PL232421B1

PL232421B1 - System for measuring a cable temperature

Info

Publication number: PL232421B1
Application number: PL421894A
Authority: PL
Inventors: Michał Wydra; Piotr Kisała; Piotr Kacejko
Original assignee: Lubelska Polt
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2019-06-28
Also published as: PL421894A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru temperatury przewodu, zwłaszcza temperatury przewodu napowietrznej linii elektroenergetycznej.The subject of the invention is a system for measuring the conductor temperature, in particular the conductor temperature of an overhead power line.

Z opisu patentowego nr US9651974 znany jest układ do ciągłego monitoringu temperatury linii energetycznej, w którym średnia temperatura przewodu jest wyznaczana na podstawie pomiaru długości wybranego odcinka linii. Na podstawie zmodyfikowanego równania łańcuchowego obliczana jest średnia temperatura przewodów, następnie wykorzystana do wyznaczania dopuszczalnej obciążalności linii.From the patent specification No. US9651974 there is known a system for continuous monitoring of the power line temperature, in which the average temperature of the conductor is determined on the basis of the measurement of the length of the selected line section. Based on the modified chain equation, the average temperature of the lines is calculated and then used to determine the permissible line load.

Inny znany układ do monitorowania temperatury został opisany w opisie patentowym PL 2021753. Układ ten składa się z czujnika temperatury i czujnika nachylenia lub odpowiedniej kombinacji czujnika temperatury i czujnika naprężenia odpowiednio zamontowanych na przewodzie napowietrznej linii elektroenergetycznej pozwalających na wyznaczenie średniej temperatury przewodów w czasie rzeczywistym.Another known temperature monitoring system is described in the patent specification PL 2021753. This system consists of a temperature sensor and a slope sensor or a suitable combination of a temperature sensor and a strain sensor suitably mounted on the overhead power line conductor allowing the determination of the average temperature of the lines in real time.

Innym znanym układem do monitorowania temperatury napowietrznej linii elektroenergetycznej jest rozwiązanie opisane w zgłoszeniu patentowym nr CN105571720. W układzie tym dokonuje się pomiaru poprzez analizę zdjęcia w podczerwieni, a następnie transmituje do układu komputerowego poprzez bezprzewodową sieć radiową. Układ ten składa się z modułu wykonującego zdjęcia, modułu kompresji obrazu, oraz modułu alarmującego.Another known system for monitoring the temperature of an overhead power line is the solution described in the patent application no. CN105571720. In this system, the measurement is made by analyzing the infrared image and then transmitting it to a computer system via a wireless radio network. This system consists of a photo-taking module, an image compression module, and an alarming module.

Znany jest układ opisu patentowego US6776522 do monitorowania temperatury przewodników wysokiego napięcia, w którym do przewodnika za pomocą elektrycznie i termicznie przewodzącego przyłącza przyłączony jest czujnik temperatury. Czujnik temperatury jest zbudowany z głowicy kryształu, która zmienia świecenie w zależności od temperatury przewodu i transmituje światło poprzez światłowód poprowadzony przez izolator do układu optoelektrycznego, przetwarzający sygnał optyczny na elektryczny następnie przesyłany do systemu komputerowego.The system of patent description US6776522 is known for monitoring the temperature of high voltage conductors, in which a temperature sensor is connected to the conductor by means of an electrically and thermally conductive connection. The temperature sensor is made of a crystal head that changes the light depending on the temperature of the conductor and transmits light through an optical fiber through an insulator to an optoelectric system, which converts the optical signal into an electrical one and then sends it to a computer system.

