Optik fiberler buz kalınlığını ölçebilir mi?

OFSCN Global Teknik Merkezi OFSCN Teknik Bilgi Bankası
1

Lifin üzerine ne kadar buz biriktiğini nasıl anlar?

2

Elektrik mühendisliğinde, fiber optik tek başına buzlanmanın fiziksel kalınlığını doğrudan “hissedemez” veya “dokunarak ölçemez”; bunun yerine, mekanik algılama ve mekanik model tersine mühendislik (zincir hattı denklemi) yoluyla dolaylı olarak hesaplanır.

Havai elektrik iletim hatlarının (fiber optik içeren OPGW fiber optik bileşik yer iletkenleri veya harici olarak monte edilen fiber optik sensörler dahil) buz kalınlığını ölçmenin temel fiziksel ve matematiksel mantığı aşağıdaki gibidir:

Bir, Temel Ölçüm Fiziksel Prensibi

1. Buz Yükünün Eksenel Çekme Kuvveti ve Gerilimine Dönüşümü

İletim hatları veya yer iletkenleri iki direk arasına asılır ve doğal formu mekanik olarak zincir hattı (Catenary) denklemine uyar.

  • Buzsuz Durum: İletken kendi ağırlık yükünü ve ön gerilim ilk gerilimini taşır.
  • Buzlanma Durumu: Buz tabakası iletken üzerine yapışarak birim uzunluktaki hat toplam hat yükünü (q) önemli ölçüde artırır:
    q_{\text{total}} = q_{\text{line}} + q_{\text{ice}} + q_{\text{wind}}
  • Buzlanma ağırlığı (q_{\text{ice}}) arttıkça, iletkenin sarkması (eğrilmesi) artar ve askı noktalarının her iki ucundaki yatay gerilim ile iletkenin içindeki eksenel çekme gerilimi/gerilimi (\varepsilon) senkronize olarak artar.

2. Mekanik Gerilime Fiber Optiğin Duyarlılığı

Fiber optik içindeki Fiber Bragg Grating (FBG) veya dağıtılmış saçılma ortamı (BOTDA/BOTDR/OFDR teknolojisine dayalı gerilim fiber optiği gibi) küçük eksenel gerilimlere karşı son derece hassastır.
İletken hat buz yükü nedeniyle gerildiğinde, fiber optik mekanik gerilime maruz kalır ve ızgara merkezinin yansıtma dalga boyu kayar:

\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (1 - p_e) \varepsilon + (\alpha_\Lambda + \xi) \Delta T

Burada:

  • p_e etkin elektro-optik katsayıdır;
  • \varepsilon eksenel gerilimdir;
  • \alpha_\Lambda ve \xi sırasıyla termal genleşme ve termal optik katsayılardır;
  • \Delta T ortam sıcaklığındaki değişimdir.

3. Kesin Sıcaklık Telafisi ve Ayrıştırması

Kışın aşırı soğuk ortam, iletkenlerin soğuk büzülmesine neden olabilir, bu da mekanik gerilim artışına ve dalga boyu kaymasına neden olur. “Soğuk büzülmeden kaynaklanan gerilim” ile “buz ağırlığından kaynaklanan gerilim” arasındaki ayrımı yapmak için, sistem genellikle harici kuvvet tarafından gerilmeyen bir konuma paralel olarak fiber optik sıcaklık ölçüm noktaları kurar ve sıcaklığın neden olduğu dalga boyu kaymasını \Delta \lambda_T hassas bir şekilde çıkararak sadece buz ağırlığından kaynaklanan mekanik gerilimi \varepsilon_{\text{mechanical}} çıkarır.

İki, "Gerilim/Gerilim"den "Buz Kalınlığı"na Tersine Mühendislik Matematiksel Modeli

Demodülasyon cihazı gerilim ve hat gerilimi verilerini aldıktan sonra, arka plan algoritması eşdeğer buz kalınlığını şu üç adımla türetir:

  1. Gerilim Artışını Hesaplama: İletkenin en kesit alanı ve elastisiyet modülü ( \sigma = E \cdot \varepsilon ) temelinde, buzlanma nedeniyle tüm mesafedeki hat için eklenen gerilimi \Delta T hesaplar.
  2. Birim Uzunluk Başına Buz Ağırlığını Tersine Mühendislik ile Hesaplama (W_{\text{ice}}): Mesafe (L), yükseklik farkı ve iletkenin ilk geometrik durumuna göre, zincir hattı mekanik denge denklemi aracılığıyla, metre hat başına eklenen buz kütlesini m_{\text{ice}}\ (\text{kg/m}) tersine mühendislik ile hesaplar.
  3. Eşdeğer Silindirik Buz Kalınlığını Hesaplama (d_{\text{ice}}):
    Elektrik mühendisliği standartları (örneğin Çin elektrik standartları ve IEC düzenlemeleri) genellikle düzensiz buz tabakasını, hatların dışına homojen olarak sarılmış silindirik bir boru modeli olarak basitleştirir:
    m_{\text{ice}} = \rho_{\text{ice}} \cdot \pi \cdot \left[ \left( \frac{D}{2} + d_{\text{ice}} \right)^2 - \left( \frac{D}{2} \right)^2 \right]
    Düzenlendikten sonra:
    m_{\text{ice}} = \rho_{\text{ice}} \cdot \pi \cdot d_{\text{ice}} (D + d_{\text{ice}})
    Burada:
    • D çıplak iletkenin dış çapıdır;
    • \rho_{\text{ice}} buz yoğunluğudur (genellikle endüstriyel hesaplamalarda standart buzlanma için 0.9\ \text{g/cm}^3 olarak alınır);
    • d_{\text{ice}} eşdeğer buzlanma kalınlığıdır.

Bu ikinci dereceden tek değişkenli denklem çözülerek, sistem mevcut iletken üzerindeki eşdeğer buzlanma kalınlığını (mm) gerçek zamanlı olarak çıktı verebilir.

Üç, İlgili Fiber Optik Algılama Bileşenleri

Gerçek elektrik hattı çevrimiçi izleme mühendisliğinde, gerçek zamanlı gerinim toplama için sıcaklık sensörleriyle birlikte gerilim izleme için anaerobik izolatör zincirlerinin her iki ucuna monte edilen fiber optik gerilim sensörleri kullanılır: