Мониторинг ЛЭП по оптическому волокну в грозозащитном тросе или фазном проводе

Развитие электроэнергетики в ближайшие годы определяется на основе документа «Энергетическая стратегия России на период до 2035 года». При этом основными аспектами являются:

• повышение надежности снабжения электроэнергией;
• повышение эффективности на базе современных технологий.

Очевидно, что повышение надежности может быть достигнуто за счет снижения частоты возникновения аварийных ситуаций. Это комплексная и нетривиальная задача, которая затрагивает множество сфер и областей и включает в себя:

• использование современных и качественных материалов при строительстве и реконструкции ЛЭП;
• грамотное проектирование;
• соблюдение норм и правил при монтаже;
• надлежащее обслуживание при эксплуатации;
• непрерывный мониторинг и своевременное выявление потенциально аварийных ситуаций.

Таким образом, мониторинг состояния линий электропередач является важной частью стратегической задачи повышения надежности снабжения электроэнергией. Реализация такого подхода возможна как на основе уже зарекомендовавших себя методов, вплоть до периодического визуального осмотра каждого километра линии, так и с применением новых решений, позволяющих значительно снизить временные и материальные затраты и использующих новейшие технические достижения.

Причины аварийных ситуаций на ЛЭП

Согласно статистике центра исследований и разработок ФСК ЕЭС основными причинами возникновения аварийных ситуаций на линиях 110–220 кВ являются:

• атмосферные перенапряжения — 70%
• воздействие ветра и льда — 12%
• птицы — 5%
• внешние воздействия — 5%
• вибрация — 3%
• старение — 2%
• другие факторы — менее 1%.

Аварийные ситуации приводят к обрывам линий электропередач, перебоям в обеспечении электроснабжения, выходу из строя дорогостоящего оборудования и длительному и затратному ремонту.

Возможности систем мониторинга ЛЭП на основе оптоволокна

Оптическое волокно может использоваться не только как линия передачи данных, но и как протяженный чувствительный элемент, способный детектировать изменения различных величин.

Для этого применяются специальные устройства с лазерным источником, которые посылают импульсы в оптическое волокно и на основе анализа обратного рассеивания позволяют определить величину воздействий вдоль всей линии.

Типы приборов для мониторинга

• DTS (Distributed Temperature Sensing) — система распределенного мониторинга температуры.
  Принцип действия основан на рассеянии Рамана и изменении его величины при изменении температуры. Блок обработки получает данные о величине рассеяния по длине оптического волокна. При этом сама волоконно-оптическая линия представляет собой по сути тысячи точечных датчиков, что является неоспоримым преимуществом таких систем. Быстродействие и точность измерений находятся в обратной зависимости, т.е. чем точнее необходимо измерять температуру, тем больше времени требуется и наоборот, если достаточно погрешности в несколько градусов, то быстродействие увеличивается.
• Конкретные характеристики определяются производителями, но в целом возможно определять температуру с погрешностью в десятые доли градуса на длине в 50–100 км. В качестве распределенного датчика может использоваться обычное одномодовое волокно.

• DAS (Distributed Acoustic Sensing) — система распределенного мониторинга акустических сигналов. Принцип действия основан на рассеянии Релея и его изменении при различных виброакустических колебаниях окружающей среды. Оптическое волокно при этом играет роль протяженного виртуального микрофона. По сути блок обработки сигналов позволяет понять, что происходит в линии, когда нет возможности увидеть это.
  В зависимости от необходимого пространственного разрешения и длины линии производители выпускают различные типы приборов. Система также может работать на стандартном одномодовом волокне на длинах до 50 км.
• DSS (Distributed Strain Sensing) — система распределенного мониторинга напряжений, возникающих в волокне. Принцип действия основан на рассеянии Бриллюэна и изменении его величины при удлинении волокна. Блок обрабатывает сигналы и определяет степень удлинения волокна в каждой его точке по длине линии.
  Как и предыдущие системы, работает на стандартном одномодовом волокне с высокой разрешающей способностью, что позволяет определить удлинения волокна с точностью до сотых процента.

