RU2804266C1 - Multichannel distributed sensor for monitoring location of lightning strike in ground wire of power transmission line - Google Patents

Multichannel distributed sensor for monitoring location of lightning strike in ground wire of power transmission line Download PDF

Info

Publication number
RU2804266C1
RU2804266C1 RU2023115588A RU2023115588A RU2804266C1 RU 2804266 C1 RU2804266 C1 RU 2804266C1 RU 2023115588 A RU2023115588 A RU 2023115588A RU 2023115588 A RU2023115588 A RU 2023115588A RU 2804266 C1 RU2804266 C1 RU 2804266C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
optical
optical radiation
input
ground wire
Prior art date
Application number
RU2023115588A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Николаевич Трещиков
Виктор Алексеевич Одинцов
Валерий Викторович Горбуленко
Тале Илхам оглы Рагимов
Вадим Алексеевич Конышев
Александр Григорьевич Новиков
Рустам Рахматович Убайдуллаев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор")
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор")
Application granted granted Critical
Publication of RU2804266C1 publication Critical patent/RU2804266C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to devices for real-time monitoring of the location of lightning strikes in the ground wire of power lines. The device comprises a source (1) of polarized optical radiation, a bidirectional optical communication channel (2), a computer (3), a device (4) for receiving and measuring optical radiation parameters, an optical splitter (9), an output optical amplifier (10), an input optical amplifier (11). The device (4) for receiving and measuring optical radiation parameters comprises a balanced photodetector (12), a bandpass amplifier (13), a frequency detector (14), an analogue-to-digital converter (15), a signal processing unit (16) and a threshold device (17). The bidirectional optical communication channel (2) includes optical fibres (5) connected on one side by a reverse loop (8), and on the other side forming the input (6) and output (7) of optical radiation.
EFFECT: expanding the range of measured values.
1 cl, 1 dwg

Description

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).The invention relates to devices for distributed monitoring in real time of the location of lightning strikes in the ground wire of power lines. The length of power lines can be hundreds and even thousands of kilometers, for example, for lines with a voltage of 220 kV, the distance between supports (spans) reaches 400 meters, and power lines can be located in hard-to-reach areas. It is known that high-voltage power lines are equipped with lightning protection systems. For overhead power lines to protect against lightning strikes, it is typical to use lightning cables stretched between the supports. One of the passport parameters characterizing a lightning cable is the maximum current that it can withstand without destruction for a certain time. Structurally, specially designed lightning cables consist of individual metal conductors twisted in a certain way and are equipped with optical fiber, which serves to transmit information. The design of such ground wires can be viewed on the websites of manufacturers of ground wires with optical fiber, for example, an OPGT type cable manufactured by Incab (Incab.ru), [Electronic resource]. - Access mode: https://incab.ru/useful-information/ documents/#doc_0, free entry - (06/07/2023).

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).A lightning strike into a ground wire causes current to flow through it, which, if the current exceeds the rated value, can lead to its damage - melting of part of the conductors and, as a result, permissible currents. Possible damage to a lightning cable with optical fiber from a lightning strike is discussed in detail on the website of the Alfa EMS company (Alfa EMS (alfa-ems.ru) [Electronic resource] in the Information section - Lightning protection cable with optical fiber. Thermal resistance to direct lightning strike. - Access mode : https://alfa-ems.ru/info/grozozashhimyiy-tros-s-opticheskim-voloknom, free admission - (06/07/2023).

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.An urgent task is to determine the location of damage to the ground wire when it is struck by lightning. Determining the possible location of damage to the ground wire is based on the Faraday effect, which consists of changing the polarization of the light flux in an optical fiber under the influence of a magnetic field when a current begins to flow in the ground wire, creating a strong longitudinal magnetic field. A lightning strike is characterized by a rapid increase in current, which, in turn, leads to a rapid rotation of the polarization vector of the optical signal. In the sources (see, for example, the website of the ELKON company, [Electronic resource]. - Access mode: http://electro-control.ru/info/5l-priroda-molnii-grozozashchita.html, free admission - (06/07/2023 ) the stages of development of a lightning discharge and the parameters characterizing a lightning discharge are described. For example, the recorded amplitude values of the lightning current in the ground wire can reach 200...300 kA with the front duration of the lightning current pulse from fractions of a microsecond to several tens of microseconds.

