинства конструкций кабельных сростков. Предполагается также, что отдельное волокно может быть достаточным для опроса каждого из используемых датчиков (напряжения и, если необходимо, тока).
Кабельные ремонтные сростки будут наиболее удобной точкой для дооснащения датчиками напряжения (и, опционально, тока) в соответствии с настоящим изобретением. Например, может быть предложен специальный ремонтный сросток, который обеспечивает достаточный внутренний объем для установки датчиков, включая модуль датчиков, и доступ к трем токопроводящим жилам и по меньшей мере одному оптическому волокну.
При установке такого ремонтного сростка каждый из двух соединяемых концов кабеля вскрывается до трех токопроводящих жил (с полупроводниковыми экранами) и оптоволоконных жгутов. Соответствующие жилы затем соединяются и герметизируются индивидуально, в то время как волокна обычно сращиваются вместе в отдельном «корпусе сростка», чтобы предотвратить повреждение ослабленных точек соединения. Вся зачищенная область кабеля, длина которой может превышать 2 м, затем герметизируется с помощью защитных чулок для разгрузки напряжений, которые накладываются вдоль соседних отрезков кабеля.
Предполагается, что датчики напряжения (и, опционально, тока) могут быть установлены вблизи токопроводящих жил, когда они входят или выходят из области герметичного сростка с любой стороны ремонтного сростка. В этот момент жилы разделяются перед их индивидуальным сращиванием и герметизацией, в результате чего устанавливается пространство между тремя токопроводящими жилами для установки трехфазного модуля датчиков (такого как описанный выше) для измерения напряжения между фазами и для прохождения через небольшие СТ для цели измерения тока (если применимо).
Следует отметить, что в определенных обстоятельствах может быть целесообразно выбрать или указать определенный материал или материалы или геометрию, чтобы должным образом контролировать или учитывать электрическое поле так, чтобы электрическое разрушение материалов не происходило в области модуля распорки/датчиков например, в области кабельного сростка, рассмотренного выше. Специалист в данной области техники может выполнить соответствующее моделирование, чтобы определить, следует ли это делать и каким образом.
Один или более (или в действительности несколько) таких ремонтных сростков, включающих в себя датчики напряжения (и, опционально, тока), могут быть опрошены вдоль фактически единой непрерывной длины оптического волокна, с использованием системы контроля, такой, как описано выше, или по сути любого из ряда коммерчески доступных устройств опроса FBG. В примере подводного кабеля для передачи энергии, после того как он был оснащен датчиками напряжения (и, опционально, тока), как описано выше, одиночное оптическое волокно, в которое были установлены сращением различные датчики, может быть освещено широкополосным источником света с береговой базовой станции. Предполагая, что каждая FBG имеет уникальную длину волны по всей ширине полосы источника света, отраженный спектр будет состоять из нескольких пиков отражения FBG, колеблющихся при частоте 50 Гц с амплитудой, пропорциональной измеряемому напряжению (или току). Следовательно, изобретение также позволяет создать систему контроля подводных кабелей.
Предусмотрен ряд вариантов изобретения. Например, предусматривается, что в тех случаях, когда идея изобретения была проиллюстрирована примерами в отношении измерения межфазного напряжения, она может аналогичных образом быть использована для измерения напряжения «фаза-земля» или «фаза-нейтраль». В такой конструкции, вместо соединения (беспроводного) или подключения к парам токопроводящих жил, датчики напряжения могут быть соединены или подключены на одном конце к токопроводящей жиле, а на другом конце к заземляющей или нейтральной трубчатой оболочке, такой как заземляющая оплетка в многофазном кабеле.
Суммируя вышесказанное, изобретение позволяет измерять напряжение между фазами (межфазные напряжения) многофазного силового кабеля, например, трехфазного силового кабеля, такого, который может использоваться в подводных или подземных средах для передачи электроэнергии. Изобретение не требует источника питания в месте измерения и полагается исключительно на оптические волокна (обычно присутствующие в таких кабелях) для переноса света к датчикам и от них. Датчики на основе волоконной брэгговской решетки (FBG) измеряют электрическое поле между токопроводящими жилами и преобразуют его в механическое напряжение в волокне, в результате чего определенные длины волн отраженного света модулируются мгновенной величиной межфазных напряжений, которые должны измеряться. Модуль датчиков, воплощающий изобретение, содержит распорку, которая удерживает токопроводящие жилы в заданной геометрии и локализует датчики FBG между парами токопроводящих жил, на которых должны выполняться измерения межфазного напряжения. На конце кабеля система опроса может извлечь и интерпретировать модуляцию этих длин волн, чтобы вывести измеренные значения напряжения. Изобретение может быть внедрено в ремонтный сросток для целей модификации и может также включать в себя датчики тока на основе FBG для одновременного измерения тока в токопроводящих жилах.
Во всем описании, если контекст не требует иного, термины «содержать» или «включать в себя», или варианты, такие как «содержит» или «содержащий», «включает в себя» или «включающий в себя», должны пониматься как подразумевающие включение указанного целого или группы целых, но не исключение любого другого целого или группы целых.
Различные модификации вышеописанных вариантов осуществления могут быть сделаны в пределах объема изобретения, и изобретение распространяется на комбинации признаков, отличные от явно описанных здесь.