Z dokumentu patentowego US5848204 znana jest metoda pomiaru wydłużenia względnego i wibracji wykorzystująca czujniki w postaci siatek Bragga zapisanych na światłowodach wielomodowych. Metoda zakłada konieczność prowadzenia pomiarów reflektometrycznych OTDR (Optical Time Domain Reflectometry). Współczynnik odbicia siatek może być zmieniany poprzez dobór średnicy rdzenia, apertury numerycznej oraz długości siatki. Daje to możliwość wpływania na czułość układu pomiarowego dostosowanej do konkretnych potrzeb. Metoda wymaga wykonania pomiarów z użyciem reflektometru.From the patent document US5848204 there is known a method of measuring the relative elongation and vibration using sensors in the form of Bragg gratings recorded on multimode optical fibers. The method assumes the necessity to conduct OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) measurements. The reflectance of the grids can be changed by selecting the core diameter, numerical aperture and length of the grating. It gives the possibility of influencing the sensitivity of the measuring system adjusted to specific needs. The method requires measurements with the use of a reflectometer.

Z dokumentu patentowego US4799005 znany jest system czujników dokonujących pomiarów parametrów pracy linii elektroenergetycznej. Układ składa się z pierwszej cylindrycznej obudowy zawierającej czujniki pomiarowe i urządzenia do przetwarzania i transmisji danych pomiarowych. Drugą część modułu stanowi obudowa, zamocowana do zewnętrznej części pierwszej obudowy zawierającej urządzenia pomiarowe, rozciągająca się nie więcej niż 150 stopni wokół jej obwodu, posiadająca elementy mechaniczne do mocowania całości modułu. Urządzenie jest wyposażone w łącze światłowodowe do przesyłania danych pomiarowych.From the patent US4799005 there is known a system of sensors measuring the parameters of the power line. The system consists of a first cylindrical housing containing measurement sensors and devices for processing and transmitting measurement data. The second part of the module is a housing attached to the outer part of the first housing containing the measuring devices, extending not more than 150 degrees around its periphery, and having mechanical means for fixing the entire module. The device is equipped with a fiber optic link for transmitting measurement data.

Z opisu zgłoszenia patentowego nr PL 395 136 A1 znany jest sposób pomiaru rozkładu naprężenia liniowego, wykorzystujący jednomodowy światłowód z siatką Bragga. Polega on na tym, że siatkę mocuje się na obiekcie badanym za pomocą połączenia klejowego, a zdeformowane widmo odkształconej siatki mierzy się analizatorem widma. Następnie porównuje się to widmo z charakterystyką spektralną uzyskaną z modelu matematycznego siatki, a parametry modelu dobiera się w oparciu o algorytm symulowanego wyrażania zaimplementowany na komputerze. Układ pomiaru rozkładu naprężenia liniowego zwierający szerokopasmowe źródło światła, światłowód jednomodowy z siatką Bragga charakteryzuje się tym, że źródło światła połączone jest światłowodem jednomodowym poprzez złącze optyczne z siatką Bragga, która poprzez połączenie klejowe zamocowana jest do obiektu badanego. Siatka Bragga jest poprzez złącze optyczne połączona z analizatorem widma, który połączony jest poprzez węzeł sumacyjny z komputerem, który z kolei połączony jest z modelem siatki Bragga połączonym również z węzłem sumacyjnym, przy czym komputer połączony jest następnie z rejestratorem.From the patent application no. PL 395 136 A1, a method for measuring the linear stress distribution is known, using a single-mode optical fiber with a Bragg grating. It consists in the fact that the mesh is attached to the tested object by means of an adhesive bond, and the deformed spectrum of the deformed mesh is measured with a spectrum analyzer. Then this spectrum is compared with the spectral characteristics obtained from the mathematical model of the mesh, and the model parameters are selected based on the simulated expression algorithm implemented on the computer. The linear stress distribution measurement system containing a broadband light source, a single-mode optical fiber with a Bragg grating, is characterized by the fact that the light source is connected with a single-mode optical fiber through an optical connector with a Bragg grating, which is attached to the tested object through an adhesive connection. The Bragg grating is connected via an optical connector to a spectrum analyzer, which is connected via a summation node to a computer, which in turn is connected to a Bragg grid model also connected to a summation node, the computer then connected to a recorder.

