Многоканальный распределенный датчик мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи Российский патент 2023 года по МПК G01D5/353 G01R31/08 

Изобретение относится к устройствам распределенного мониторинга в реальном времени места ударов молний в грозотрос линий электропередач. Длина линий электропередач может составлять сотни и даже тысячи километров, например, для линий с напряжением 220 кВ расстояние между опорами (пролетами) достигает 400 метров, причем линии электропередач могут располагаться в труднодоступных районах. Известно, что высоковольтные линии электропередач оснащены системами грозозащиты. Для воздушных линий электропередач для защиты от ударов молнии характерно применение грозотросов, натянутых между опорами. Один из паспортных параметров, характеризующий грозотрос - это максимальный ток, который он выдерживает без разрушения, в течение определенного времени. Конструктивно грозотросы специальной конструкции состоят из свитых определенным образом отдельных металлических проводников и оснащены оптоволокном, служащим для передачи информации. Конструкцию таких грозотросов можно посмотреть на сайтах производителей грозотросов с оптическим волокном, например, кабель типа ОКГТ производства фирмы Инкаб (Инкаб (incab.ru), [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://incab.ru/useful-information/documents/#doc_0, вход свободный - (07.06.2023).

Удар молнии в грозотрос вызывает протекание через него тока, что при превышении тока паспортного значения может привести к его повреждению -расплавлению части проводников и как следствие допустимых токов. Возможные повреждения грозотроса с оптическим волокном от удара молнии подробно рассмотрены на сайте компании Альфа ЭМС (Альфа ЭМС (alfa-ems.ru) [Электронный ресурс] в разделе Информация - Грозозащитный трос с оптическим волокном. Термическая стойкость к прямому удару молнии. - Режим доступа: https://alfa-ems.ru/info/grozozashhimyiy-tros-s-opticheskim-voloknom, вход свободный - (07.06.2023).

Актуальной задачей является определение места повреждения грозотроса при попадании в него молнии. Определение возможного места повреждения грозотроса основано на эффекте Фарадея, который заключается в изменении поляризации светового потока в оптическом волокне под воздействием магнитного поля, когда в грозотросе начинает протекать ток, создающий сильное продольное магнитное поле. Для удара молнии характерно быстрое нарастание тока, что, в свою очередь, приводит к быстрому вращению вектора поляризации оптического сигнала. В источниках (см., например, сайт компании ЭЛКОН, [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://electro-control.ru/info/5l-priroda-molnii-grozozashchita.html, вход свободный - (07.06.2023) описаны стадии развития грозового разряда и параметры, характеризующие разряд молнии. Например, зарегистрированные амплитудные значения тока молнии в грозотрос могут достигать 200…300 кА при длительностях фронта импульса тока молнии от долей микросекунды до нескольких десятков микросекунд.

Известна система контроля тока молнии LM-S, предназначенная для регистрации и анализа ударов молний в реальном времени (НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ (www.phoenix.nt-rt.ru), [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://phoenix.nt-rt.ru/images/manuals/zashita_molnii_lms.pdf, вход свободный - (17.05.2023). Данная система ориентирована на регистрацию токов молнии для сооружений, расположенных в открытой незащищенной зоне, как-то: ветропарки в прибрежных областях, радиомачты, комплексы отдыха или высокие здания. Она передает данные о силе удара в онлайн-режиме, исходя из типовых параметров молний. За счет данных о рабочих параметрах оборудования и проводимых измерений система обеспечивает возможность поиска оптимального решения для выполнения задач контроля и технического обслуживания. Недостатком такой системы является то, что она по сути предназначена для установки на одном объекте и практически не пригодна для протяженных линий электропередач.