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.The LM-S lightning current monitoring system is known, designed for recording and analyzing lightning strikes in real time (NEW TECHNOLOGIES (www.phoenix.nt-rt.ru), [Electronic resource]. - Access mode: https://phoenix.nt -rt.ru/images/manuals/zashita_molnii_lms.pdf, free entry - (05/17/2023) This system is focused on recording lightning currents for structures located in an open unprotected area, such as: wind farms in coastal areas, radio towers, complexes recreation or tall buildings. It transmits data on the impact force online, based on typical lightning parameters. Due to data on the operating parameters of the equipment and the measurements taken, the system provides the ability to find the optimal solution for performing inspection and maintenance tasks. The disadvantage of such a system is the fact that it is essentially intended for installation at one site and is practically not suitable for long power lines.

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.The “System, method and device for detecting the location of lightning” is known (RF patent No. 2662457 C1, published on July 26, 2018). The lightning detection system includes a lightning location detection database and an analysis unit configured to receive, from a plurality of portable communication devices over a communication network, data indicating the locations of the portable communication devices and distances between the lightning strike and the portable communication devices; detecting the location of the lightning strike based in part on data indicating distances from the lightning strike to the locations of the portable communications devices and storing the location of the lightning strike in a lightning location detection database. The known technical solution has low accuracy and does not allow determining the fact and location of a lightning strike from a lightning strike into a ground wire, which makes the use of such a system problematic for long power lines.

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.The closest to the claimed technical solution - the prototype - is a multi-channel distributed sensor for monitoring the location of a lightning strike in the ground wire of a power line, containing a source of polarized optical radiation, a device functionally connected to a computer for receiving and measuring the parameters of optical radiation, and two mutually parallel optical fibers placed in the ground wire, combined on one side, a reverse loop with the formation of a forward and reverse channel, and on the other side, forming the input and output of optical radiation, respectively (Optica Publishing Group, [Electronic resource]. - Access mode: https://opg.optica.org/oe/fulltext .cfm?uri=oe-25-9-9689&id=363200, free entry - (06/06/2023). The prototype allows you to detect the location of the transient process of the state of polarization of the optical process (SOP) along the cable path. Thanks to the reverse loop, each transient process of the SOP is registered , as a pair of transient processes (one from each direction of propagation), which allows you to determine the place or multiple places (which essentially makes the sensor multichannel) of the occurrence of the transient process. In the prototype, transients are recorded by a Novoptel PM-500 polarimeter, which samples the Stokes vector at a rate of 100 MHz with an analog Stokes parameter bandwidth of 35 MHz. The longest arc that can occur between any two Stokes vector samples for a finite volume sample must have a length less than or equal to π, which limits the maximum measurable angular velocity of rotation of the polarization vector to 19.6 Mrad/s. Thus, the prototype has a limited area application, since it has a limitation of the maximum measurable angular velocity of 19.6 Mrad/s, which does not allow recording changes in the angular velocity of rotation of the polarization vector exceeding this value by large values of currents arising in the ground wire when a lightning discharge hits it, which can cause its mechanical damage due to fast local heating.

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.Thus, the identified problem is ensuring the possibility of estimating large values of currents in the ground wire when it is hit by lightning discharges, characteristic of values of the angular velocity of rotation of the polarization vector above 19.6 Mrad/s.

Технический результат - повышение технологических возможностей многоканального распределенного датчика мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи за счет расширения диапазона измерений.The technical result is an increase in the technological capabilities of a multi-channel distributed sensor for monitoring the location of a lightning strike in a power line ground wire by expanding the measurement range.

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.The problem is solved, and the claimed technical result is achieved by the fact that a multi-channel distributed sensor for monitoring the location of a lightning strike in the ground wire of a power line, containing a source of polarized optical radiation, a device for receiving and measuring the parameters of optical radiation functionally connected to a computer, and two mutually parallel optical fibers placed in the ground wire, combined on one side by a return loop to form a forward and reverse channel, and on the other side forming, respectively, the input and output of optical radiation, equipped with a polarization-preserving optical splitter, and the device for receiving and measuring the parameters of optical radiation is made in the form of a functionally interconnected balanced photodetector, a bandpass amplifier, frequency detector, analog-to-digital converter, threshold device and signal processing unit, wherein the output of the optical radiation of the reverse channel is connected to the signal input of the balanced photodetector, the output of the balanced photodetector is connected through a series-connected bandpass amplifier and frequency detector to the information inputs of the analog-to-digital converter and a threshold device, the information outputs and control inputs of which are connected to the corresponding inputs and outputs of the signal processing unit, the output of which is connected to a computer, and the output of the source of polarized optical radiation is connected to the input of a polarization-preserving optical splitter, the first output of which is connected to the input of the optical radiation of the direct channel, and the second output is connected to the heterodyne input of the balanced photodetector.