Z opisu patentowego nr PL 227 671 B1 znany jest układ opto-mechaniczny do pomiaru temperatury oraz wydłużenia przewodu napowietrznej linii elektroenergetycznej. Posiada on osadzone bezinwazyjnie, bezpośrednio na przewodzie linii tuleje dzielone o częściach składowych zespolone śrubami oraz wkładkami rowkowanymi i płytką kontrolną. Na płytce kontrolnej przymocowany jest fotoczuły światłowód jednomodowy, na końcu którego zapisana jest siatka Bragga, która poprzez złączkę optycznąPatent description No. PL 227 671 B1 discloses an opto-mechanical system for measuring the temperature and cable extension of an overhead power line. It has non-invasive, directly on the line conductors split sleeves with component parts joined with screws, grooved inserts and an inspection plate. A photosensitive single-mode optical fiber is attached to the control board, at the end of which a Bragg grating is written, which through the optical connector

PL 232 421 B1 jest połączona światłowodem jednomodowym ze sprzęgaczem optycznym. Do sprzęgacza optycznego podłączone jest źródło światła i analizator widma optycznego.The PL 232 421 B1 is connected by a single-mode optical fiber to an optical coupler. A light source and an optical spectrum analyzer are connected to the optical coupler.

Sposób pomiaru wydłużenia przewodu napowietrznej linii elektroenergetycznej polega na tym, że zmiana naprężenia w stosunku do naprężenia wzorcowego powoduje reakcję fotoczułego światłowodu jednomodowego z siatką Bragga, który podlega monotonicznie zmiennemu wydłużeniu, co prowadzi do poszerzenia charakterystyki widmowej odbijanego sygnału świetlnego. Na zmianę szerokości połówkowej charakterystyki nie mają wpływu ani zmiany temperatury samej siatki Bragga, ani zmiany pola elektromagnetycznego, w których układ pracuje. Porównanie wartości liczbowej szerokości połówkowej charakterystyki widmowej sygnału odbitego od czujnika z siatką Bragga, z wartością przyporządkowaną wzorcowej długości odcinka przewodu, daje informację o aktualnym wydłużeniu przewodu. Jednocześnie przesunięcie tej samej charakterystyki widmowej odpowiada zmianie temperatury przewodu i pozwala na jej określenie. Liniowa zależność pomiędzy wydłużeniem przewodu a jego temperaturą i naprężeniem, pozwala na wyznaczenie wartości naprężenia.The method of measuring the elongation of an overhead power line conductor is based on the fact that the change of the stress in relation to the reference stress causes the reaction of the photosensitive single-mode optical fiber with the Bragg grating, which is subject to monotonically variable elongation, which leads to the broadening of the spectral characteristics of the reflected light signal. The change of the half-width of the characteristic is not influenced by changes in the temperature of the Bragg grating itself, or by changes in the electromagnetic field in which the system operates. Comparison of the numerical value of the half-width of the spectral characteristic of the signal reflected from the sensor with the Bragg grating, with the value assigned to the standard length of the cable section, gives information about the current extension of the cable. At the same time, the shift of the same spectral characteristic corresponds to the temperature change of the conductor and allows its determination. The linear relationship between the cable elongation and its temperature and stress allows the determination of the stress value.

Dotychczas stosowane układy pomiaru temperatury przewodów są wrażliwe na warunki pracy w polu elektromagnetycznym.The systems for measuring the temperature of conductors used so far are sensitive to operating conditions in the electromagnetic field.

