Автор: Микулин И.В.
Источник: доклад был представлен в курсе предмета «Диагностика электрооборудования».
В больших городах, где прокладка воздушных линий электропередач представляет собой огромные трудности, основным средством передачи электрической энергии становятся подземные высоковольтные кабельные линии на напряжение 220 кВ и выше, что делает их основой современной энергосистемы города.
Несмотря на то, что кабельные линии широко используются уже на протяжении половины века, только сейчас современные технологии проектирования и производства позволяют стать им эффективной альтернативой воздушных линий электропередач.
Отличительными возможностями высоковольтных кабельных линий являются:
1. Гибкость при проектировании систем энергоснабжения
Подземные кабели обладают уникальными свойствами по передаче энергии – они невидимы на поверхности земли и не требуют глубокого закапывания, не излучают электрических полей и могут быть спроектированы, так что бы не излучать магнитные поля, имеют улучшенные характеристики по потери мощности, высокую стойкость при аварийных нагрузках. В результате подземные кабели можно использовать в местах плотной застройки, реках и сложных геологических условиях, местах, где требуется сохранение окружающей среды, ландшафтов, значимых строений, памятников искусства, местах зарезервированных для будущего строительства и т.п.
2. Высокая рентабельность
Основным сдерживающим фактором использования подземных кабелей в прошлом была их высокая стоимость. Сегодня себестоимость их производства значительно снизилась за счет применения новых технологий и увеличения производительности оборудования, что приблизило стоимость подземных кабельных сетей к стоимости воздушных линий электропередач. Это означает, что проектировщики систем электроснабжения все чаще будут останавливать свой выбор на подземных кабельных сетях как на экономически выгодном и технологически эффективном средстве создания энергетической системы города.
Особенно необходимо подчеркнуть, что подземные кабельные сети не только снижают визуальное воздействие, но и значительно сокращают стоимость обслуживания по сравнению с воздушными линиями. Они так же менее восприимчивы к тяжелым погодным условиям таким как: штормы, землетрясения. В дополнение скажем, что подземные кабели содержат большое количество меди, наиболее токопроводящего металла, в результате чего на 30% снижаются потери при высоких нагрузках по сравнению с воздушными линиями электропередач, а следовательно повышается рентабельность всей энергосистемы.
3. Повышенная надежность
Современные кабельные сети используют поперечно сшитый полиэтилен (XLPE) в качестве основного изоляционного материала, который уже 20 лет подтверждает свою высокую надежность.
4. Снижение потерь мощности (Энергосбережение)
Подземные высоковольтные кабели используют в качестве проводника более эффективные медные сплавы, которые работают при более низких температурах. Сочетание этих особенностей позволяют снабжать электроэнергией потребителей с максимальной эффективностью, что особенно важно в целях сохранения окружающей среды и экономии энергоресурсов.
5. Хорошо проработанные технологии монтажа
Новые технологии сочленения участков кабеля и прокладки его в грунте позволяют реализовывать проекты создания энергетических систем в течение нескольких месяцев притом что раньше на это уходили годы. В тех местах, где невозможно прокапать кабельную траншею или канал, кабели монтируются в туннелях. В некоторых случаях использование существующих туннелей позволяет значительно снизить стоимость работ.
6. Возможность мониторинга состояния кабеля
Один из способов обеспечения надежной работы кабельной системы в городских условиях – это мониторинг температуры фаз кабеля по всей длине. Необходимость применения системы мониторинга распределенной температуры КЛ, подтверждается опытом западных коллег и требованиями к эксплуатации КЛ в современных мегаполисах.
Такая система помогает эксплуатационным организациям в решении следующих задач:
• снижение количества перебоев в электроснабжении или системных аварий;
• оперативное реагирование на возникающие перегрузки;
• выявление скрытых резервов существующих мощностей (увеличение на-грузки без превышения допустимой температуры)
• прогнозирование срока эксплуатации и др.
Пропускная способность кабеля ограничивается допустимой температурой нагрева жилы. Однако влияние на рабочие показатели системы оказывают и другие факторы, такие как условия прокладки (тепловое сопротивление грунта, температура грунта, расстояние до соседних кабелей и других источников тепла, находящиеся поблизости и т.д.). На разных участках трассы при протекании одного и того же тока, температура токопроводящей жилы может отличаться.
Ключевым элементом современных систем распределенного измерения температуры кабеля стало оптическое волокно.
Оптоволокно – диэлектрический волновод, который проводит свет. он состоит из сердцевины, оболочки и защитного внешнего слоя. оболочка в качестве отражающего слоя помогает удерживать световой сигнал в сердцевине. оптические волокна изготовляются из легированного кварцевого стекла, которое состоит из двуокиси кремния (SiO2) с аморфной твердой структурой. оптоволокно было изобретено в 70-х годах прошлого столетия и первоначально применялось в основном для передачи данных на дальние расстояния с высокой скоростью.
В большинстве оптических волокон диаметр оболочки составляет 125 мкм. Размер сердцевины в распространенных типах оптических волокон составляет 50мкм и 62,5мкм для многомодового оптоволокна и 8 мкм для одномодового оптоволокна. Световоды характеризуются соотношением размеров сердцевины и оболочки, например 50/125, 62,5/125 или 8/125.
