نظارت بر وضعیت کابل برق آنلاین: فناوری ها، مزایا و روندهای آینده

شبکه برق جهانی در حال تجربه بزرگترین گسترش خود در دهه‌های اخیر است. رشد بار شهری، برقی‌سازی حمل‌ونقل، و توسعه شتابان تولید انرژی‌های تجدیدپذیر — مزارع بادی، نیروگاه‌های خورشیدی، و ذخیره‌سازی باتری — تقاضای بی‌سابقه‌ای را برای مدارهای کابل زیرزمینی ایجاد کرده است. در حالی که خطوط هوایی زمانی برق حجیم را از طریق شهرها حمل می‌کردند، اکنون کابل‌های XLPE اکسترود شده و عایق‌بندی شده با سرب (PILC) در زیر خیابان‌ها، تونل‌ها و گذرگاه‌های رودخانه‌ای کشیده شده‌اند که اغلب 50 تا 100 درصد بیشتر از آنچه در ابتدا برای آن طراحی شده بودند، بار حمل می‌کنند.

این گسترش با چالش فزاینده نگهداری همراه است. خرابی کابل‌ها از جمله مخرب‌ترین رویدادها در شبکه توزیع هستند: آنها نیازمند حفاری، مکان‌یابی خطا، اتصال و تعمیر هستند — که اغلب برای هر رویداد ده‌ها هزار دلار هزینه دارد، به علاوه جریمه‌های قطع برق مشترکین. از نظر تاریخی، نگهداری کابل بر تست آفلاین دوره‌ای متکی بوده است: تست تحمل VLF، مقاومت عایقی، و بررسی تخلیه جزئی که هر یک تا پنج سال یکبار انجام می‌شود. در حالی که این تست‌ها مؤثر هستند، آنها فقط یک تصویر لحظه‌ای ارائه می‌دهند. آنها کابل را بین بازرسی‌ها بدون نظارت باقی می‌گذارند، و نقصی که اندکی پس از یک تست سالم ایجاد می‌شود ممکن است قبل از بازدید برنامه‌ریزی شده بعدی به خرابی پیشرفت کند.

برای پر کردن این شکاف، شرکت‌های برق، اپراتورهای صنعتی، و توسعه‌دهندگان پروژه‌های تجدیدپذیر به طور فزاینده‌ای در حال پذیرش نظارت آنلاین بر وضعیت کابل‌های برق هستند. به جای خارج کردن کابل از سرویس برای تست، سنسورهای نصب شده دائمی به طور مداوم وضعیت الکتریکی و حرارتی آن را در حالی که تحت ولتاژ است، اندازه‌گیری می‌کنند. این مقاله به بررسی این موضوع می‌پردازد که نظارت آنلاین چیست، فناوری‌های موجود، معماری سیستم مورد نیاز، و جهت‌گیری این حوزه با بلوغ زیرساخت‌های شبکه هوشمند.

نظارت آنلاین بر وضعیت کابل برق، اندازه‌گیری مداوم و بی‌درنگ پارامترهای سلامت کابل با استفاده از سنسورهای نصب شده دائمی — بدون وقفه در سرویس است. یک سیستم نظارتی داده‌ها را در لوازم جانبی کابل (اتصالات، ترمینال‌ها) و در طول مسیر کابل جمع‌آوری می‌کند، آن را به یک واحد مرکزی یا پلتفرم ابری منتقل می‌کند، و الگوریتم‌های تشخیصی را برای ارزیابی وضعیت عایقی، بار حرارتی، و یکپارچگی لوازم جانبی اعمال می‌کند.

برخلاف تست آفلاین که اندازه‌گیری نقطه‌ای در زمان را ارائه می‌دهد، نظارت آنلاین یک جریان داده مداوم را ارائه می‌دهد. ویژگی‌های کلیدی شامل موارد زیر است:

هدف، جایگزینی کامل تست آفلاین نیست، بلکه تکمیل آن است: نظارت آنلاین آگاهی مداوم از وضعیت را فراهم می‌کند، در حالی که تست‌های آفلاین دوره‌ای روش پذیرفته شده برای ارزیابی کمی وضعیت و مکان‌یابی خطا باقی می‌مانند.

خرابی کابل‌های زیرزمینی به ندرت ناگهانی است. بیشتر آنها مسیری قابل پیش‌بینی از تخریب را در طول ماه‌ها یا سال‌ها طی می‌کنند. مکانیزم‌های اصلی خرابی شامل موارد زیر است:

هر یک از این مکانیزم‌ها ردپاهای قابل اندازه‌گیری از خود به جای می‌گذارند. پیری عایقی تلفات دی‌الکتریک را تغییر می‌دهد؛ PD پالس‌های فرکانس بالا تولید می‌کند؛ درخت‌زایی آب مشخصه Tan Delta را تغییر می‌دهد؛ گرم شدن بیش از حد یک امضای حرارتی در طول مسیر ایجاد می‌کند. نظارت آنلاین این ردپاها را در حین توسعه آنها ثبت می‌کند — مدت‌ها قبل از اینکه کابل از سرویس خارج شود. تشخیص زودهنگام آنها، یک خاموشی برنامه‌ریزی نشده را به یک رویداد نگهداری برنامه‌ریزی شده تبدیل می‌کند.