Przedmiotem wynalazku jest układu pomiaru temperatury przewodu, w którym do przewodu linii elektroenergetycznej przy pomocy uchwytu mocującego zamocowany jest światłowód z siatką Bragga, który podłączony jest z jednej strony do źródła światła. Istotą wynalazku jest to, że do światłowodu z siatką Bragga z drugiej strony połączony jest interrogator optyczny zamieniający przesunięcie charakterystyk widmowych czujników na zmiany mocy optycznej. Interrogator połączony jest z fotodetektorem, który zamienia sygnał z interrogatora na zmianę mocy optycznej transmitowanej lub odbijanej przez czujnik z siatką Bragga.The subject of the invention is a conductor temperature measurement system in which an optical fiber with a Bragg grating is attached to the power line conductor by means of a mounting holder, which is connected on one side to a light source. The essence of the invention is that on the other hand, an optical interrogator is connected to the optical fiber with a Bragg grating, which converts the shift of the spectral characteristics of the sensors into changes in optical power. The interrogator is connected to a photodetector that converts the interrogator signal to vary the optical power transmitted or reflected by the Bragg grating sensor.

Fotodetektor zamienia sygnał optyczny na sygnał elektryczny. Fotodetektor połączony jest z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, który połączony jest z systemem komputerowym. System komputerowy przelicza wartość z przetwornika na rzeczywistą wartość temperatury.The photo detector converts an optical signal into an electrical signal. The photo detector is connected to an analog-to-digital converter which is connected to the computer system. The computer system converts the value from the converter into the actual temperature value.

Wskazane jest, aby uchwyt mocujący składał się z obejm mocujących zamocowanych na przewodzie elektrycznym. Do wewnętrznej ścianki przewodu linii elektrycznej zamocowana była płytka mocująca z rowkiem, w którym zamocowany był światłowód z siatką Bragga.It is recommended that the mounting bracket consists of mounting clamps attached to the electric cable. A mounting plate with a groove in which the optical fiber with a Bragg grating was attached was attached to the inner wall of the electric line.

Korzystnym skutkiem układu do pomiaru temperatury zwłaszcza przewodu linii elektroenergetycznej jest brak konieczności pomiaru i analizy transmisyjnych i odbiciowych charakterystyk widmowych. Eliminuje to konieczność stosowania analizatorów widma optycznego. Zastosowanie włókna światłowodowego pozwala na wyniesienie urządzeń wrażliwych na pole elektromagnetyczne i przetwarzających sygnał elektryczny poza obszar wpływu pola elektromagnetycznego bez istotnego wpływu na jakość pomiaru i zniekształcenia. Uproszczenie przetwarzania sygnału i wprowadzenie go do systemu komputerowego korzystnie wpływa na możliwości przesyłania informacji od nadrzędnych systemów sterowania i nadzoru (SCADA) z wykorzystaniem obowiązujących standardów i protokołów komunikacyjnych zwłaszcza w elektroenergetyce.The advantageous effect of the temperature measurement system, especially the power line conductor, is that there is no need to measure and analyze the transmission and reflection spectral characteristics. This eliminates the need for optical spectrum analyzers. The use of optical fiber allows to take devices sensitive to the electromagnetic field and processing the electrical signal beyond the area of the influence of the electromagnetic field without significantly affecting the quality of the measurement and distortions. The simplification of signal processing and its introduction into the computer system has a positive effect on the possibility of transmitting information from supervisory control and supervision systems (SCADA) with the use of applicable standards and communication protocols, especially in the power industry.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu, fig. 2 - przekrój wzdłużny uchwytu mocującego, fig. 3 - przekrój poprzeczny układu mocującego.The invention has been illustrated by an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of the system, Fig. 2 - longitudinal section of the mounting fixture, Fig. 3 - cross section of the fixing system.