Многомодовое и одномодовое оптоволокна отличаются способом распространения оптического излучения. Самое простое отличие заключается в размерах сердцевины световода. Многомодовое волокно может передавать несколько мод (независимых световых путей) с различными длинами волн или фазами, однако больший диаметр сердечника приводит к тому, что вероятность отражения света от внешней поверхности сердцевины повышается, а это приводит к модовой дисперсии (рассеиванию). Одномодовое волокно имеет очень тонкую сердцевину (диаметр – меньше 10мкм). Из–за малого диаметра сердцевины световой пучок отражается от его поверхности реже, что приводит к меньшей модовой дисперсии. В результате сигнал может передаваться на большие расстояния без повторителей. Термин «одномодовый» означает, что такая тонкая сердцевина может передавать только один световой несущий сигнал (или моду). Пропускная способность одномодового оптоволокна превышает 10 Гбит/с в свою очередь пропускная способность многомодового оптоволокна составляет около 2,5 Гбит/с. Таким образом, становится очевидно, что дисперсия является отрицательным фактором для сетевых решений, идея которых заключается в передаче больших объемов данных на большие расстояния, в которых сигналы оптического излучения передаются через оптоволокно и принимаются электронным оборудованием на другом конце. С другой стороны, модовая дисперсия является положительным фактором для систем измерения температуры, принцип работы которых основан на приеме и анализе отраженных сигналов – чем больше размер сердцевины, тем больше информации о состоянии КЛ получает контроллер. При применении системы, использующей в качестве датчика одномодовое волокно можно измерить температуру на более дальнем расстоянии, но с меньшим шагом дискретизации.
Внешние факторы вызывают колебания в кристаллической решетке твердого тела.
Внутримолекулярные вибрации, возникающие в оптоволокне под влиянием температуры, давления или растягивающих усилий, могут локально изменять характеристики пропускания света [1]. В оптическом волокне происходит рассеивание света, состоящее из нескольких спектральных компонент: релеевского, рамановского и бриллюэновского рассеивания. Для определения температуры наиболее важным параметром является рамановское рассеивание, которое в свою очередь имеет стоксовую и антистоксовую компоненты, спектрально сдвинутые на величину, эквивалентную резонансной частоте колебаний молекулярной решетки. Зная скорость распространения света (основного сигнала с несущей частотой) в однородном кварцевом стекловолокне, а также математическую зависимость его затухания во времени (уменьшение интенсивности отраженного пучка света по экспоненциальному закону) можно определить температуру в любой точке кабельной линии. Значение температуры и место рассчитывается из соотношений между интенсивностями основного сигнала, антистоксовых и стоксовых компонент света.
Существует два способа применения оптоволокна в качестве датчика измерения распределенной температуры КЛ. Первый – металлический модуль с оптоволокнами находится в экране кабеля (интегрируется вместо одной из проволок экрана в процессе производства), второй – оптоволоконный кабель, с наименьшей толщиной изолирующего слоя, прокладывается вдоль кабельной трассы максимально близко к оболочке силового кабеля. Существует критерий, используемый при измерении температуры объекта: чем ближе температурный датчик расположен к исследуемому объекту, в данном случае – проводнику, тем быстрее и точнее будет измерена температура слоя, в котором расположен датчик.
Для эксплуатации кабельной линии необходимо знать температуры жилы кабеля, в то время, как измерение температуры производится в металлическом экране кабеля или на поверхности оболочки кабеля[3]. Зная условия прокладки для различных участков кабельной линии можно вывести математическую зависимость, позволяющую рассчитать температуру проводника в зависимости от распределенной температуры экрана кабеля. Сбор и анализ данных по температуре по всей длине кабельной линии дает полную картину процессов, происходящих в линии, что позволяет более рационально использовать кабельные электросети при разных условиях и режимах работы.
Компанией LIOS Technology GmbH основу системы распределенного измерения температуры составляют контроллеры серии OTS. Область применения данных контроллеров обширна:
- изучение нефтяных месторождений;
- мониторинг состояние нефти и газа хранилищ;
- мониторинг утечек на нефтяных, газовых и водопроводах;
- мониторинг состояния КЛ;
- мониторинг состояния ЛЭП;
- мониторинг состояния процессов на плавильных заводах;
- обеспечения пожарной безопасности в тоннелях;
- обеспечения пожарной безопасности в метро и т.д.
Контроллеры промышленной серии OTS различаются по дальности измерения (от 2 до 16 км по многомодовому оптоволокну) и количеству каналов (от 2 до 8 измерительных каналов). Конкретный контроллер подбирается под нужды и возможности покупателя.
Например, контроллер OTS160P [3] имеет диапазон измерения – до 16 км при одностороннем измерении по многомодовому оптоволокну, а контроллер OTS300P-SM имеет диапазон измерения – до 30 км при одностороннем измерении по одномодовому оптоволокну.