Известны «Система, способ и устройство для обнаружения местоположения молний» (патент РФ №2662457 С1, опубл. 26.07.2018). Система обнаружения молний содержит базу данных обнаружения местоположения молний и блок анализа, выполненный с возможностью приема от множества переносных устройств связи по сети связи данных, указывающих на местоположения переносных устройств связи и расстояния между разрядом молнии и переносными устройствами связи; обнаружения местоположения разряда молнии частично на основании данных, указывающих на расстояния от разряда молнии до местоположений переносных устройств связи и сохранения местоположения разряда молнии в базе данных обнаружения местоположения молний. Известное техническое решение имеет низкую точность и не позволяет определять факт и место удара молнии удара молнии в грозотрос, что делает применение такой системы проблематичным для протяженных линий электропередач.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению - прототипом -является многоканальный распределенный датчик мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи, содержащий источник поляризованного оптического излучения, функционально связанное с компьютером устройство приема и измерения параметров оптического излучения, и два взаимно параллельно размещенных в грозотросе оптоволокна, объединенных с одной стороны обратной петлей с формированием прямого и обратного канала, а с другой стороны образующих соответственно вход и выход оптического излучения (Optica Publishing Group, [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-25-9-9689&id=363200, вход свободный - (06.06.2023). Прототип позволяет обнаружить вдоль кабельного пути место переходного процесса состояния поляризации оптического процесса (СОП). Благодаря обратной петле, каждый переходный процесс СОП регистрируется, как пара переходных процессов (по одному от каждого направления распространения), что позволяет определять место или множества мест (что по сути и делает датчик многоканальным) возникновения переходного процесса. В прототипе переходные процессы регистрируются поляриметром Novoptel РМ-500, который отбирает образец вектора Стокса со скоростью 100 МГц с аналоговой полосой пропускания параметра Стокса 35 МГц. Самая длинная дуга, которая может возникнуть между любыми двумя образцами вектора Стокса для выборки конечного объема, должна иметь длину меньше или равную π, что ограничивает максимально измеримую угловую скорость вращения вектора поляризации значением 19,6 Мрад/с.Таким образом, прототип обладает ограниченной областью применения, поскольку имеет ограничение максимально измеримой угловой скорости 19,6 Мрад/с, что не позволяет регистрировать превышающие это значение изменения угловой скорости вращения вектора поляризации большими значениями токов, возникающих в грозотросе при попадании в него разряда молнии, способного вызвать его механическое повреждение за счет быстрого локального нагрева.

Таким образом, выявленная проблема - обеспечение возможности оценки больших значений токов в грозотросе при попадании в него разрядов молнии, характерных для значений угловой скорости вращения вектора поляризации свыше 19,6 Мрад/с.

Технический результат - повышение технологических возможностей многоканального распределенного датчика мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи за счет расширения диапазона измерений.

Проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что многоканальный распределенный датчик мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи, содержащий источник поляризованного оптического излучения, функционально связанное с компьютером устройство приема и измерения параметров оптического излучения, и два взаимно параллельно размещенных в грозотросе оптоволокна, объединенных с одной стороны обратной петлей с формированием прямого и обратного канала, а с другой стороны образующих соответственно вход и выход оптического излучения, снабжен сохраняющим поляризацию оптическим разветвителем, а устройство приема и измерения параметров оптического излучения выполнено в виде функционально соединенных между собой балансного фотодетектора, полосового усилителя, частотного детектора, аналого-цифрового преобразователя, порогового устройства и блока обработки сигналов, причем выход оптического излучения обратного канала соединен с сигнальным входом балансного фотодетектора, выход балансного фотодетектора через последовательно включенные полосовой усилитель и частотный детектор соединен с информационными входами аналого-цифрового преобразователя и порогового устройства, информационные выходы и управляющие входы которых соединены с соответствующими входами и выходами блока обработки сигналов, выход которого соединен с компьютером, а выход источника поляризованного оптического излучения соединен с входом сохраняющего поляризацию оптического разветвителя, первый выход которого соединен с входом оптического излучения прямого канала, а второй выход соединен с гетеродинным входом балансного фотодетектора.

Изобретение иллюстрируется изображением, на котором схематически представлен заявленный многоканальный распределенный датчик мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи.

Цифровые позиции на представленном изображении означают следующее:

1 - источник поляризованного оптического излучения;

2 - двунаправленный оптический канал связи;

3 - компьютер;

4 - устройство приема и измерения параметров оптического излучения;

5 - оптоволокно;

6 - вход оптического излучения;

7 - выход оптического излучения;

8 - обратная петля;

9 - оптический разветвитель, сохраняющий поляризацию;

10 - выходной оптический усилитель;

11 - входной оптический усилитель;

12 - балансный фотодетектор;

13 - полосовой усилитель;

14 - частотный детектор;

15 - аналого-цифровой преобразователь;

16 - блок обработки сигналов;

17 - пороговое устройство.