Układ pomiarowy temperatury przewodu w przykładzie wykonania zamontowany został za pomocą uchwytu mocującego 2 do przewodu linii elektroenergetycznej 1 wykonanej z układu skręconych drutów stalowych i aluminiowych o symbolu AFL 6 - 240, o przekroju 240 mm². Przewód AFL 6 - 240 zbudowany jest z rdzenia, który stanowi 7 skręconych przewodów stalowych każdy o średnicy 2,7 mm oraz dwóch warstw przewodów aluminiowych składających się odpowiednio z dziesięciu i szesnastu przewodów, każdy o średnicy 3,4 mm. Uchwyt mocujący 2, składał się z dwóch obejm 10 w postaci opasek zaciskowych. Do wewnętrznej ścianki obejmy mocującej 10 zamocowana była na stałe płytka mocująca 9, ukształtowana zgodnie z promieniem krzywizny przewodu i wykonana z duraluminium. W ściance płytki mocującej 9 znajdowało się zagłębienie, w którym zamocowany był za pomocą kleju termoprzewodzącego światłowód 3a, na którym znajdowała się siatka Bragga 3b. Światłowód 3a posiadał grubość 125 μm, zaś jednorodna siatka Bragga 3b o długości 12 mm i długości fali Bragga równej 1548,13 nm. Światłowód 3a z siatką Bragga 3b podłączony był z jednej strony do źródła światła 4 w postaci diody superluminescencyjnej Thorlabs S5FC1005S. Z drugiej strony do światłowodu 3a z siatką Bragga 3b przyłączony był z interrogatorem 5 w postaci sprzęgacza optycznego 50:50 oraz jednorodnej siatki Bragga o długości 12 mm i długości fali Bragga równej 1548,13 nm. Do interrogatora 5In the exemplary embodiment, the conductor temperature measuring system was mounted with a holder 2 to a power line conductor 1 made of a system of twisted steel and aluminum wires with the symbol AFL 6 - 240, with a cross-section of 240 mm ² . The AFL 6 - 240 conductor consists of a core consisting of 7 twisted steel conductors, each with a diameter of 2.7 mm, and two layers of aluminum conductors consisting of ten and sixteen conductors, each with a diameter of 3.4 mm. The fastening holder 2 consisted of two clamps 10 in the form of clamps. A fixing plate 9, shaped according to the radius of curvature of the conduit and made of duralumin, was permanently attached to the inner wall of the fastening clamp 10. In the wall of the mounting plate 9 there was a recess in which the optical fiber 3a, on which the Bragg grating 3b was mounted, was fixed by means of a thermally conductive glue. The optical fiber 3a was 125 μm thick, and a homogeneous Bragg grating 3b with a length of 12 mm and a Bragg wavelength of 1548.13 nm. The optical fiber 3a with a Bragg grating 3b was connected on one side to a light source 4 in the form of a Thorlabs S5FC1005S superluminescent diode. On the other hand, to the optical fiber 3a with a Bragg grating 3b it was connected with an interrogator 5 in the form of a 50:50 optical coupler and a homogeneous Bragg grating with a length of 12 mm and a Bragg wavelength of 1548.13 nm. To interrogator 5

PL 232 421 B1 przyłączony był fotodetektor 6 w postaci fotodiody InGaAs Thorlabs 800-1700 nm FGA21, który przyłączony był do 16-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego 7 próbkującego sygnał z częstotliwością 4 MHz. Przetwornika analogowo-cyfrowego 7 połączony był z systemem komputerowym 8.A photodetector 6 in the form of an InGaAs Thorlabs 800-1700 nm FGA21 photodiode was attached, which was connected to a 16-bit analog-to-digital converter 7 sampling the signal at 4 MHz. The analog-to-digital converter 7 was connected to the computer system 8.

