Применение системы температурного мониторинга с помощью оптического кабеля для контроля распределения температуры вдоль электрического силового кабеля

В статье приводится практический пример измерения распределения температуры по длине силового кабеля с использованием системы, основанной на рамановском рассеивании.

Силовые кабельные линии являются одним из важных элементов энергетической системы Российской Федерации. Существует множество ответственных участков силовых кабелей с передаваемой мощностью от десятков до миллионов киловатт. Выход из строя отдельных силовых кабелей в процессе эксплуатации происходит регулярно по всей стране и является чрезвычайным происшествием, требующим срочного и дорогостоящего ремонта.

Во многих случаях причиной выхода из строя силового кабеля является локальный перегрев, который может произойти в результате неправильной эксплуатации, старения изоляции или повреждения защитных оболочек. Локальные перегревы вызваны либо повышением токовой нагрузки, либо ухудшением условий охлаждения кабеля по длине.

Прогнозирование и предотвращение указанных перегревов кабеля возможно за счет использования современных систем температурного мониторинга с применением оптического волокна, внедренного в конструкцию силового электрического кабеля.

В данной работе нами приводится пример применения системы температурного мониторинга (далее по тексту СТМ) по оптическому кабелю с использованием рамановского измерителя обратного рассеивания, разработанной ИИТ г. Минск совместно с ООО «НПП Старлинк» (см. Приложение).

В настоящее время подобные системы измерения распределение температуры по оптическому кабелю (СТМ) с использованием рамановского рассеивания начали интенсивно внедряться в различные области техники.

Преимуществом метода является то, что измеряемый параметр — температура непосредственно связана с фундаментальным физическим явлением — колебанием молекул кварцевого стекла, которое вызывает появление рассеивания света типа рамановского. Мощность этого рассеиваемого излучения непосредственно контролируется прибором.

С прикладной точки зрения метод позволяет проводить измерения на кабелях, имеющих большие длины, что дает возможность контролировать протяженные, удаленные объекты или множество объектов сразу.

Задачи, решаемые с помощью СТМ, могут быть в действительности весьма разноплановые — измерение температуры нефтяных хранилищ и танкеров, химических и ядерных объектов, контроль утечки газа и нефти, тепла в трубопроводах, контроль распределения температуры больших строительных сооружений.

Достаточно сказать, что в данный момент поставлены задачи контроля потенциально опасных объектов Российской Федерации в интересах безопасности и предотвращения техногенных катастроф с использованием разнообразных систем передачи информации, в том числе спутниковых систем [1].

В этой работе мы применили систему СТМ для измерения распределения температуры по длине макета силового электрического кабеля.

Нами изготовлен образец электрооптического кабеля длиной около 160 м, состоящего из трех отдельных изолированных электрических жил (сечением 4 мм²) и миниатюрного оптического кабеля диаметром 2,3 мм.

Четыре элемента кабеля скручены между собой правильной скруткой с шагом 50 мм и покрыты оболочкой из ПВХ пластиката. Оптический микрокабель выполнен в виде гибкой стальной трубки из канатных проволок с наружным диаметром 2 мм и оболочкой из фторопласта 2М. Внутри стальной трубки имеет место одно многомодовое оптическое волокно с характерными диаметрами сердцевины и оболочки 50/125 мкм. Масса бухты электрооптического кабеля около 20 кг. Конструкция кабеля показана на рисунке 1.

Эксперимент построен следующим образом.

После изготовления кабель скручен в бухту.

Основная часть кабеля (около 130 м) располагается в измерительной комнате. Верхний конец кабеля длиной 30 м разложен по полу. Верхний конец разделан, и концы двух проводов кабеля подключены к сварочной установке.

Нижний конец кабеля со стороны скрученной бухты также разделан на длине 20 см. Оптический элемент кабеля освобожден. Оптическое волокно армировано соединителем и подключено к рамановскому измерителю обратного рассеивания. Соответствующие два электрических провода соединены, образуя замкнутый шлейф длиной около 320 м.

Схема измерений показана на рисунке 2.

Изменения распределения температуры по длине кабеля T = f (l) представлены на рисунках 3-7 с индексом А (крупный масштаб). Отдельные участки в правой части общей температурной зависимости выделены в более мелком масштабе, соответственно, на рисунках 3-7 с индексом Б.

На рисунке 3А видны колебания температуры в пределах ±0,5 С°. Эти колебания температуры имеют место по всей длине кабеля. Следует обратить внимание на то, что наблюдаемые колебания температуры — не погрешность прибора, а реальные изменения температуры, связанные с реальной установившейся теплопередачей между участками бухты.

На этом рисунке в мелком масштабе выделен конец кабеля. Последние 30 м имеют меньшие колебания температуры (±0,3 С°). Правый конец (около 30 м), развернутый на полу, нагрет равномерно и незначительно (до 30 С°).

Характерно, что на всех кривых отчетливо выделяются отдельные, и вполне определенные по положению на оси Х (оси расстояний) точки нагрева. Они изменяются только по амплитуде и связанны с токовым нагревом и теплопередачей витков бухты кабеля. Поскольку характер теплопередачи значительно не изменяется, то кривые очень хорошо сохраняют форму.

Анализ результатов

Результаты температурных зависимостей по длине кабеля T = f (l) в различных фазах проведения испытаний достаточно отчетливо характеризуют состояние нагрева отдельных участков кабеля.

Видно, что условия охлаждение участков кабеля фактически однозначно определяют условия эксплуатации, в данном случае экспериментальных условий.

Можно предположить, что внедрение оптического волокна внутрь реального силового кабеля и реальные наблюдения зависимостей T = f (l) могут дать очень хорошую информацию для дальнейшей эксплуатации силовых кабелей

Литература
1. Патент РФ № 229642 » Система автоматизированного контроля потенциально опасных объектов РФ в интересах обеспечения защиты от технических, природных и террористических угроз». В.А Иванов и др.

Приложение:
Рекламные листы системы температурного мониторинга и кабелей сенсоров,
которые предполагается использовать для СТМ 01

Обозначение кабеля:
СЛ-ОКД-01-1Г-1,0 Оптический микрокабель типа СЛ-ОКД модификации 01 с одним кварцевым многомодовым волокном с градиентным профилем показателя преломления диаметром 125/50 мкм
Материал в предлагаемом читателю виде получен на выставке CABEx 2009 в качестве рекламно-просветительного свободно распространяемого среди посетителей печатного приложения к комплекту рекламы ООО «ВНИИКП-ОПТИК» для специалистов кабельщиков, проектантов и эксплуатационщиков.
Ограничений по защите авторских прав не имеется.