Заявленный многоканальный распределенный датчик мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи (далее так же именуемый просто «датчик») содержит источник поляризованного оптического излучения 1, функционально связанное с компьютером 3 устройство приема и измерения параметров оптического излучения 4, и два взаимно параллельно размещенных в грозотросе оптоволокна 5 (указанные оптоволокна 5 должны входить в состав размещаемого в грозотросе двунаправленного оптического канала связи 2) и, объединенных с одной стороны обратной петлей 8 с формированием прямого и обратного канала, а с другой стороны образующих соответственно вход 6 и выход 7 оптического излучения (для согласования уровней оптических сигналов двунаправленного оптического канала связи 2 с устройством приема и измерения параметров оптического излучения 4, целесообразно предусмотреть наличие выходного 10 и входного 11 оптических усилителей). Датчик снабжен сохраняющим поляризацию оптическим разветвителем 9. Устройство приема и измерения параметров оптического излучения 4 выполнено в виде функционально соединенных между собой балансного фотодетектора 12, полосового усилителя 13, частотного детектора 14, аналого-цифрового преобразователя 15, порогового устройства 17 и блока обработки сигналов 16. Выход 7 оптического излучения обратного канала (через входной оптический усилитель 11) соединен с сигнальным входом балансного фотодетектора 12, выход балансного фотодетектора 12 через последовательно включенные полосовой усилитель 13 и частотный детектор 14 соединен с информационными входами аналого-цифрового преобразователя 15 и порогового устройства 17, информационные выходы и управляющие входы которых соединены с соответствующими входами и выходами блока обработки сигналов 16, выход которого соединен с компьютером 3, а выход источника поляризованного оптического излучения 1 соединен с входом сохраняющего поляризацию оптического разветвителя 9, первый выход которого соединен (через выходной оптический усилитель 10) с входом 6 оптического излучения прямого канала, а второй выход соединен с гетеродинным входом балансного фотодетектора 12.

Датчик, работа которого основана на эффекте Фарадея, заключающемся в изменении поляризации светового потока под воздействием магнитного поля, работает следующим образом. Оптическое излучение поляризованного источника излучения 1, проходя через сохраняющий поляризацию оптический разветвитель 9, поступает на вход 6 двунаправленного оптического канала связи 2 (далее канал связи 2). Канал связи 2 размещен в грозотросе, оснащенном стандартным одномодовым волокном 5 (например - G.652). Оптическое излучение поляризованного источника излучения 1, пройдя через оптоволокно 5 в прямом направлении, закольцовывается с помощью обратной петли 8 и распространяется в обратном направлении. Протяженность двунаправленного оптического канала связи 2 может составлять сотни и даже тысячи километров. Двунаправленный оптический канал связи 2 в своем составе содержит оптические усилители, как например, в рассмотренном прототипе (конфигурация канала связи 2 не рассматривается, поскольку не является предметом настоящего изобретения). Необходимо чтобы волокна 5 прямого и обратного распространения оптического излучения были конструктивно размещены в грозотросе двунаправленного оптического канала связи 2 в непосредственной близости друг от друга (размещены параллельно), что обеспечивается конструкцией кабеля. В результате удара молнии в грозотрос происходит быстрое нарастание тока в нем за весьма короткое время от долей до единиц микросекунд. Ток создает сильное магнитное поле, которое вызывает вращение вектора поляризации. Скорость вращения вектора поляризации оптического излучения может достигать 200 Мрад/сек и более. На выходе 7 двунаправленного канала связи 2, как это рассмотрено в прототипе, сначала возникает сигнал, распространяющийся в обратном направлении и характеризующий удар молнии, а затем появляется сигнал, прошедший в прямом и в обратном направлении. Оптическое излучение, прошедшее через двунаправленный канал связи 2 поступает в устройство приема и измерения параметров оптического излучения 4, в котором анализируется скорость вращения вектора поляризации оптического излучения, прошедшего через двунаправленный канал связи 2. В устройстве приема и измерения параметров оптического излучения 4 реализован принцип, основанный на гетеродинном приеме оптического излучения с прямым преобразованием частоты (переносом на «нулевую» частоту) и с последующим анализом электрических сигналов, полученных в результате преобразования. Такая реализация устройства приема и измерения параметров оптического излучения взамен поляриметра, используемого в прототипе, позволяет регистрировать (как показали описанные ниже эксперименты) существенно более высокие скорости вращения вектора поляризации, а в заявленной совокупности - существенно более высокие значения воздействующих на грозотрос токов разрядов молний.

