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

Page 1

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Инновации

В статье приводится практический пример изме-

рения распределения температуры по длине сило-
вого кабеля с использованием системы, основанной
на рамановском рассеивании.

Силовые кабельные линии являются одним из важ-

ных элементов энергетической системы Российской
Федерации.  Существует  множество  ответственных
участков  силовых  кабелей  с  передаваемой  мощ-
ностью от десятков до миллионов киловатт. Выход
из  строя  отдельных  силовых  кабелей  в  процессе
эксплуатации происходит регулярно по всей стране
и является чрезвычайным происшествием, требую-
щим срочного и дорогостоящего ремонта.

Во многих случаях причиной выхода из строя си-

лового кабеля является локальный перегрев, кото-
рый может произойти в результате неправильной
эксплуатации, старения изоляции или повреждения
защитных оболочек. Локальные перегревы вызва-
ны либо повышением токовой нагрузки, либо ухуд-
шением 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 приме-

нения системы температурного мониторинга (далее
по тексту СТМ) по оптическому кабелю с использо-
ванием рамановского измерителя обратного рас-
сеивания, разработанной ИИТ г. Минск совместно с
ООО «НПП Старлинк» (см. Приложение).

В настоящее время подобные системы измерения

распределение температуры по оптическому кабе-
лю (СТМ) с использованием рамановского рассеи-
вания начали интенсивно внедряться в различные
области техники.

Преимуществом метода является то, что измеряе-

мый  параметр  —  температура  непосредственно
связана  с  фундаментальным  физическим  явлени-
ем  —  колебанием  молекул  кварцевого  стекла,  ко-
торое вызывает появление рассеивания света типа
рамановского. Мощность этого рассеиваемого излу-
чения непосредственно контролируется прибором.

С прикладной точки зрения метод позволяет про-

водить измерения на кабелях, имеющих большие
длины, что дает возможность контролировать про-
тяженные, удаленные объекты или множество объ-
ектов сразу.

Задачи, решаемые с помощью СТМ, могут быть в

действительности  весьма  разноплановые  —  изме-
рение температуры нефтяных хранилищ и танкеров,
химических  и  ядерных  объектов,  контроль  утечки
газа и нефти, тепла в трубопроводах, контроль рас-
пределения  температуры  больших  строительных
сооружений.

Достаточно сказать, что в данный момент по-

ставлены задачи контроля потенциально опасных
объектов Российской Федерации в интересах безо-
пасности и предотвращения техногенных катастроф
с использованием разнообразных систем передачи
информации, в том числе спутниковых систем [1].

В этой работе мы применили систему СТМ для из-

мерения распределения температуры по длине ма-
кета силового электрического кабеля.

Нами изготовлен образец электрооптического

кабеля длиной около 160 м, состоящего из трех от-
дельных изолированных электрических жил (сече-
нием 4 мм²) и миниатюрного оптического кабеля
диаметром 2,3 мм.

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

Рис.1. Экспериментальный электрооптический кабель.
1 — оптическое многомодовое волокно; 2 — оболочка
из фторопласта 2М; 3 — гибкая трубка из стальных
канатных проволок; 4 — электрические токопроводящие
жилы сечением 4 мм2 с ПЭ оболочкой; 5 — защитная
оболочка из ПВХ пластиката.

Page 2

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Инновации

Четыре элемента кабеля скручены между собой

правильной скруткой с шагом 50 мм и покрыты обо-
лочкой из ПВХ пластиката. Оптический микрокабель
выполнен в виде гибкой стальной трубки из канат-
ных проволок с наружным диаметром 2 мм и обо-
лочкой из фторопласта 2М. Внутри стальной трубки
имеет место одно многомодовое оптическое волок-
но с характерными диаметрами сердцевины и обо-
лочки 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) располагает-

ся в измерительной комнате. Верхний конец кабеля
длиной 30 м разложен по полу. Верхний конец раз-
делан, 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  волок-
но  армировано  соединителем  и  подключено  к  ра-
мановскому  измерителю  обратного  рассеивания.
Соответствующие  два  электрических  провода  со-
единены,  образуя  замкнутый  шлейф  длиной  около
320 м.

Схема измерений показана на рисунке 2.

Изменения распределения температуры по длине

кабеля

T = f

(

) представлены на рисунках 3-7 с ин-

дексом А (крупный масштаб). Отдельные участки в
правой части общей температурной зависимости
выделены в более мелком масштабе, соответствен-
но, на рисунках 3-7 с индексом Б.

На рисунке 3А видны колебания температуры в

пределах ± 0,5 С˚. Эти колебания температуры име-
ют  место  по  всей  длине  кабеля.  Следует  обратить
внимание  на  то,  что  наблюдаемые  колебания  тем-
пературы  —  не  погрешность  прибора,  а  реальные
изменения  температуры,  связанные  с  реальной
установившейся  теплопередачей  между  участками
бухты.

