Может ли высокое напряжение в сотни тысяч вольт пробить оптоволокно? Требуется ли заземление металлической оболочки?
В высоковольтных линиях электропередачи, подстанциях и сверхвысоковольтных энергетических проектах широко применяется технология оптического зондирования (например, оптоволоконные решетки Брэгга (FBG), распределенные оптоволоконные датчики).
Ниже приводится анализ технических принципов, касающихся характеристик изоляции оптических волокон и обработки потенциалов для металлических оболочек в условиях сверхвысокого напряжения в десятки тысяч вольт:
I. Пробьет ли высокое напряжение в десятки тысяч вольт оптическое волокно?
Вывод: Собственно материал оптического волокна не пробивается непосредственно электрическим полем, однако в инженерной практике необходимо строго предотвращать «поверхностный разряд (искрение), приводящий к сгоранию».
-
Физическая прочность изоляции материала (объемный пробой):
- Базовый материал телекоммуникационных и сенсорных оптических волокон — плавленый кварц высокой чистоты ( \text{SiO}_2 ), являющийся изоляционным диэлектриком.
- Диэлектрическая прочность (напряженность пробойного поля) кварцевого стекла чрезвычайно высока, типичные значения достигают 10 \sim 100\ \text{кВ/мм} , что значительно превосходит пробойную напряженность сухого воздуха при стандартном атмосферном давлении (около 3\ \text{кВ/мм}).
- Оптическое волокно не проводит ток и не намагничивается, не имеет замкнутого контура электромагнитной индукции, поэтому само электрическое поле не может вызвать пробой непосредственно внутри диэлектрика волокна.
-
Основной механизм отказа: поверхностный разряд и высокотемпературная дуга, приводящая к плавлению (искрение):
- Высокое напряжение в десятки тысяч вольт не может пробить само оптическое волокно, однако при подключении с высоким напряжением и большой разницей потенциалов (например, от высоковольтной линии в десятки тысяч вольт к земле) высокая напряженность поля распределяется в пространстве и на поверхности оптического волокна.
- Если расстояние пути утечки (Creepage Distance) по поверхности оптического волокна недостаточно, или на поверхности адсорбированы влага, пыль и проводящие загрязнения, это может вызвать коронный разряд в воздухе вдоль поверхности волокна или даже сквозной пробой воздуха дугой (искрение).
- Локальная температура воздушной дуги может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия, в то время как температура размягчения и плавления кварсового стекла составляет около 1200 \sim 1700\ ^\circ\text{C} . При возникновении поверхностной дуги защитное покрытие волокна и кварцевое сердцевину мгновенно сгорят и испарятся, приводя к обрыву.
- Нормы инженерной защиты: Для оптических волокон, подведенных от высоковольтного потенциала к стороне, находящейся под потенциалом земли, необходимо обеспечить достаточное расстояние изоляции от земли, а также использовать высоковольтные композитные изоляторы (например, с силиконовыми юбками) для обеспечения достаточного расстояния пути утечки для защиты от загрязнения и искрения.
II. Нужна ли заземление для металлической оболочки?
Вывод: Металлическая оболочка датчика, установленного на высоковольтной линии электропередачи, категорически запрещается заземлять, необходимо применять «установку на равном потенциале»; непрерывные металлические гильзы запрещены в зонах с разностью потенциалов.
-
Сторона высоковольтного провода: установка на равном потенциале (строго запрещено заземление):
- Когда металлическая оболочка датчика (например, датчик температуры на основе оптоволоконной решетки Брэгга в тонкой нержавеющей стали) непосредственно крепится к высоковольтной линии электропередачи в десятки тысяч вольт, разъединителю или соединению шин, внешний корпус находится в состоянии полного равенства потенциалов (Equipotential) с измеряемым высоковольтным проводом.
- В состоянии равенства потенциалов ток через внутреннюю часть металлической оболочки отсутствует, что исключает опасность короткого замыкания на частоте промышленной сети.
- В таком случае, если бы металлическая оболочка была заземлена, это было бы равносильно созданию прямого металлического короткого замыкания высоковольтной фазы на землю, что мгновенно вызвало бы огромную дугу сверхвысокого напряжения и взрыв.
-
Принцип изоляции при передаче через разность потенциалов:
- Защитный слой металлической оболочки допускается только в локальных зонах высокого потенциала;
- В оптическом пути, идущем от высоковольтного провода в десятки тысяч вольт к низкопотенциальному измерительному концу (демодулятору), металлическая защитная трубка должна быть разомкнута и завершена на переходном участке изоляции, все проводящие металлические компоненты должны быть сняты, и далее должен использоваться полностью диэлектрический оптический кабель (без металлического сердечника или металлической оболочки), чтобы оборвать путь проведения потенциала.
-
Нормы для металлических компонентов на стороне низкого напряжения/земли:
- Если внешний корпус или металлическая броня находятся в зоне низкого потенциала земли, например, в напольных шкафах подстанций, то согласно нормам электрозащиты, они должны быть надежно заземлены с одной стороны для сброса зарядов электростатической индукции, вызванных наведенным сильным электромагнитным полем.
III. Выбор корпуса датчика в среде сильного электрического поля высокого напряжения
Для полного исключения локальной деформации электрического поля, разряда в зависшем потенциале или нагрева вихревыми токами, вызванными металлической оболочкой в переменном электрическом поле высокого напряжения, при прямом измерении температуры и деформации первичного высоковольтного оборудования обычно отдают предпочтение керамическим корпусам или полностью диэлектрическим полимерным корпусам:
1. Датчики в керамической изоляционной оболочке
Оптоволоконные решетки Брэгга, заключенные в керамическую оболочку, не содержат металлических частей и по своей природе обладают высокой устойчивостью к высокому напряжению, высокой температуре и высоким диэлектрическим сопротивлением.
2. Датчики в полимерной оболочке
Полимерный материал, не содержащий металла, используется для инкапсуляции решетки, обеспечивая гибкость и изоляционные свойства, избегая эффекта концентрации электрического поля в металле.