Изобретение иллюстрируется изображением, на котором схематически представлен заявленный многоканальный распределенный датчик мониторинга места удара молнии в грозотрос линии электропередачи.The invention is illustrated by an image that schematically represents the claimed multi-channel distributed sensor for monitoring the location of a lightning strike in a power line ground wire.

Цифровые позиции на представленном изображении означают следующее:The digital positions in the presented image mean the following:

1 - источник поляризованного оптического излучения;1 - source of polarized optical radiation;

2 - двунаправленный оптический канал связи;2 - bidirectional optical communication channel;

3 - компьютер;3 - computer;

4 - устройство приема и измерения параметров оптического излучения;4 - device for receiving and measuring parameters of optical radiation;

5 - оптоволокно;5 - optical fiber;

6 - вход оптического излучения;6 - optical radiation input;

7 - выход оптического излучения;7 - optical radiation output;

8 - обратная петля;8 - reverse loop;

9 - оптический разветвитель, сохраняющий поляризацию;9 - optical splitter that maintains polarization;

10 - выходной оптический усилитель;10 - output optical amplifier;

11 - входной оптический усилитель;11 - input optical amplifier;

12 - балансный фотодетектор;12 - balanced photodetector;

13 - полосовой усилитель;13 - bandpass amplifier;

14 - частотный детектор;14 - frequency detector;

15 - аналого-цифровой преобразователь;15 - analog-to-digital converter;

16 - блок обработки сигналов;16 - signal processing unit;

17 - пороговое устройство.17 - threshold device.

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.The claimed multi-channel distributed sensor for monitoring the location of a lightning strike in the ground wire of a power line (hereinafter also referred to simply as the “sensor”) contains a source of polarized optical radiation 1, a device for receiving and measuring the parameters of optical radiation 4, functionally connected to a computer 3, and two mutually parallel located in the ground wire optical fibers 5 (the specified optical fibers 5 must be part of the bidirectional optical communication channel 2 placed in the lightning cable) and, combined on one side by a reverse loop 8 to form a forward and reverse channel, and on the other side forming, respectively, the input 6 and output 7 of optical radiation (for coordination of the levels of optical signals of the bidirectional optical communication channel 2 with the device for receiving and measuring parameters of optical radiation 4, it is advisable to provide for the presence of output 10 and input 11 optical amplifiers). The sensor is equipped with a polarization-preserving optical splitter 9. The device for receiving and measuring parameters of optical radiation 4 is made in the form of a functionally interconnected balanced photodetector 12, a bandpass amplifier 13, a frequency detector 14, an analog-to-digital converter 15, a threshold device 17 and a signal processing unit 16. The output 7 of the optical radiation of the return channel (through the input optical amplifier 11) is connected to the signal input of the balanced photodetector 12, the output of the balanced photodetector 12 through a series-connected bandpass amplifier 13 and the frequency detector 14 is connected to the information inputs of the analog-to-digital converter 15 and the threshold device 17, information the outputs and control inputs of which are connected to the corresponding inputs and outputs of the signal processing unit 16, the output of which is connected to the computer 3, and the output of the source of polarized optical radiation 1 is connected to the input of the polarization-preserving optical splitter 9, the first output of which is connected (via an output optical amplifier 10) with input 6 of optical radiation of the direct channel, and the second output is connected to the heterodyne input of balanced photodetector 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.The sensor, whose operation is based on the Faraday effect, which consists in changing the polarization of the light flux under the influence of a magnetic field, works as follows. The optical radiation of the polarized radiation source 1, passing through the polarization-preserving optical splitter 9, arrives at the input 6 of the bidirectional optical communication channel 2 (hereinafter referred to as communication channel 2). Communication channel 2 is located in a ground wire equipped with standard single-mode fiber 5 (for example, G.652). The optical radiation of the polarized radiation source 1, having passed through the optical fiber 5 in the forward direction, is looped through the reverse loop 8 and propagates in the opposite direction. The length of a bidirectional optical communication channel 2 can be hundreds or even thousands of kilometers. Bidirectional optical communication channel 2 contains optical amplifiers, such as in the considered prototype (the configuration of communication channel 2 is not considered, since it is not the subject of the present invention). It is necessary that the fibers 5 of forward and backward propagation of optical radiation be structurally placed in the ground wire of the bidirectional optical communication channel 2 in close proximity to each other (placed in parallel), which is ensured by the design of the cable. As a result of a lightning strike into a lightning cable, a rapid increase in current occurs in it in a very short time from fractions to units of microseconds. The current creates a strong magnetic field, which causes rotation of the polarization vector. The rotation speed of the polarization vector of optical radiation can reach 200 Mrad/sec or more. At the output 7 of the bidirectional communication channel 2, as discussed in the prototype, first a signal appears, propagating in the opposite direction and characterizing a lightning strike, and then a signal appears, traveling in the forward and reverse directions. The optical radiation passed through the bidirectional communication channel 2 enters the device for receiving and measuring the parameters of optical radiation 4, in which the rotation speed of the polarization vector of the optical radiation passing through the bidirectional communication channel 2 is analyzed. The principle based on on heterodyne reception of optical radiation with direct frequency conversion (transfer to the “zero” frequency) and subsequent analysis of the electrical signals obtained as a result of the conversion. This implementation of a device for receiving and measuring the parameters of optical radiation, instead of the polarimeter used in the prototype, makes it possible to record (as shown by the experiments described below) significantly higher rotation rates of the polarization vector, and in the stated totality, significantly higher values of lightning discharge currents affecting the lightning rod.