W przykładzie realizacji pomiaru temperatury przewodu linii elektroenergetyczn ej 1, zastosowano wyżej opisany układ. Rozstaw słupów, na których zawieszono przewód linii elektroenergetycznej 1 wynosił 50 m. Za pomocą pirometru i kamery termowizyjnej zmierzono temperaturę przewodu w stanie bez obciążenia (tj. bez wymuszenia przepływu prądu w przewodzie), która wynosiła 5°C oraz dokonano odczytu za pomocą wyżej opisanego układu optycznego. Charakterystyka widmowa światłowodowej siatki Bragga 3b posiadała centralną długość fali równą 1547,75 nm. Sygnał optyczny następnie skierowano na fotodetektor 6, który zamienił światło transmitowane przez siatkę Bragga na napięcie o wartości 1,2495 V. Sygnał napięciowy wytworzony w fotodetektorze 6, został przetworzony w przetworniku analogowo-cyfrowym 7 i przesłany do systemu komputerowego 8. W systemie komputerowym 8 odczytana wartość wynosząca 8188 dla napięcia 1,2495 V została zarejestrowana dla wartości temperatury 5°C.In the embodiment of measuring the temperature of the power line conductor 1, the above-described circuit is used. The spacing of the poles on which the power line 1 cable was suspended was 50 m. Using a pyrometer and a thermal imaging camera, the cable temperature was measured in no-load condition (i.e. without forcing the current to flow in the cable), which was 5 ° C and the reading was made using the above-described optical system. The spectral characteristics of the fiber Bragg grating 3b had a central wavelength of 1547.75 nm. The optical signal was then directed to the photodetector 6, which converted the light transmitted through the Bragg grating into a voltage of 1.2495 V. The voltage signal generated in the photodetector 6 was processed in an analog-to-digital converter 7 and sent to a computer system 8. In a computer system 8 the read value of 8188 for a voltage of 1.2495 V was recorded for a temperature of 5 ° C.

Za pomocą wymuszalnika prądowego wymuszono przepływ prądu w przewodzie o wartości 500 A. Zmierzono temperaturę przewodu za pomocą kamery termowizyjnej i pirometru wynoszącą 20°C oraz dokonano odczytu za pomocą układu optycznego. Charakterystyka widmowa światłowodowej siatki Bragga 3b posiadała centralną długość fali równą 1548,07 nm. Sygnał optyczny następnie skierowano na fotodetektor 6, który zamienił światło transmitowane przez siatkę Bragga 3b na napięcie o wartości 1,785 V. Sygnał napięciowy wytworzony w fotodetektorze 6, został przetworzony w przetworniku analogowo-cyfrowym 7 i przesłany do systemu komputerowego 8. W systemie komputerowym odczytana wartość 11697 dla napięcia 1,785 V została zarejestrowana dla wartości temperatury 20°C.A current in the cable was forced to 500 A by means of a current generator. The cable temperature was measured with a thermal imaging camera and a pyrometer at 20 ° C and a reading was made with the optical system. The spectral characteristics of the fiber Bragg grating 3b had a central wavelength of 1548.07 nm. The optical signal was then directed to the photodetector 6, which converted the light transmitted through the Bragg grating 3b into a voltage of 1.785 V. The voltage signal generated in the photodetector 6 was processed in the analog-to-digital converter 7 and sent to the computer system 8. The read value in the computer system 11697 for a voltage of 1.785 V was recorded for a temperature value of 20 ° C.

Wykaz oznaczeńList of designations

1. Przewód linii elektroenergetycznej1. Power line cable

2. Uchwyt mocujący2. Mounting bracket

3a. Światłowód3a. Optical fiber

3b. Siatka Bragga3b. Bragg mesh

4. Źródło światła4. Light source

5. Interrogator5. Interrogator

6. Fotodetektor6. Photo detector

7. Przetwornik analogowo-cyfrowy7. Analog-to-digital converter

8. System komputerowy8. Computer system

9. Płytka mocująca9. Fastening plate

10. Obejma mocująca10. Fastening clamp

Claims

Patent claim

1.Conductor temperature measurement system in which an optical fiber (3a) with a Bragg mesh (3b) is attached to the power line conductor (1) with a mounting holder (2), which is connected on one side to the light source (4), characterized by in that an interrogator (5) is connected on the other side to the optical fiber (3a) with a Bragg grating (3b), which is connected with a photodetector (6) and an analog-to-digital converter (7) connected to the computer system (8).