Преимущества обнаружения частичного разряда с помощью гибридного решения, включающего использование передачи мощности по оптоволокну (Power-over-Fiber) и флуоресцентного оптоволоконного датчика

Егор Сердюк¹, Mico Perales², Чен-лян Ву², Мей-Хуан Ян²

1)ОЭС Спецпоставка

2)MH GoPower Company Limited, № 6-2, Люк 3 Роуд, район Лучжу, Гаосюн-Сити 821, Тайвань

1.   ВВЕДЕНИЕ

1.1 Частичный разряд и методы его обнаружения

Частичный разряд (ЧР) является явлением, которое происходит, когда напряженность электрического поля превышает напряжение пробоя изолятора. Оно происходит в электрических устройствах высокого или среднего напряжения, таких как распределительные электрические шкафы, двигатели, преобразователи, генераторы и тд. Оказывая негативное влияние на работоспособность оборудования, ЧР требует внимательного контроля и мониторинга, что позволяет оптимизировать профилактические работы и избежать чрезвычайных ситуаций. Сценарии обнаружения ЧР включают периодический и постоянный контроль основных узлов. В современных системах более предпочтителен непрерывный долгосрочный мониторинг в режиме «онлайн», который позволяет своевременно реагировать на изменения в работе объектов электроэнергетики.

ЧР может быть обнаружен с помощью нескольких методик. Основные приведены на Рисунке 1

Switchgearcabinet – шкаф коммутационной аппаратуры

PDgeneratedphysicalphenomena – физические явления, вызванный частичным разрядом

Light - свет

Sound - звук

Discharge - разряд

Dielectric loss – потеридиэлектрика

EM waves – ЭМволны

Heat - тепло

Chemical effects – химическиеэффекты

Detecting methods – методыобнаружения

UV optical – УФоптический

Acoustic energy – акустическаяэнергия

Pulse current – импульсныйток

Microwave – электромагнитныеволны

IR or contact sensors – ИКиликонтактныйдатчик

DGA – АРГ (анализ растворенных газов)

Рисунок 1: Методы обнаружения частичного разряда

Все методы имеют сильные и слабые стороны, поэтому ни один из методов не используется во всех типах оборудования: выбор метода обнаружения диктуется спецификой применения. Так, например, в преобразователях часто используется контроль акустической энергии, так как акустические волны, вызванные разрядом, хорошо передаются через твердотельные масляные преобразователи и их стенки из металла. Для высоковольтных кабелей ЧР приводят к колебаниям электрического тока, которые можно точно измерить непосредственно в кабеле или в заземляющем проводнике. А метод обнаружения электромагнитных (ЭМ) волн часто используется для шкафов коммутационной аппаратуры, где УВЧ антенна может быть помещена на внутреннюю стенку шкафа и детектировать большинство событий ЧР^[1].

1.2 Обнаружение частичного разряда оптическими методами

Частичный разряд вызывает генерацию оптического излучения, которое может быть обнаружено оптическими датчиками. Спектр сгенерированного ЧР света варьируется от УФ до видимого диапазона в зависимости от энергии ЧР^[2]. Так как цель системы мониторинга ЧР состоит в предотвращении негативных последствий, основное внимание уделяется обнаружению низкоэнергетических событий ЧР до того, как они станут высокоэнергетическими опасными событиями. Основные оптические методы таковы:

1. Размещение УФ фотодетектора рядом с источником потенциального УФ излучения. Является самым простым оптическим методом  
2. Использование флуоресцирующих веществ. Флуоресцирующее вещество, прикрепленное к наконечнику оптоволокна, работает как точечный датчик. Поглощённый ультрафиолетовый свет вызывает флюоресценцию материала в оптоволоконном наконечнике, при этом часть излученной энергии видимого диапазона передается по оптоволокну для удаленного. Одной из вариаций такого метода является использование U-образного оптоволоконного датчика (как и в точечном, оголенное оптоволокно покрывается флуоресцирующим веществом) ^[3].
3. Использование оптоволокна с жилой, легированной флуоресцирующим веществом ^[4]. В отличие от предыдущих двух, этот метод не является точечным. Такие датчики могут быть интегрированы в силиконовую резиновую изоляцию, которая окружает высоковольтные кабели, так, чтобы флуоресцентное волокно было вблизи источника, генерирующего ЧР, который может произойти в изолированных точках подключения, в интерфейсах проводниковой изоляции или в самой изоляции ^[5].