نظارت بر تخلیه جزئی (PD) حساس‌ترین و پرکاربردترین تکنیک آنلاین است. ترانسفورماتورهای جریان فرکانس بالا (HFCT)، که در اطراف تسمه زمین در اتصالات و ترمینال‌های کابل بسته می‌شوند، پالس‌های جریانی تولید شده توسط تخلیه‌های داخلی را تشخیص می‌دهند. خازن‌های کوپلینگ یا سنسورهای VHF/UHF نیز ممکن است در لوازم جانبی ولتاژ بالا تعبیه شوند. سیگنال‌ها در دامنه تخلیه جزئی فاز-حل شده (PRPD) تجزیه و تحلیل می‌شوند: الگوی پالس‌ها نسبت به چرخه ولتاژ AC نشان می‌دهد که آیا تخلیه‌ها از حفره‌های داخلی، ردیابی سطح، کرونا، یا پتانسیل‌های شناور ناشی می‌شوند. سیستم‌های پیشرفته از خوشه‌بندی خودکار برای جداسازی PD از نویز استفاده می‌کنند.

حسگر دمای توزیع شده (DTS) از یک کابل فیبر نوری استفاده می‌کند که در کنار (یا درون) کابل برق نصب شده است. یک پالس لیزر که در طول فیبر ارسال می‌شود، پراکندگی برگشتی رامان را تولید می‌کند؛ تغییر طول موج دمای محلی را نشان می‌دهد و تأخیر زمانی آن را تا یک متر در طول ده‌ها کیلومتر مسیر مکان‌یابی می‌کند. DTS نقاط داغ ناشی از کانال‌های مسدود شده، اتصالات ضعیف، یا بارگذاری بیش از حد پایدار را تشخیص می‌دهد. همچنین از رتبه‌بندی پویا پشتیبانی می‌کند: با اندازه‌گیری دمای واقعی هادی به جای فرض آن، اپراتورها می‌توانند بار را در شرایط مطلوب افزایش داده و در طول موج‌های گرما آن را کاهش دهند.

نظارت بر غلاف از ترانسفورماتورهای جریان در نقاط اتصال متقاطع و زمین برای اندازه‌گیری جریان‌های گردشی و پیوستگی غلاف استفاده می‌کند. تغییر ناگهانی در نسبت جریان غلاف، یا ظهور مؤلفه DC، نشان‌دهنده آسیب غلاف، شکست سرب، یا تخریب زمین است. از آنجایی که خطاهای غلاف پیش‌زمینه خرابی عایق اصلی هستند، نظارت مداوم بر این پارامترها هشداری اولیه از نقص‌های در حال توسعه ارائه می‌دهد.

پارامترهای الکتریکی پایه — جریان بار، دمای هادی (از طریق مدل حرارتی)، ولتاژ، و ضریب توان — معمولاً از سیستم‌های SCADA یا RTU موجود در دسترس هستند. هنگامی که با داده‌های PD و دما همبسته می‌شوند، این پارامترها به تفسیر اینکه آیا یک ناهنجاری اندازه‌گیری شده نشان‌دهنده یک نقص واقعی عایقی است یا یک گذرا بی‌ضرر ناشی از سوئیچینگ یا راه‌اندازی موتور، کمک می‌کنند.

حجم داده‌های تولید شده توسط سنسورهای مداوم بسیار فراتر از آن چیزی است که بازرسی دستی می‌تواند پردازش کند. الگوریتم‌های یادگیری ماشین — آموزش دیده بر روی سوابق خطای تاریخی، خطوط پایه راه‌اندازی، و الگوهای نقص شناخته شده — وظایف خودکار مانند طبقه‌بندی منابع PD، تشخیص روندهای ظریف در Tan Delta یا مقاومت عایقی، پیش‌بینی عمر مفید باقی‌مانده، و اولویت‌بندی دستورات کار نگهداری بر اساس ریسک را انجام می‌دهند. این مدل‌ها بسته به الزامات امنیتی داده‌ها و اتصال شبکه، یا در لبه (در واحد جمع‌آوری داده میدانی) یا در ابر اجرا می‌شوند.