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.Optical radiation from output 7 of communication channel 2 is supplied (via amplifier 11) to the signal input of the balanced photodetector 12 of the device for receiving and measuring the parameters of optical radiation 4, and the heterodyne input of the balanced photodetector 12 receives optical radiation from the polarized radiation source 1 from the second output, which maintains the polarization of the optical splitter 9. During operation, an alternating signal is present at the output of the balanced photodetector 12, caused by the difference in frequencies at its inputs, due to the mismatch between the instantaneous frequency of the optical radiation source 1 and the frequency of the optical radiation passing through the communication channel 2. Also, the polarization state of the optical radiation passing through the channel connection 2 changes under the influence of external factors (such as temperature, vibration and others). Under these “quiet” conditions, in the absence of lightning strikes, there is an “interfering” signal at the output of the balanced photodetector 12, the frequency of which usually does not exceed kilohertz. In essence, these rotation frequencies of the polarization vector reflect a certain natural background state of the line - in our case - interfering signals. Next, the alternating signal from the output of the balanced photodetector 12 is supplied to the input of the bandpass amplifier 13, in which selective amplification and limitation of the signal occurs. The frequency range of the bandpass amplifier 13 is determined based on the rejection of interfering signals and the need to isolate possible frequencies of rotation of the polarization vector caused by a lightning strike into the ground wire. Limiting the signal is necessary in order to eliminate the influence of amplitude changes in the signal during subsequent processing on the result of detecting the rotation frequencies of the polarization vector, which characterize a lightning strike into a ground wire. As a result of a lightning strike, a high-frequency alternating signal is received from the output of the bandpass amplifier 13 to the input of the frequency detector 14, which, as a result of detection at its output, is converted into a unipolar signal, the magnitude of which is proportional to the frequency value at its input. This signal, being properly calibrated, fully reflects the nature of the rate of increase in the change in current flowing through the ground wire and the assessment of the current value; the higher the rotation speed of the polarization vector, the greater the current value. The signal from the output of the frequency detector 14 is supplied to the information inputs of the analog-to-digital converter 15 and the threshold device 17. In the analog-to-digital converter 15, the unipolar signal from the output of the frequency detector 14 is converted into a digital code, which is supplied to the first information input of the signal processing unit 16, the second information input of which receives a signal from the information output of the threshold device 17 indicating that the current in the ground wire exceeds the permissible value. The first control output of the signal processing unit 16, connected to the control input of the analog-to-digital converter 15, ensures mutual synchronization of their operation, its second control output sets the threshold of the threshold device 17. The signal processing unit 16 ensures mutual synchronization, pre-processing and transmission of the received data over the communication channel information to computer 3. Computer 3 also sets the initial data via the communication channel to configure the operating mode of the signal processing unit 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.An example of the implementation of the proposed sensor. The performance of the claimed sensor was assessed by the method of semi-natural modeling of the claimed technical solution in order to confirm the possibility of estimating the rotation of the polarization vector with angular rotation frequencies exceeding 19.6 Mrad/s. In the experimental bench, laser radiation, as in the prototype, was created using an unmodulated Ciena transponder with a performance of 10G, which through polarization-preserving optical splitter 9, for example, type RMTS-15-RM-TAR, was fed to the input of the simulator of communication channel 2, consisting of two sections of fiber, each 10 kilometers long, between which a Novoptel EPC1000 scrambler was connected, allowing to change the optical polarization at a speed of up to 50 Mrad/s. Using a scrambler, a lightning “strike” was simulated by creating a rotation of the polarization vector of optical radiation propagating in the optical line. By changing the speed of rotation of the polarization vector over time, it is possible to simulate a standard pulse of lightning voltage currents (tests are regulated by GOST 1516.2-76). The output of communication channel 2 was connected to the input of balanced photodetector 12, the heterodyne input of which was supplied with optical radiation from laser radiation source 1 (transponder) from the output of optical splitter 9. As a balanced detector 12, a balanced photodetector of the LSM-DET-BHS-W1-150M type with a bandwidth of up to 150 MHz was used. A two-stage bandpass amplifier with a bandpass filter with cutoff frequencies of 1 MHz and 150 MHz connected between the stages. High-speed operational amplifier microcircuits of type K1432UD11/12 were used as amplification elements. The total transmission coefficient was chosen in such a way as to ensure limitation of the signal in the passband. As a frequency detector 14, a standard solution was used that implements the principle of digital frequency detection and makes it possible to obtain an almost linear dependence of the output voltage on frequency in the range of input frequencies that interests us (see, for example, Digital frequency detector. [Electronic resource]. - Access mode: https://vikidalka.ru/2-118561.html?ysclid=li30yti4qf196676859 (07.062023). The threshold device 17 is implemented on a high-speed operational amplifier, for example, type K1432UD6. The basis for the implementation of the analog-to-digital converter 15 is a microcircuit of the AD9265BCPZ-125 type, operating with a conversion frequency of 100 MHz, which, in accordance with Kotelnikov's theorem, allows converting frequencies up to 50 MHz. The signal processing unit 16 is implemented on the basis of programmable matrices, for example, the FPGA ICE40HX8K type. In the process of testing the proposed technical solution, rotation was carried out using a Novoptel EPC1000 scrambler polarization vector with speeds of 10 Mrad/s, 20 Mrad/s, 30 Mrad/s and 40 Mrad/s. The proposed technical solution made it possible to record these values.