Оптическое волокно на линиях электропередач может присутствовать в виде различных оптических кабелей:

• ОКСН — самонесущий оптический кабель. Не является основным элементом на высоковольтной линии. Служит для организации канала волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). Подвес ОКСН приводит к дополнительным нагрузкам на опоры, кроме того, его применение ограничено на линиях 110 кВ и выше ввиду возможного образования трекинговых разрядов на поверхности оболочки кабеля, которые приводят к ее деградации. Статистические данные ПАО «Ростелеком» показывают, что ОКСН наиболее часто выходит из строя в сравнении с другими типами кабелей.

• ОКГТ — оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос. Сам грозозащитный трос является основным элементом ВЛ напряжением от 35 кВ и по сути является продуктом «2 в 1»: предотвращает удары молнии в провода и одновременно является каналом связи. Не создает дополнительные нагрузки на опоры, исключает дополнительные затраты на монтаж и обслуживание. Будучи подвешенным в самой высокой точке, является наиболее надежным решением, согласно статистике ПАО «Ростелеком». Срок службы в два раза выше, чем у ОКСН (50 лет). В связи с тем, что в 2018 году произошел резкий рост цен на арамид, используемый в ОКСН, применение ОКГТ на ВЛ стало еще более экономически целесообразным.

• ОКФП — оптический кабель, встроенный в фазный провод. Фазные провода также являются основным элементом ВЛ, но ОКФП в настоящее время находит ограниченное применение. ОКФП используется как резервный канал связи там, где уже используется ОКГТ или ОКСН, а также на больших спецпереходах, где применение ОКСН или ОКГТ физически невозможно. Основными сдерживающими факторами применения ОКФП являются отсутствие нормативной документации и соответствующего опыта при проектировании, монтаже и эксплуатации. Однако, например, в энергетике Китая ОКФП применяется намного шире.

На основе различных типов систем мониторинга и оптических кабелей, которые могут выступать в качестве распределенных датчиков, рассмотрим возможные варианты их применения на высоковольтных линиях (рис. 4).

Возможно создание двух типов систем мониторинга линий электропередач:

• предупредительные (П). Система предупреждает о возможности возникновения аварийной ситуации, тем самым давая возможность оперативно реагировать и предпринимать необходимые меры для ее предотвращения.
• обслуживающие (О). Система локализует место возникновения аварийной ситуации, тем самым снижая временные и материальные затраты на обнаружение повреждений.

Возможные варианты применения систем для мониторинга на ВЛ

Цель контроля температуры при плавке гололеда на грозозащитном тросе состоит в том, чтобы не допускать перегрев оптического волокна. Для этого система своевременно отключает ток плавки. Данные системы представлены на рынке в промышленном исполнении и эксплуатируются, в частности в МЭС Юга.

Контроль температуры фазного провода актуален на ВЛ, где зачастую необходимо увеличивать передаваемую мощность и токовую нагрузку для потребителей. При заданных климатических условиях возможно эффективное использование всех ресурсов ВЛ, не допуская при этом возникновения аварийных ситуаций и соблюдая требуемые габариты проводов до пересечений (ВЛ, ж/д, автомагистрали). Системы контроля температуры и токовых нагрузок силовых кабелей широко распространены и применяются повсеместно. Для этого в броню силового кабеля вместо одной из проволок помещается стальной оптический модуль с волокном, по которому производится мониторинг. Аналогично данную систему можно применять и для воздушных ВЛ и фазных проводов, где, как показано на рис.3, стальной модуль с волокном также заменяет собой одну из проволок. При этом механические и электрические характеристики ОКФП практически соответствуют характеристикам фазного провода без оптического волокна.

Контроль состояния изоляторов на ВЛ возможен при помощи оптического волокна, встроенного как в грозозащитный трос, так и в фазный провод. При этом используется система акустического мониторинга, когда волокно, как распределенный виртуальный микрофон, «слышит» характерный треск неисправных изоляторов, требующих замены. Возможность создания подобных систем исследована теоретически и нуждается в экспериментальной проверке. В связи с этим, в настоящее время прорабатывается вопрос проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по данной тематике.