Каждый из методов имеет свои недостатки. Точечные датчики (1 и 2 метод) имеют ограничение в угле приема. Кроме того, оба этих датчика могут принимать свет только на небольшой площади, что приводит к низкой чувствительности и ограниченному полю зрения. В свою очередь, ограниченное поле зрения в датчиках этих типов означает, что требуется множество датчиков для достаточного охвата большого отсека, такого как шкаф коммутационной аппаратуры. Легированный флуоресцентный оптоволоконный датчик имеет преимущество в том, что он может принимать свет и флуоресцировать вдоль всей длины флуоресцентного оптоволокна, что значит, что он имеет способность к обнаружению низких уровней ЧР, а также обнаруживать ЧР из намного более широкой области. Однако, его слабость состоит в высоком затухании в легированной жиле оптоволокна, около ~300 дБ/км^[4] (до 11 000 дБ/км в некоторых случаях^[5]). Поэтому существует предел максимальной длины эффективной передачи (2 м для 85% эффективности передачи) ^[4]. Общее решение этого ограничения состоит в соединении легированного волокна со стандартным волокном с малым затуханием, которое передаст излучение к удаленному фотодетектору.

2.   Системы обнаружения ЧР НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ pof, СОЗДАННОЙ MHGopower

2.1 Обзор систем оптического обнаружения ЧР с применением PoF

Одно из применений, где требуется мониторинг ЧР, это оборудование коммутационной аппаратуры. При высокой температуре и/или высокой влажности может произойти ЧР, вызывая повреждения и отказ оборудования. Поэтому компанией MHGP была разработана система мониторинга ЧР с технологией передачи мощности по волокну (PoF), предназначенная специально для шкафов коммутационной аппаратуры. Система может контролировать температуру шины, температуру окружающей среды, влажность в шкафу, а также частичный разряд.

Система непрерывного мониторинга ЧР с технологией PoF от MHGP отправляет лазерное излучение через оптоволоконный кабель, который подключается к модулю датчика. Модуль датчика содержит фотогальванический элемент, преобразующий лазерное излучение в электричество. Оно дает питание любым датчикам или электронике передачи данных, которая интегрирована в модуль датчика. Поскольку модуль датчика запитан через абсолютно непроводящее оптоволокно, он может быть помещен в любое место в шкафу коммутационной аппаратуры.

Модуль датчика может включать отдельные датчики любых типов, включая оптические. Исходный коммерческий продукт MHGP использует обнаружение оптического УФ и видимого излучения. Такой подход был выбран для обнаружения разрядов, которые могут происходить в ограниченных местах, например, вблизи механических соединений рычажков прерывателя или неизолированных кабельных соединений.

Система мониторинга ЧР включает головной лазерный модуль (ГЛМ) и один или несколько модулей датчика, подключенных двумя оптическими многомодовыми волокнами. По одному волокну ГЛМ передает мощность, а по второму получает показания от модуля датчика.

2.2 Описание конструкции системы

Рисунок 2 показывает одноканальный ГЛМ, подключенный к модулю датчика через два оптоволокна (оранжевое для подачи мощности на фотогальванический элемент, а желтое для передачи данных).

LDM- laser data module (Single channel LDM) – ГЛМ – головной лазерный модуль (одноканальный)

Full dielectric PVDF jacketed fiber 38 kV rated – полностью диэлектрическое оптоволокно в оболочке из ПВДФ

1m, 2m or 6 m lengths – длина 1 м, 2 м или 6 м

Custom lengths possible – возможна длина по заказу

Laser power in – вход лазерной мощности

Sensor data out – выход данных датчика

Sensor module – модуль датчика

IP65 rated for indoor/outdoor – рейтинг IP65 для внутренней/наружной установки

Рисунок 2: Система мониторинга частичного разряда на основе технологии PoF

Оптоволоконная система предназначена для эксплуатации на высоковольтных линиях электропередачи и подходит для монтирования на шины с напряжением до 38 кВ. На Рисунке 3 показан модуль датчика, смонтированный на собирательной шине монтажным болтом. Кабельная стяжка или монтаж при помощи эпоксидной смолы также могут подходить для некоторых установок.

Mounting sensor modules – монтаж модуля датчика

Tie wrap mounting – кабельная стяжка

Bolt mounting – болтовое крепление

Optional 150 mm extended reach temperature and PD sensors for hard to reach places – Опциональный датчик температуры с диапазоном 150 мм и датчик ЧР для труднодоступных мест

Рисунок 3: Модуль датчика, смонтированный на собирательной шине, с внешними датчиками

Модули датчика

Компанией MHGP разработаны два модуля датчика для монтажа на шине среднего напряжения. Их состав показан в таблице ниже, а внешний вид на Рисунке 4 и 5.