На этом рисунке в мелком масштабе выделен ко-

нец кабеля. Последние 30 м имеют меньшие коле-
бания 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 выде-

ляются отдельные, и вполне определенные по по-
ложению 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 значи-
тельно не изменяется, то кривые очень хорошо со-
храняют форму.

Измеритель
рамановского
рассеивания

опт
разъем

бухта
130 м

30 м

Трансформатор

32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10

8
6
4

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Расстояние, км

Эксп электрокабель

160 м

Температ

ура, С

0.13 0.135 0.14 0.145 0.15 0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

Рис. 3А. Зависимость распределения температуры электрооптического
кабеля T = f (l), свернутого в бухту. Бухта лежит на полу комнаты с
температурой около 20˚ С. Начало и конец кабеля специально отмечены.
Волокно кабеля и волокно, выходящее из прибора, соединены с помощью
разъемного соединения и одной сварки. Это соединение имеет место
на длине 58 м (скачок на кривой). На длине 220 м конец кабеля отмечен
отрицательным скачком.

Рис. 3Б. Зависимость распределения температуры электрооптического
кабеля T = f (l), свернутого в бухту с размотанным концом длиной 30

Рис. 2. Схема проведения измерений.

Page 3

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Инновации

44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10

8
6
4

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19

0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225

Расстояние, км

Температ

ура, С

20.55

20.5

20.45

20.4

20.35

20.3

20.25

20.2

20.15

20.1

20.05

19.95

19.9

19.85

19.8

19.75

19.7

19.65

0.145 0.15 0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10

8
6
4
2
0

-2
-4

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

58
56
54
52
50
48
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20

0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225

Расстояние, км

Температ

ура, С

Рис. 4Б. Мелкий масштаб, взятый из зависимости 4А. Колебания
температуры на правом участке стали меньше (

0,2 С˚)

Рис. 5Б. Показан конец кабеля в мелком масштабе

Рис. 5А. Начало нагрева. Ток I = 18 А.
Начало кабеля от 60 м до 190 м в бухте. Правый конец (около 30 м)
развернут на горизонтальной поверхности. Отчетливо видна
разность в нагреве первого участка (в бухте) и второго участка
на правом, распрямленном конце. Колебания температуры на
первых 130 м —

1 С˚.

Рис. 6А. Установившийся режим нагрева.
Ток упал на 2 А до I = 16 А.
Начало кабеля от 60 м до 190 м в бухте сильно нагрето, но
неравномерно. Максимальный нагрев до 60 С˚.
Колебания температуры на первых 130 м —

7,5С˚.

Правый конец (около 30 м), развернутый на полу, нагрет
равномерно и незначительно (до 30 С˚)

Рис. 6 Б. Показан конец кабеля в мелком масштабе

32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10

8
6
4
2
0

-2

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

Рис. 4А. Этот же кабель, но правый конец (30 м) развернут и лежит
на полу. Пока нагрева нет

Page 4

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Инновации

Анализ результатов

Результаты температурных зависимостей по дли-

не 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 экс-
плуатации, в данном случае экспериментальных
условий.

Можно предположить, что внедрение оптическо-

го волокна внутрь реального силового кабеля и ре-

альные наблюдения зависимостей T = f (l) могут дать
очень хорошую информацию для дальнейшей экс-
плуатации силовых кабелей

Литература

1. Патент РФ № 229642 » Система автоматизированного

контроля потенциально опасных объектов РФ в интере-
сах обеспечения защиты от технических, природных и
террористических угроз». В.А Иванов и др.

Ю.Т. Ларин, Ю.В. Смирнов, М.Л. Гринштейн

44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10

8
6
4

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19

0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225

Расстояние, км

Температ

ура, С

Рис. 7А. Идет охлаждение, Ток выключен. Прошло 30
минут. Температура снижена, колебания температуры
на участке 130 м уменьшились, но распределение нагрева
имеет такой же вид, как и в режиме максимального нагрев.
Правый конец (около 30 м) практически охлажден.

Рис. 6 Б. Показан конец кабеля в мелком масштабе

Приложение:

Рекламные листы системы температурного мониторинга и кабелей сенсоров,

которые предполагается использовать для СТМ 01

Система температурного мониторинга (СТМ)

Разработчики:

ОАО «САРЛИНК» г. Королев, М.О. Тел.: 799-15-94
Институт информационных технологий г. Минск

Сертификат № ТУ №
Система в настоящее время сертифицируется

Состав системы:

1. Анализатор распределения рефлектометрический (АРР)
2. Оптические кабели-сенсоры: СЛ-ОККСН-01; СЛ-ОКД-01; СЛ-ОКД-02

Принцип работы:

Измерение распределения температуры с использованием романовского рассеяния в многомодовом
волокне, помещенного в оптический кабель