Оптическое излучение с выхода 7 канала связи 2 поступает (через усилитель 11) на сигнальный вход балансного фотодетектора 12 устройства приема и измерения параметров оптического излучения 4, а на гетеродинный вход балансного фотодетектора 12 поступает оптическое излучение поляризованного источника излучения 1 со второго выхода, сохраняющего поляризацию оптического разветвителя 9. В процессе работы на выходе балансного фотодетектора 12 присутствует переменный сигнал, вызванный разностью частот на его входах, вследствие несовпадения мгновенной частоты источника оптического излучения 1 и частоты оптического излучения, прошедшего через канал связи 2. Также состояние поляризации оптического излучения, проходя через канал связи 2 изменяется под воздействием внешних факторов (таких как, температура, вибрация и другие). В этих «спокойных» условиях в отсутствии ударов молнии на выходе балансного фотодетектора 12 присутствует «мешающий» сигнал, частоты которого обычно не превышают килогерц. По сути эти частоты вращения вектора поляризации отображают некий естественный фон состояния линии - в нашем случае - мешающие сигналы. Далее переменный сигнал с выхода балансного фотодетектора 12 поступает на вход полосового усилителя 13, в котором происходит избирательное усиление и ограничение сигнала. Диапазон частот полосового усилителя 13 определяется исходя из режектирования мешающих сигналов и из необходимости выделения возможных частот вращения вектора поляризации, вызванных ударом молнии в грозотрос. Ограничение сигнала необходимо с целью исключения влияния при последующей обработке амплитудных изменений сигнала на результат детектирования частот вращения вектора поляризации, характеризующих удар молнии в грозотрос. В результате удара молнии с выхода полосового усилителя 13 на вход частотного детектора 14 поступает высокочастотный переменный сигнал, который в результате детектирования на его выходе преобразуется в однополярный сигнал, величина которого пропорциональна значению частоты на его входе. Этот сигнал, будучи соответствующим образом тарирован, в полной мере отражает характер скорости нарастания изменения тока, протекающего через грозотрос, и оценки величины тока, чем выше скорость вращения вектора поляризации, тем больше величина тока. Сигнал с выхода частотного детектора 14 поступает на информационные входы аналого-цифрового преобразователя 15 и порогового устройства 17. В аналого-цифровом преобразователе 15 происходит преобразование однополярного сигнала с выхода частотного детектора 14 в цифровой код, который поступает на первый информационный вход блока обработки сигналов 16, на второй информационный вход которого с информационного выхода порогового устройства 17 поступает сигнал, свидетельствующий о превышении тока в грозотросе допустимого значения. Первый управляющий выход блока обработки сигналов 16, подключенный к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 15 обеспечивает взаимную синхронизацию их работы, его второй управляющий выход задает порог срабатывания порогового устройства 17. Блок обработки сигналов 16 обеспечивает взаимную синхронизацию, предварительную обработку и передачу по каналу связи полученной информации в компьютер 3. Компьютер 3 также по каналу связи задает исходные данные для настройки режима работы блока обработки сигналов 16.