Рисунок 4: Внешний вид двух модулей датчика: (a) WL240-TH и (b) WL240-TPD

Рисунок 5: Габаритные размеры модуля датчика WL240-TH

Головной лазерный модуль (ГЛМ)

Ранее описывалось устройство системы с одним датчиком и одноканальным ГЛМ, однако, при работе с коммутационной аппаратурой для трехфазных сетей, может потребоваться как минимум три датчика: для шины каждой из фаз. Для этой задачи был спроектирован многоканальный ГЛМ (Рисунок 6), поддерживающий до двенадцати модулей датчика, позволяя разместить шесть модулей датчика на рычажках в отсеке прерывателя, по одному на каждой их трёх собирательных шин и три дополнительных модуля датчика в кабельном отсеке. Размещение двенадцати модулей датчика в шкафу коммутационной аппаратуры обеспечивает комплексный мониторинг состояния каждого отсека.

Микроконтроллер головного модуля анализирует поступающую информацию, регистрируя как количество событий ЧР, так и среднюю интенсивность за установленный период (в соответствии со стандартом IEC62478 ^[6]). При необходимости необработанные показания датчиков могут быть переданы на внешнюю систему мониторинга через порт RS 485 с помощью протокола MODBUS.

Рисунок 6: Многоканальный модуль данных лазерного датчика для питания до 12 модулей датчика

2.3 Преимущества системы обнаружения ЧР с технологией PoF

Многофункциональность модулей датчика

Модуль может включать любые датчики если они умещаются в корпус WL240 и им достаточно электроэнергии, получаемой с помощью конвертера. Максимальная мощность вычисляется как произведение оптической мощности лазера (1,25 Вт, в соответствии с требованиями Класса 1) и КПД фотовольтаического преобразователя (26% у MHGP) и приблизительно равняется 325 мВт. Использование комбинации датчиков различного типа, установленных в множестве мест контролируемого оборудования, увеличивает надежность обнаружения событий ЧР и позволяет более точно прогнозировать состояние оборудования.

Обнаружение частичного разряда в труднодоступных местоположениях

Механические соединения рычажков прерывателя коммутационного оборудования со временем повреждаются, что приводит к коронному разряду, который ускоряет отказ оборудования. Обнаружение ЧР в этих обстоятельствах затруднено, потому что расстояние между сосудом из эпоксидной смолы и рычажком прерывателя мало, а также потому что в сосуд из эпоксидной смолы часто встраивается металлический экран. Этот металлический поглощает большую часть электромагнитной энергии, сгенерированной событиями ЧР. По этим причинам традиционные УВЧ детекторы не могут точно обнаружить ЧР в этих областях. В свою очередь модули датчика с оптоволоконным соединением легко располагаются непосредственно на рычажке прерывателя.

Удаленный мониторинг

Система мониторинга ЧР POF-WL240 от MHGP использует излучение лазера на 976 нм, с затуханием в волокне ~1.2 дБ/км. Поэтому после 1 км, ~75% излучения лазера все еще доступно для преобразования. Потенциальная мощность электроэнергии после 1 км приблизительно равна: 1.25 Вт * 75% * 26% = 243 мВт. Поэтому датчики системы на основе технологии PoF могут находиться на значительном удалении от ГЛМ, осуществляя мониторинг ЧР на высотных объектах или других труднодоступных местах.

3. 3.     Гибридное решение, включающее использование передачи мощности по оптоволокну (PoF) и флуоресцентного оптоволоконного датчика (ФОВД)

Традиционный подход предполагает, что стандартный ФОВД (имеющий длину менее 2 м из-за сильного затухания в волокне) стыкуется со стандартным оптоволоконным кабелем для передачи данных к удаленному фотодетектору. В свою очередь в гибридной системе ФОВД подключается непосредственно к модулю датчика на основе технологии PoF. Модуль датчика детектирует уровень флуоресцентного света, производит оцифровку полученных данных, и отправляет их далее с помощью оптического передатчика. Кроме того, модуль датчика многофункционален и может содержать другие виды датчиков, описанные в предыдущих разделах.

Преимущества гибридной системы

• Ранняя оцифровка флуоресцентного сигнала вблизи высоковольтного источника ЧР

Уровень детектируемого сигнала не зависит от затухания в волокне и соединениях, что обеспечивает лучшую чувствительность и стабильность уровней обнаружения.

• Оптимизация связи датчика с системой мониторинга

В модулях на основе технологии PoF используются оптические передатчики, совместимые с традиционной инфраструктурой оптоволоконной связи. Кроме того, при необходимости в модуль может быть установлен беспроводной передатчик.