Назначение:

Предназначена для контроля температуры в зданиях и других строительных сооружениях, трубопро-
водах, кабелях и кабельных каналах и пр. Обеспечивает проверку утечек тепла, теплоносителей, воды
и пр. Обеспечивает контроль за пожаробезопасностью

Основные преимущества:

Позволяет досконально разобраться в качестве строительных сообружений и предотвратить аварии

Основные технические параметры СТМ

Дальность измерения

км

Разрешение по длине

±2

Диапазон измерения температуры

С°

–60 — +70*

Чувствительность измерений температуры

С°

от 0,15 до 1,0

Время измерения

мин

от 3 до 12

Абсолютная погрешность измерения температуры

С°

±1

Питание

220 В переменное (12 В постоянное)

Рабочая температура

Комнатные условия

20.55

20.5

20.45

20.4

20.35

20.3

20.25

20.2

20.15

20.1

20.05

19.95

19.9

19.85

19.8

19.75

19.7

19.65

0.145 0.15 0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10

8
6
4
2
0

-2
-4

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

58
56
54
52
50
48
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20

0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225

Расстояние, км

Температ

ура, С

32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10

8
6
4
2
0

-2

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Расстояние, км

Температ

ура, С

Page 5

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Инновации

Импульсный
генератор

Блок
согласования,
компьютер

Лазер

Термостат

Фс

Дс

Д а

Фильтры

Ф а

Т = f(x, 1)

Фотоприемники

Расстояние, м

ОБЪЕКТ
ИЗМЕРЕНИЙ

Волоконно-опт

разветвит

ели

Усилит

ели

6
7

Рис. 3 СЛ-ОККСН-01
1. Полимерная трубка
2.Кварцевые оптические волокна.
3.Внутримодульный гидрофоб.
4.Стальная канатная оцинкованная проволока.
5. Гидрофоб.
6. Защитная полимерная оболочка из полиэтилена.

Рис. 4. СЛ-ОКД-01,
СЛ-ОКД-02
1. Кварцевые
оптические
волокна.
2. Внутри-
модульный
гидрофоб.
3. Стальная
канатная
оцинкованная
проволока или
многопровололчные
стренги.
4. Защитная
полимерная
оболочка.

Рис. 1

Рис. 2

СЛ-ОКД-01

СЛ-ОКД-02

ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ СЕНСОРЫ

Типовой малогабаритный кабель

Температуростойкие бронированные

микрокабели

Page 6

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Инновации

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Тип сенсорного оптического волокна (ОВ)

Кварцевое многомодовое*

Тип кабеля

СЛ-ОККСН-01

СЛ-ОКД-01

СЛ-ОКД-02

Максим кол. ОВ в кабеле**

шт

Диаметр по броневому покрытию

мм

4,1

2,0

2,4

1,5-1,8

2,4

Наружный диаметр кабеля

мм

6,0

2,5

3,2

2,1-2,5

3,2

Вес кабеля

кг/км

*Тип сенсорных волокон. Стандартные кварцевые многомодовые волокна с диаметром 125/50 мкм по специфика-
ции МЭК G 651. (По согласованию с Заказчиком могут быть использованы другие коммерческие и опытные ОВ).
** В кабеле могут быть волокна различного типа, в том числе для организации систем связи и передачи информа-
ции.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Тип кабеля

СЛ-ОККСН-01

СЛ-ОКД-01

СЛ-ОКД-02

Максимальная длительно- допустимая
растягивающая нагрузка

кН

5,0

1,0

1,5

3,0

Раздавливающая нагрузка

кН/см

Более 0,5

Минимальный радиус изгиба

мм

Не менее 50

Диапазон рабочих температур

°С

От — 60 до + 90*

Оптические характеристики

Соответствуют декларируемым характеристикам используемых

ОВ

*По согласованию с Заказчиком наружная полимерная оболочка может быть выполнена из материалов стойких к
воздействию повышенных температур. (фторопласта , полиуретана и др).

Условия прокладки кабеля

Высокая прочность и гибкость, малые размеры и масса кабеля
обеспечивает универсальность прокладки, в том числе внутри
зданий и помещений по стенам, в коробах, по трубам, а также
в траншеях вдоль водопроводных или газовых труб, а также в
кабельной канализации, внутри газовых и нефтяных скважин, в
шахтах, кабель применяется для подвески на опорах и т.п.

Обозначение кабеля:

СЛ-ОКД-01-1Г-1,0 Оптический микрокабель типа

СЛ-ОКД модификации 01 с одним кварцевым мно-
гомодовым 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 распро-
страняемого среди посетителей печатного прило-
жения к комплекту рекламы ООО «ВНИИКП-ОПТИК»
для специалистов кабельщиков, проектантов и экс-
плуатационщиков.

Ограничений по защите авторских прав не име-

ется.

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

Читать онлайн

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