Шаг дискретизации может достигать 0,5м при температурной погрешности в 1ºС.
Система мониторинга температуры может быть интегрирована в любые стандартно применяемые существующие системы SCADA.
Входными параметры для модуля температурной диагностики являются:
• Температура кабеля (измеряется контроллером)
• Температура окружающей среды (измеряется контроллером, дополнительный ОВК прокладывается вдоль трассы на расстоянии 0,5–1 метр от кабеля).
• Конструкция кабеля (сечение проводника, толщина изолирующего слоя, местоположения оптоволокна и др.).
• Условия прокладки. В программу вносятся данные об условиях прокладки каждого участка с точностью 5–10м.
• Величина тока. Информация с датчиков тока передается по каналу связи модулю сбора информации
Основные функции систем контроля состояния линии:
• отображение электросети в географическом и схематическом виде;
• анализ электросети, трех-, двух-, однофазной, смешанной, с неограниченным числом узлов;
• моделирование процессов электросети в различных состояниях;
• анализ надежности сети;
• определение участков сети с возможной перегрузкой и оптимальное перераспределение нагрузки;
• моделирование последовательности действий по устранению отказов (в том числе в случае выхода из строя основных подстанций);
• координация работы защитных устройств;
• анализ поведения электросети во время пуска/самозапуска электродвигателей;
• оптимальное размещение конденсаторов и определение их габаритных размеров;
• анализ токов короткого замыкания;
• анализ устойчивости системы в переходных режимах;
• оценка устойчивости по напряжению;
Все данные, используемые в расчетах, обычно сохраняются на жестком диске компьютера или могут быть записаны на внешний носитель для дальнейшего анализа.
Система мониторинга высоковольтных кабельных силовых линий основана на современной технологии распределённого измерения температуры оптоволокна (Distributed Fiber-Optic Sensing) [2].
Данная технология позволяет проводить высокоточные измерения температуры по всей длине высоковольтного кабеля в реальном времени более чем в 40000 точках с разрешающей способностью 1 метр с помощью многомодового оптического волокна вмонтированного в кабель.
Система ПТС-1000 позволяет:
Получать данные о температурном профиле высоковольтного кабеля в реальном времени для постоянного мониторинга состояния кабеля и раннего выявления пожаров и аварийных ситуаций.
Использовать температурные данные для динамического управления нагрузкой высоковольтной сети.
Точно (до 50 см) определять места локальных перегревов и выдавать аварийные сообщения на пульт диспетчерской с указанием расположения аварийного участка.
Вести историческую базу данных температурных профилей высоковольт-ной сети как локально, так и на специализированных удаленных серверах.
Система ПТС-1000 состоит из:
Измерительной аппаратуры (19" стойка).
Оптического волокна являющегося чувствительным элементом системы, которое расположено внутри изоляционного слоя высоковольтного кабеля.
Возможности программного обеспечения системы ПТС-1000:
Программное обеспечение, встроенное в прибор позволяет функциониро-вать ему как автономно, включая такие функции как автозапуск, внутренняя диагностика, так и в составе сети, поддерживая удалённое управление.
Информация и тревоги могут быть переданы на удалённые системы посредством следующих интерфейсов: Ethernet, USB, MODBUS, RS232, RS485, GPIB и сухих контактов.
Отдельные отрезки кабельной сети могут быть идентифицированы при помощи системы распределённого термометрирования как различные зоны, допускающие специфические условия тревог для каждой секции. Для каждой зоны может быть легко сконфигурировано несколько порогов и скорость изменения температуры.
Один прибор распределенного термометрирования способен отслеживать до 16 высоковольтных кабельных линий (1 линия – 3 фазы).
Применение архитектуры клиент-сервер позволяет значительно расширить возможности системы мониторинга по обеспечению доступа к получаемым данным многих удалённых пользователей.
Данные, получаемые отдельными приборами, сохраняются локально и, по необходимости, передаются на главный узел, который аккумулирует в себе измерения, проводимые в различных зона распределённой кабельной сети. Удалённый доступ пользователей непосредственно к измерительному оборудованию невозможен из соображений безопасности. Пользователи имеют доступ к серверу данных, который, в свою очередь, осуществляет обмен с отдельными приборами.
Мониторинг температуры КЛ посредством оптоволокна является на сегодняшний день единственным способом диагностики КЛ на всей ее протяженности. Информация о состоянии КЛ собранная за определенные периоды времени (сезоны) позволяет более правильно и экономично эксплуатировать КЛ, а также минимизировать возможные аварии в распределительных сетях мегаполисов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Якунин А. В. Инновационная система комплексной диагностики КЛ // Сборник докладов конференции «Распределительный сетевой комплекс РФ: со-стояние, проблемы, пути решения». – 2009. – с. 36–40.
2. Якунин А. В. Мониторинг теплового режима эксплуатации кабельных линий 110–500 кВ // Сборник докладов конференции «Линии электропередачи 2010: Проектирование, строительство, опыт эксплуатации и НТП». – 2010. – с. 306–310.
3. Каталог оборудования компании LIOS Technology GmbH – 2010
Назад в библиотеку