• Упрощение кабельных соединений / уменьшение сложности

К одному модулю датчикана основе технологииPoF может быть подключено сразу несколько ФОВД, показания которых передаются далее по единственному оптоволоконному каналу.

• Лучшее покрытие и локализация события

Преимущество, описанное в предыдущем пункте, дает возможность установки ФОВД с более высокой плотностью, обеспечивая лучший охват и локализацию события.

• Многофункциональность для преодоления недостатков ФОВД

Как описано ранее, многофункциональность обеспечивает дополнительную информацию о среде, полезную в разработке прогнозирования тенденций. А использование комбинированного подхода приводит к более точному обнаружению ЧР. Как пример, акустический датчик может обнаружить ЧР в изоляции или другом месте, где не происходит генерации достаточного для детекции уровня УФ излучения.

Таблица 2: Преимущества гибридного решения PoF + ФОВД для обнаружения ЧР

4.   Будущее гибридных систем

4.1 Ограничения основных типов оптоволоконных датчиков

Мы описали ФОВД УФ излучения и их потенциал для гибридных систем на основе технологии PoF. Теперь, мы исследуем более подробно возможности и ограничения других оптоволоконных датчиков, включая датчики интенсивности, длины волны и фазомодулированные оптоволоконные датчики^[7]. Существует широкий спектр типов оптоволоконных датчиков. Оптоволоконные датчики обычно имеют следующие компоненты: источник света, волокно, модулятор или преобразователь, и световой детектор для измерения переданного (или возвращенного) света. Волоконные датчики можно также разбить на такие категории: Внешние (где свет выходит из волокна в другую среду, где он изменяется и опять входит в волокно) и внутренние (где свет не покидает волокно, а среда действует непосредственно на волокно для изменения пропускаемого света). Технология PoF может быть полезна для датчиков обоих типов, позволяя устранить некоторые их недостатки.

4.2 Как технология POF может устранить недостатки традиционных решений

Основная концепция предполагает разработку гибридного решения PoF + точечный оптоволоконный датчик (распределенные системы мониторинга как DTS или DAS не получат существенного преимущества от такого гибрида), в котором одно волокно используется для обычного оптоволоконного датчика, а второе волокно питает “модулятор” (третье волокно может использоваться в некоторых случаях для оптической связи с модулятором). Этот “модулятор” оптически, акустически, механически, электрически или иначе изменяет свет, пропущенный через внешний или через внутренний оптоволоконный датчик. Модулятор может иметь ряд обычных датчиков, таких как оптический, электромагнитный, вибрационный или температурный, встроенные в него для м среды, и на основе показаний этих датчиков, он будет модулировать свет в оптоволоконном датчике. Таким способом большая часть любых традиционных показаний датчика может быть сначала измерена модулятором на основе технологии PoF, а затем преобразована в интенсивность, длину волны или фазомодулированный сигнал, совместимый с традиционными оптоволоконными датчиками. Ниже описано, как гибридный подход может устранить недостатки оптоволоконных датчиков.

Волоконные датчики требуют различных детекторов и систем анализа для различных типов датчика

Особенность волоконных датчиков состоит в том, что различные методы обнаружения требуют различных датчиков и аналитических инструментов. например, датчики на основе волоконной решетки Брэгга (FBG) обнаруживают изменения в длине волны, в то время как датчики Фабри-Перо используют интерферометры для обнаружения фазовых сдвигов, а простые фотодиоды могут использоваться для обнаружения изменений интенсивности. Эти методы могут также использовать различные модуляторы (или требовать специального волокна) в нужном местоположении.

Технология PoF позволяет использовать только один детектор или аналитический инструмент, только одно волокно и потенциально универсальный “модулятор”, чтобы обеспечить все показания волоконного датчика. Модулятор на основе технологии PoF может измерять, например, температуру и корректировать микроизгиб волоконного датчика интенсивности в зависимости температуры. Также модулятор может корректировать микроизгиб в зависимости от уровней влажности или атмосферного давления. Фактически, модулятор может иметь способность измерить температуру, атмосферное давление и влажность одновременно, и модулировать микроизгиб мультиплексируя данные во времени, представляя состояние всех 3 параметров окружающей среды.

Точно так же оптоволоконный датчик Фабри-Перо использует изменяющееся расстояние между двумя отражающими поверхностями для измерения изменений фазы. Модулятор может изменить это расстояние, модулируя его показаниями других датчиков, таких как датчик температуры, интенсивности света или уровня напряжения.

Вышеупомянутые описания являются примерами возможностей гибридной системы PoF + оптоволоконный датчик. Они иллюстрируют, что с помощью того же детектора-интерферометра и аналитических инструментов можно измерять условия окружающей среды, которые ранее не могли быть обнаружены волоконными датчиками Фабри-Перо. Этот гибридный подход обеспечивает потенциал для улучшения существующих аппаратных средств оптоволоконного датчика для многих новых приложений.

Повышенная функциональность

Как описано выше, этот подход позволяет использовать единственный волоконный датчик для одновременного обнаружения различных условий окружающей среды. Кроме того, модулятор на основе технологии PoF в дополнение к воздействию на оптоволоконный датчик, может также воздействовать на среду. Гибридные системы могут широко применяться в конфигурациях обнаружения и контроля, где должны быть приняты меры на основе определенных показаний датчика.

Например, система контроля может решить, что показание оптоволоконного датчика, такое как давление, превысило безопасный уровень, и запросить, чтобы модулятор на основе технологии PoF уменьшил поток газа.

Стабильность данных

Проблема многих оптоволоконных датчиков состоит в том, что различные факторы окружающей среды, могут повлиять на показания датчика. Например, оптоволоконный датчик интенсивности, в котором степень микроизгибов (и таким образом, количество света, потерянное на оболочке) варьируется в зависимости от давления среды, имеет много потенциальных влияний среды, включая локальные источники вибрации, чувствительность к изменениям температуры и неизвестные оптоволоконные помехи в других местоположениях вдоль пути оптоволоконного кабеля. Поэтому для многих оптоволоконных датчиков, может быть необходима эталонная система для обеспечения целостности данных^[7].

Гибридное решение PoF + оптоволоконный датчик имеет встроенную эталонную систему, которая включает системную калибровку, обеспечивая более точные значения датчика. Продолжая вышеупомянутый пример, модулятор на основе технологии PoF может механически вызвать микроизгибы, соответствующие 3 различным уровням давления, таким как максимальное, промежуточное и минимальное давление. Система может периодически вызывать эти известные уровни микроизгиба, осуществляя перекалибровку обеспечивая возможность корректировки измеренных значений.

Заключение

Были выявлены определенные преимущества гибридной системы ФОВД+PoF для обнаружения ЧР. Исследования показали, что основное преимущество гибридного подхода состоит в многофункциональности, которую PoF может привнести к ФОВД в высоковольтных средах, расположенных вблизи источника события ЧР. Эта многофункциональность помогает преодолеть ограничения ФОВД, обеспечивая увеличенный охват и потенциал для интеграции дополнительных методов обнаружения ЧР.

Кроме того, показаны возможности расширения функциональности широкого спектра внешних и внутренних оптоволоконных датчиков посредством использования гибридного решения PoF + волоконный датчик. Подход позволяет искусственно генерировать изменения среды в оптоволоконных датчиках с помощью модулятора на основе технологии PoF. Эти искусственно сгенерированные изменения обнаруживаются оптоволоконным датчиком и интерпретируются как желаемое показание датчика. Этот гибридный подход приводит ко многим новым возможностям применения оптоволоконных датчиков, открывая дверь для инноваций в технологиях оптической сенсорики.

Ссылки

[1]     Meggs, R. W. and Daffey, K., “Partial Discharge Monitoring in Marine HV Systems,” Proc. IMarEST, (2011)

[2]     Muhr, M. and Schwarz, R., “Experience with optical partial discharge detection,” Materials Science-Poland 27(4), 1139-1146 (2009)

[3]     Joza, A. V., Bajic, J. S., Stupar, D. Z., Slankamenac, M. P., Jelic, M., Zivanov, M.B., “Simple and Low-Cost Fiber-Optic Sensors for Detection of UV Radiation,” Telfor Journal 4(2), 133-137 (2012)

[4]    Tang, J., Zhou, J., Zhang, X., Liu, F., “A transformer Partial Discharge Measurement System Based on Fluorescent Fiber,” Energies 5(5), 1490-1502 (2012)

[5]     Siebler, D., Hohberg, M., Rohwetter, P., Brusenbach, R., Plath, R., “Elastomeric fluorescent POF for partial discharge detection,” OFS24 9634, 96343W-1 – 96343W-4 (2015)

[6]     Alvarez, F., Garnacho, F., Ortego, J. and Sanchez-Uran, M. A., “Application of HFCT and UHF Sensors in On-Line Partial Discharge Measurements for Insulation Diagnosis of High Voltage Equipment,” Sensors 15(4), 7360-7387 (2015)

[7]     Fidanboylu, K. and Efendioglu, H. S., “Fiber Optic Sensors and Their Applications,” IATS’09, 1-6 (2010)