Обнаружение места удара молнии и коротких замыканий на ВЛ особенно актуально для эксплуатирующих подразделений. Каждое аварийное событие требует визуального осмотра места возможного повреждения. Имеющиеся средства диагностики не позволяют с достаточной степенью точности локализовать событие на ВЛ. В связи с этим аварийно-восстановительные бригады тратят большое количество времени на обследование ВЛ. Зачастую доступ к линии затруднен болотами, лесами и не всегда удается быстро обнаружить, в какое место грозозащитного троса произошел удар молнии или где произошло короткое замыкание.

Системы акустического мониторинга по ОКГТ позволяют по характерным звуковым событиям достоверно локализовать место удара молнии или возникновения КЗ, вплоть до нескольких метров. Благодаря этому значительно сокращается время работы бригад, позволяя быстро и оперативно восстанавливать работоспособность линий. В настоящее время запланировано проведение экспериментальных испытаний, которые позволят откалибровать и настроить системы на максимально эффективную работу.

Обнаружение активности вблизи ВЛ актуально для предотвращения несанкционированных работ в охранной зоне. Система акустического мониторинга может работать как по ОКГТ, так и по ОКФП, «слыша» подъезд техники, воздействие на опоры, выстрелы из ружья и т.п. события. Благодаря этому возможен оперативный выезд бригады для предотвращения аварийной ситуации на ВЛ. В настоящее время система также находится в состоянии экспериментального тестирования.

Контроль начала гололедообразования возможен с помощью систем распределенного мониторинга напряженного состояния волокна. Для этого в ОКГТ или ОКФП одно из волокон помещают в преднатянутом состоянии. В то время как волокна, предназначенные для связи, укладываются в стальной модуль с небольшой избыточной длиной. Делается это для того, чтобы при возникновении нагрузок на грозотрос или фазный провод в результате воздействия льда или ветра, волокно не подвергалось удлинению. Преднатянутое волокно при любом изменении нагрузки сразу же начинает удлиняться, что своевременно фиксирует система. Таким образом, даже небольшое удлинение ОКГТ или ОКФП при гололедообразовании регистрируется и предпринимаются дальнейшие превентивные меры, например плавка гололеда. Весной 2018 года на территории Завода «Инкаб» был смонтирован стенд, на котором между двумя опорами подвешен ОКГТ с преднатянутым волокном, а система производства VIAVI на основе бриллюэновского рефлектометра определяет изменение нагрузки на грозотрос (рис. 5 и 6).

В настоящее время в ПермЭнерго проводятся работы по организации опытно-промышленной эксплуатации подобной системы.

Заключение

Волоконно-оптические линии связи на ВЛ прошли трансформацию от простой функции передачи данных от точки А до точки В к цифровизации, когда с помощью этих линий становится возможным дистанционное управление и диспетчеризация различных систем и оборудования в электроэнергетике. Очевиден дальнейший тренд перехода от цифровых ЛЭП к умным ЛЭП, позволяющего развернуть распределенные системы мониторинга по всей длине линии. Несмотря на то, что стоимость самих систем в настоящее время достаточно велика, неизбежно их массовое применение в будущем и, следовательно, снижение стоимости. Ровно такой же путь прошли системы мониторинга силовых кабельных линий: от редких и дорогих первых систем к повсеместному использованию на линиях 110 кВ и выше. И здесь в выигрыше оказались те компании, которые заранее, при модернизации линий, приобретали силовые кабели с оптическим волокном внутри, а в дальнейшем достаточно легко оснащали их системами мониторинга.

Именно поэтому важно уже сейчас при строительстве новых линий и реконструкции существующих использовать возможности и сразу закладывать оптическое волокно и в грозозащитный трос на всей длине ВЛ и в фазный провод на особо ответственных участках. Даже не приобретая систему мониторинга сразу, компания закладывает возможность ее применения в дальнейшем, без капитальных затрат на модернизацию самой инфраструктуры ЛЭП. Строительство ВЛ с использованием оптических волокон перспективно и экономически оправдано, так как позволяет решать сразу три задачи: передача данных, цифровизация и мониторинг.