W transformatorach wysokiego napięcia wszystko dzieje się po cichu, a przynajmniej aż do momentu, w którym cisza okazuje się zapowiedzią awarii. Z zewnątrz widać tylko stalową bryłę i infrastrukturę, która po prostu ma działać. W środku pracuje jednak układ izolacji, olej, uzwojenia i pole elektromagnetyczne tak brutalne, że większość klasycznych czujników nie jest w stanie funkcjonować w takim środowisku. Sęk w tym, że to właśnie tam rodzą się pierwsze sygnały problemów.
Najtrudniejsze w takiej diagnostyce nie jest samo wykrycie, że coś poszło nie tak. Tym najważniejszym krokiem jest złapanie momentu tuż przed awarią. Wczesne oznaki bywają mikroskopijne, bo obejmują krótkie wyładowania w izolacji, subtelne wibracje, impulsy akustyczne w zakresie ultradźwięków. Pytanie więc brzmi prosto – jak podsłuchiwać coś, co trwa ułamki sekund, ginie w zakłóceniach i pojawia się w miejscu, do którego nie da się łatwo włożyć elektroniki?
Wyładowania niezupełne. Małe iskry, duże konsekwencje
W świecie energetyki jednym z najważniejszych wczesnych alarmów są wyładowania niezupełne (PD). To nie jest klasyczne zwarcie, które natychmiast wywala zabezpieczenia, a raczej seria drobnych przebić w izolacji – w pęcherzykach gazu, mikropęknięciach, przy wadach materiału lub w miejscach starzenia. Same w sobie mogą być jeszcze do przeżycia, ale potrafią przyspieszać degradację izolacji, a w skrajnych przypadkach torować drogę do awarii o skali wykraczającej poza jeden transformator.
Czytaj też: Kwantowy wykrywacz kłamstw. Doszło do demonstracji mocy komputerów kwantowych
Dlatego takie wyładowania niezupełne wykrywa się na różne sposoby, bo metodami elektrycznymi, UHF, analizą gazów rozpuszczonych w oleju i akustyką. Ta ostatnia jest kusząca, bo wyładowania generują fale sprężyste, a więc coś, co da się mierzyć bez bezpośredniego podłączania się do toru wysokiego napięcia. Istotne składowe częstotliwościowe mieszczą się w dziesiątkach kilohertzów, a główna energia dla pewnych typów wyładowań bywa około 100 kHz, przy czym dla większych wyładowań zakres może schodzić do 20-100 kHz. Problem w tym, że typowe czujniki akustyczne (np. piezoelektryczne) mają swoje ograniczenia w środowisku transformatora.
Mikrofon, który nie boi się temperatury i pola elektromagnetycznego
Tutaj właśnie wchodzi do gry zespół badaczy z Shanghai University. Opisali oni czujnik, który z założenia omija najgorsze pułapki elektroniki w pobliżu wysokich napięć. Zamiast klasycznego przetwornika, obiecuje rozwiązanie całkowicie światłowodowe, wykonane z krzemionki i zbudowane w geometrii pojedynczego włókna optycznego. W praktyce mówimy o średnicy 125 mikrometrów, czyli 0,125 mm, a to akurat nie jest przypadkowa liczba, bo 125 µm to nominalna średnica płaszcza standardowych włókien jednomodowych telekomunikacyjnych według zaleceń ITU-T.
Kluczowe parametry z punktu widzenia podsłuchiwania ultradźwięków wyglądają imponująco, bo deklaracja obejmuje czułość na pasmo od 40 kHz do 1,6 MHz. W dolnej części tego zakresu zaczyna się obszar typowo kojarzony z akustyczną detekcją wyładowań niezupełnych, a górna granica wchodzi już w rejony wykorzystywane w niektórych zastosowaniach badań ultradźwiękowych, choć przemysłowe transformatory często pracuje wyżej, bo na poziomie rzędu 0,5-10 MHz i więcej. Czy więc aż 1,6 MHz jest tu realnie potrzebne do transformatorów, czy to raczej bonus otwierający drogę do innych zastosowań?
Drugi haczyk, który sprawia, że ten pomysł w ogóle ma sens w energetyce, to odporność środowiskowa. W testach laboratoryjnych mikrofon pracował w piecu w temperaturze 1000°C przez 100 minut (1 godzinę i 40 minut), zachowując stabilność i czytelny sygnał. Transformator w normalnej eksploatacji nie generuje aż tak wysokiej temperatury, ale sama demonstracja jest sygnałem, że konstrukcja nie jest krucha jak typowa elektronika i że autorzy celują w zastosowania, gdzie margines bezpieczeństwa ma znaczenie.
Jak słuchać drgań światłem?
Najciekawsze w tym projekcie jest to, że on w praktyce przerabia dźwięk na zmianę własności optycznych. Autorzy opierają pomiar o efekt fotoelastyczny, co obejmuje naprężenia i mikrowibracje, które zmieniają lokalnie współczynnik załamania światła w materiale. To właśnie da się wykryć interferometrycznie. Wewnątrz włókna znajduje się membrana wrażliwa na drgania oraz mikroskopijna szklana belka (micro-beam) zawieszona w strukturze włókna. Razem tworzą interferometr Fabry-Pérot, a więc układ, w którym bardzo małe zmiany geometrii (czyli w praktyce: drgania wywołane falą akustyczną) przekładają się na mierzalną zmianę sygnału optycznego. Taki pomiar ma jedną fundamentalną zaletę w kontekście transformatorów: sam czujnik nie jest elektrycznym antenowym elementem narażonym na potężne pole elektromagnetyczne. Z definicji jest odporny na EMI, bo w torze detekcji pracuje światło, a nie elektronika w miejscu pomiaru.
Czytaj też: Miniaturowe źródło, które dostarcza energię przez lata. Badania pokazały, jak wykorzystać izomer molibdenu
To, co brzmi jak magia, w praktyce jest inżynierią mikrostruktur. Autorzy opisują wytwarzanie przez obróbkę laserem pikosekundowym, a następnie trawienie chemiczne, które pozwala wyrzeźbić zawieszoną strukturę w głębi włókna. W tle pojawia się też klasyka chemii materiałowej: HF (kwas fluorowodorowy) jako element procesu trawienia. Tutaj właśnie dochodzimy do miejsca, w którym warto być ostrożnym z entuzjazmem. Laboratorium potrafi wiele, ale energetyka nie kupuje byle obietnicy. Jeśli czujnik ma trafić do wnętrza pracującego transformatora, to liczy się jego stabilność, odporność, trwałość oraz separacja wyładowań niezupełnych od tła akustycznego. Transformatory też bowiem brzmią z innych powodów, choćby przez zjawiska magnetostrykcyjne rdzenia, pracę układów chłodzenia czy wibracje konstrukcji.
Właśnie dlatego autorzy zapowiadają dalsze prace nad integracją metamateriałów akustycznych dla poprawy czułości oraz nad bardziej odpornym, w pełni krzemionkowym opakowaniem tworzonym hybrydowo, bo przez połączenie druku 3D z krzemionki i ultrakrótkich impulsów lasera do obróbki.
Co w tym wszystkim jest naprawdę nowe?
Światłowodowe czujniki akustyczne i interferometry Fabry-Pérot w światłowodach nie są tematem z wczoraj. Istnieją szerokie przeglądy technologii FPI w sensorach światłowodowych oraz ich zastosowań. Nowość w tym projekcie jest bardziej mechaniczna niż hasłowa, bo w grę wchodzi wreszcie monolityczna, samoosłonięta struktura wewnątrz standardowego włókna, a na dodatek z deklaracją ekstremalnej odporności termicznej i z bardzo szerokim pasmem pomiaru, która jest też przygotowana pod scenariusz pracy tam, gdzie elektronika zwykle przegrywa.
Czytaj też: Mikroskop optyczny pozwala dojrzeć to, czego nie widzieli nasi przodkowie. Tunelowanie kwantowe czyni cuda
Jeśli ten kierunek się obroni, energetyka dostanie narzędzie, które może przyspieszyć wykrywanie problemów zanim dojdzie do poważnych skutków ubocznych, co obejmuje scenariusze od lokalnych awarii po nieodwracalne uszkodzenia kosztownej infrastruktury. Kluczowe pytanie wciąż jednak pozostaje otwarte: jak dużo z laboratoryjnego “czystego sygnału” da się przenieść do realnego transformatora, gdzie wszystko drga, szumi i starzeje się latami?