یک سیستم نظارت آنلاین معمولی بر وضعیت کابل از پنج لایه تشکیل شده است:

معماری سیستم از یک زنجیره استاندارد حسگر به تصمیم پیروی می‌کند: حس کن، جمع‌آوری کن، منتقل کن، تجزیه و تحلیل کن، عمل کن.

این دو رویکرد مکمل یکدیگر هستند. تست آفلاین مکان‌یابی خطای کمی و تست اثبات را ارائه می‌دهد؛ نظارت آنلاین آگاهی مداوم را فراهم می‌کند. یک برنامه بالغ از هر دو استفاده می‌کند.

سناریو 1: نظارت بر کابل توزیع زیرزمینی. یک شرکت برق شهری با 3000 کیلومتر فیدر زیرزمینی 10 تا 35 کیلوولت، سنسورهای HFCT را بر روی اتصالات حیاتی در مناطق پرجمعیت نصب می‌کند. سیستم در صورت تجاوز فعالیت PD از خط پایه هشدار می‌دهد و تیم‌ها را برای بررسی اتصالات خاص در طول پنجره‌های نگهداری برنامه‌ریزی شده هدایت می‌کند — که منجر به کاهش خاموشی‌های برنامه‌ریزی نشده در مرکز شهر می‌شود.

سناریو 2: نظارت بر کابل انتقال ولتاژ بالا. یک اپراتور انتقال از DTS در طول یک کابل 15 کیلومتری 110 کیلوولت عبوری از رودخانه استفاده می‌کند. پروفیل دمای فیبر نوری یک نقطه داغ را در فاصله 7.2 کیلومتری نشان می‌دهد، جایی که کابل نزدیک به یک تقاطع لوله خم می‌شود. تیم‌های نگهداری مانع را قبل از اینکه پیری حرارتی باعث آسیب دائمی شود، برطرف می‌کنند.

سناریو 3: نظارت بر کابل انرژی تجدیدپذیر. یک اپراتور مزرعه بادی فراساحلی، کابل‌های بین آرایه‌ای را با ترکیبی از DTS و PD آنلاین نظارت می‌کند. سیستم، افزایش دما را با پالس‌های PD همبسته می‌کند تا کابل‌هایی را که پس از طوفان دچار نفوذ آب شده‌اند، شناسایی کند — و جایگزینی را در فصل آرام بعدی به جای پس از خرابی هدایت می‌کند.

نظارت آنلاین بر وضعیت کابل برق نشان‌دهنده تغییری از تست مبتنی بر تقویم به مدیریت دارایی مبتنی بر داده است. با اندازه‌گیری مداوم تخلیه جزئی، دما، وضعیت غلاف، و پارامترهای الکتریکی در حالی که کابل تحت ولتاژ باقی می‌ماند، اپراتورها هشداری اولیه از تخریب عایقی، نقص اتصالات، و بارگذاری بیش از حد حرارتی دریافت می‌کنند — و قبل از اینکه خطاها به خرابی تبدیل شوند، مداخله می‌کنند. نظارت آنلاین، همراه با تست آفلاین دوره‌ای و تحلیل روند مبتنی بر هوش مصنوعی، قابلیت اطمینان شبکه را بهبود می‌بخشد، ایمنی پرسنل را در طول نگهداری افزایش می‌دهد، و هزینه‌های سرمایه‌ای را با هدایت جایگزینی به کابل‌هایی که واقعاً به آن نیاز دارند، بهینه می‌کند.

با پیر شدن شبکه‌ها و افزایش نفوذ تجدیدپذیر، توجیه اقتصادی برای نظارت مداوم تقویت می‌شود. XZH TEST راه‌حل‌های حرفه‌ای تست و تشخیص کابل — از جمله تستر هیپوت VLF AC، سیستم‌های تشخیص تخلیه جزئی، یابنده خطای کابل TDR، و ابزارهای نظارت آنلاین — را ارائه می‌دهد که برای پشتیبانی از مدیریت دارایی کابل در طول راه‌اندازی، تست دوره‌ای، و ارزیابی مستمر وضعیت مهندسی شده‌اند.

XZH TEST (Xian Xuzhihui Electromechanical Technology Co., Ltd.) تجهیزات تست و تشخیص کابل الکتریکی را برای شرکت‌های برق، کارخانه‌های صنعتی، و پروژه‌های انرژی تجدیدپذیر تولید می‌کند. طیف محصولات شامل یابنده‌های خطای کابل، پیش‌یاب‌های TDR، تستر هیپوت VLF AC، سیستم‌های تشخیص تخلیه جزئی، و راه‌حل‌های نظارت آنلاین کابل است. تجهیزات برای دوام میدانی، دقت اندازه‌گیری، و انطباق با استانداردهای تست بین‌المللی مهندسی شده‌اند.

وب‌سایت: XZH TEST