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.Thus, the foregoing allows us to conclude that the identified problem - ensuring the possibility of assessing large values of currents in a ground wire when a lightning discharge hits it, characteristic for values of the angular velocity of rotation of the polarization vector over 19.6 Mrad/s - has been solved, and the declared technical The result - increasing the technological capabilities of a multi-channel distributed sensor for monitoring the location of a lightning strike in a power line ground wire by expanding the measurement range - has been achieved.

Claims (1)

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.Multi-channel distributed sensor for monitoring the location of a lightning strike into a power line ground wire, containing a source of polarized optical radiation, a device functionally connected to a computer for receiving and measuring optical radiation parameters, and two mutually parallel optical fibers placed in the ground wire, connected on one side by a return loop to form a forward and return channel , and on the other side forming, respectively, the input and output of optical radiation, characterized in that it is equipped with a polarization-preserving optical splitter, and the device for receiving and measuring the parameters of optical radiation is made in the form of a functionally interconnected balanced photodetector, a bandpass amplifier, a frequency detector, an analogue a digital converter, a threshold device and a signal processing unit, wherein the output of the optical radiation of the return channel is connected to the signal input of the balanced photodetector, the output of the balanced photodetector is connected through a series-connected bandpass amplifier and frequency detector to the information inputs of the analog-to-digital converter and the threshold device, information outputs and control the inputs of which are connected to the corresponding inputs and outputs of the signal processing unit, the output of which is connected to the computer, and the output of the source of polarized optical radiation is connected to the input of a polarization-preserving optical splitter, the first output of which is connected to the input of the optical radiation of the direct channel, and the second output is connected to the heterodyne input balanced photodetector.
RU2023115588A 2023-06-14 Multichannel distributed sensor for monitoring location of lightning strike in ground wire of power transmission line RU2804266C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2804266C1 true RU2804266C1 (en) 2023-09-26

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1987526A (en) * 2006-12-19 2007-06-27 中国科学院上海光学精密机械研究所 Real time lightning strike positioning system and positioning method
RU2624402C2 (en) * 2014-08-11 2017-07-03 Открытое акционерное общество "Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы" System of monitoring lightning strike to overhead power lines
RU2662457C1 (en) * 2014-07-16 2018-07-26 Аккувезер, Инк. System, method and device for detecting location of lightning
RU185831U1 (en) * 2017-08-04 2018-12-19 Публичное акционерное общество энергетики и электрификации "Магаданэнерго" STORM DEVICE FOR REGISTRATION OF THUNDER DISCHARGES AND PLACES OF DAMAGE TO INSULATION ON VL
CN110018399A (en) * 2019-05-15 2019-07-16 武汉康普常青软件技术股份有限公司 A kind of lightning fault localization method based on optical signal polarization state in transmission line of electricity OPGW

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1987526A (en) * 2006-12-19 2007-06-27 中国科学院上海光学精密机械研究所 Real time lightning strike positioning system and positioning method
RU2662457C1 (en) * 2014-07-16 2018-07-26 Аккувезер, Инк. System, method and device for detecting location of lightning
RU2624402C2 (en) * 2014-08-11 2017-07-03 Открытое акционерное общество "Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы" System of monitoring lightning strike to overhead power lines
RU185831U1 (en) * 2017-08-04 2018-12-19 Публичное акционерное общество энергетики и электрификации "Магаданэнерго" STORM DEVICE FOR REGISTRATION OF THUNDER DISCHARGES AND PLACES OF DAMAGE TO INSULATION ON VL
CN110018399A (en) * 2019-05-15 2019-07-16 武汉康普常青软件技术股份有限公司 A kind of lightning fault localization method based on optical signal polarization state in transmission line of electricity OPGW

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107223204B (en) The transmission line that the traveling wave in optical fiber is grounded using light is protected
Shafiq et al. Identification and location of PD defects in medium voltage underground power cables using high frequency current transformer
CN113092879B (en) Transmission line lightning stroke monitoring method, device, equipment and storage medium
JP5242098B2 (en) Optical fiber sensor and variation position detection method
US20200209301A1 (en) Partial discharge transducer
CN109991511B (en) Lightning stroke monitoring device and monitoring method for overhead line
EP2074437A1 (en) Method and device for monitoring a system
CN111065932A (en) Traveling wave identification using distortion for power system protection
Lu et al. Study on passive, wide area and multi-state parameter monitoring and diagnosis for power transmission lines
RU2804266C1 (en) Multichannel distributed sensor for monitoring location of lightning strike in ground wire of power transmission line
JPH06307896A (en) Distributed waveguide sensor
JP6624165B2 (en) Distribution line fault location system
CN102650654A (en) Operation performance on-line assessment method for power transformer iron core and clamping piece grounding current monitoring device
CN105334374A (en) Optical fiber current sensor
CN113092959B (en) Insulator pollution flashover monitoring method, device, equipment and storage medium
WO2021259117A1 (en) Optical fiber measurement method, system and apparatus
RU2816676C1 (en) Device for monitoring vibroacoustic characteristics of power cables and wires
CN205139230U (en) Fiber optic current sensor
CN116026444A (en) Vibration characteristic monitoring method and system for overhead transmission line
Fusiek et al. All-optical differential current detection technique for unit protection applications
Fusiek et al. Concept level evaluation of the optical voltage and current sensors and an arrayed waveguide grating for aero-electrical systems' applications
Li et al. Design and evaluation of a current differential protection scheme incorporating a fiber optical current sensor
Glass et al. Transition to Online Cable Insulation Condition Monitoring
JPH07270480A (en) Fault point locating device
RU2719763C1 (en) Method for automatic re-connection of cable-overhead power transmission line