Пример реализации заявленного датчика. Работа заявленного датчика оценивалась методом полунатурного моделирования заявленного технического решения с целью подтверждения возможности оценки вращения вектора поляризации с угловыми частотами вращения превышающие 19,6 Мрад/с.В экспериментальном стенде лазерное излучение, как и прототипе создавалось с помощью немодулированного транспондера Ciena производительностью 10G, которое через сохраняющий поляризацию оптический разветвитель 9, например, типа РМТС-15-РМ-ТАР, поступало на вход имитатора канала связи 2, состоящего из двух отрезков волокна длиной 10 километров каждый, между которыми был включен скрэмблер Novoptel ЕРС1000, позволяющий изменять оптическую поляризацию со скоростью до 50 Мрад/с.С помощью скрэмблера имитировался «удар» молнии за счет создания вращения вектора поляризации оптического излучения, распространяющегося в оптической линии. Изменяя во времени скорость вращения вектора поляризации можно смоделировать стандартный импульс грозовых токов напряжения (испытания регламентированы ГОСТ 1516.2-76). Выход канала связи 2 подключался к входу балансного фотодетектора 12, на гетеродинный вход которого с выхода оптического разветвителя 9 подавалось оптическое излучение источника лазерного излучения 1 (транспондера). В качестве балансного детектора 12 был применен балансный фотодетектор типа LSM-DET-BHS-W1-150M с полосой пропускания до 150 МГц. Полосовой усилитель двухкаскадный с включенным между каскадами полосовым фильтром с частотами среза 1 МГц и 150 МГЦ. В качестве усилительных элементов были применены микросхемы быстродействующих операционных усилителей типа К1432УД11/12. Суммарный коэффициент передачи выбирался таким образом, чтобы обеспечить ограничение сигнала в полосе пропускания. В качестве частотного детектора 14 было применено стандартное решение, реализующее принцип цифрового частотного детектирования и позволяющее получить практически линейную зависимость выходного напряжения от частоты в интересующем нас диапазоне входных частот (см., например, Цифровой частотный детектор. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://vikidalka.ru/2-118561.html?ysclid=li30yti4qf196676859 (07.062023). Пороговое устройство 17 реализовано на операционном быстродействующем усилителе, например, типа К1432УД6. В основу реализации аналого-цифрового преобразователя 15 положена микросхема типа AD9265BCPZ-125, работающая с частотой преобразования равной 100 МГц, что в соответствии с теоремой Котельникова позволяет преобразовывать частоты до 50 МГц. Блок обработки сигналов 16 реализован на основе программируемых матриц, например, типа FPGA ICE40HX8K. В процессе проверки предложенного технического решения с помощью скрэмблера Novoptel ЕРС1000 осуществлялось вращение вектора поляризации со скоростями 10 Мрад/с, 20 Мрад/с, 30 Мрад/с и 40 Мрад/с.Предложенное техническое решение позволило зафиксировать эти значения.

Таким образом, изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема - обеспечение возможности оценки больших значений токов в грозотросе при попадании в него разряда молнии, характерных для значений угловой скорости вращения вектора поляризации свыше 19,6 Мрад/с - решена, а заявленный технический результат - повышение технологических возможностей многоканального распределенного датчика мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи за счет расширения диапазона измерений -достигнут.

Изобретение относится к устройствам для мониторинга в реальном времени места ударов молний в грозотрос линий электропередач. Сущность: устройство содержит источник (1) поляризованного оптического излучения, двунаправленный оптический канал (2) связи, компьютер (3), устройство (4) приема и измерения параметров оптического излучения, оптический разветвитель (9), выходной оптический усилитель (10), входной оптический усилитель (11). Устройство (4) приема и измерения параметров оптического излучения содержит балансный фотодетектор (12), полосовой усилитель (13), частотный детектор (14), аналого-цифровой преобразователь (15), блок (16) обработки сигналов и пороговое устройство (17). В состав двунаправленного оптического канала (2) связи входят оптоволокна (5), объединенные с одной стороны обратной петлей (8), а с другой стороны образующие вход (6) и выход (7) оптического излучения. Технический результат: расширение диапазона измеряемых значений. 1 ил.

Многоканальный распределенный датчик мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи, содержащий источник поляризованного оптического излучения, функционально связанное с компьютером устройство приема и измерения параметров оптического излучения и два взаимно параллельно размещенных в грозотросе оптоволокна, объединенных с одной стороны обратной петлей с формированием прямого и обратного канала, а с другой стороны образующих соответственно вход и выход оптического излучения, отличающийся тем, что он снабжен сохраняющим поляризацию оптическим разветвителем, а устройство приема и измерения параметров оптического излучения выполнено в виде функционально соединенных между собой балансного фотодетектора, полосового усилителя, частотного детектора, аналого-цифрового преобразователя, порогового устройства и блока обработки сигналов, причем выход оптического излучения обратного канала соединен с сигнальным входом балансного фотодетектора, выход балансного фотодетектора через последовательно включенные полосовой усилитель и частотный детектор соединен с информационными входами аналого-цифрового преобразователя и порогового устройства, информационные выходы и управляющие входы которых соединены с соответствующими входами и выходами блока обработки сигналов, выход которого соединен с компьютером, а выход источника поляризованного оптического излучения соединен с входом сохраняющего поляризацию оптического разветвителя, первый выход которого соединен с входом оптического излучения прямого канала, а второй выход соединен с гетеродинным входом балансного фотодетектора.