Giám sát tình trạng cáp điện trực tuyến: Công nghệ, lợi ích và xu hướng tương lai

Lưới điện toàn cầu đang trải qua quá trình mở rộng đáng kể nhất trong nhiều thập kỷ. Tăng trưởng tải trọng đô thị, điện khí hóa giao thông và việc tăng tốc xây dựng các nguồn năng lượng tái tạo – trang trại gió, nhà máy năng lượng mặt trời và bộ lưu trữ pin – đã thúc đẩy nhu cầu chưa từng có về mạch cáp ngầm. Trong khi các đường dây trên không từng vận chuyển lượng điện năng lớn qua các thành phố, thì cáp XLPE ép đùn và cáp bọc chì (PILC) cách điện bằng giấy hiện nay chạy bên dưới các đường phố, đường hầm và cầu vượt sông, thường mang tải nhiều hơn 50–100% so với thiết kế ban đầu.

Việc mở rộng này đi kèm với thách thức bảo trì ngày càng tăng. Sự cố cáp là một trong những sự kiện gây gián đoạn nhất trên mạng lưới phân phối: chúng đòi hỏi phải đào, xác định vị trí sự cố, nối và sửa chữa—thường tiêu tốn hàng chục nghìn đô la cho mỗi sự kiện, cộng với các khoản phạt do gián đoạn của khách hàng. Trước đây, việc bảo trì cáp dựa vào thử nghiệm ngoại tuyến định kỳ: khảo sát khả năng chịu đựng VLF, điện trở cách điện và phóng điện cục bộ được thực hiện từ 1 đến 5 năm một lần. Mặc dù hiệu quả nhưng những thử nghiệm này chỉ là ảnh chụp nhanh. Họ để cáp không được giám sát giữa các lần kiểm tra và lỗi phát triển ngay sau khi kiểm tra sạch có thể dẫn đến lỗi trước lần kiểm tra theo lịch trình tiếp theo.

Để thu hẹp khoảng cách này, các công ty điện lực, nhà vận hành công nghiệp và nhà phát triển dự án tái tạo đang ngày càng áp dụng giám sát tình trạng cáp điện trực tuyến. Thay vì ngừng hoạt động cáp để thử nghiệm, các cảm biến được lắp đặt cố định sẽ liên tục đo trạng thái điện và nhiệt của cáp trong khi cáp vẫn có điện. Bài viết này xem xét giám sát trực tuyến là gì, các công nghệ hiện có, kiến ​​trúc hệ thống cần thiết và lĩnh vực này sẽ hướng tới khi cơ sở hạ tầng lưới điện thông minh trưởng thành.

Giám sát tình trạng cáp nguồn trực tuyến là phép đo liên tục, theo thời gian thực các thông số tình trạng cáp bằng cách sử dụng các cảm biến được lắp đặt cố định—mà không làm gián đoạn dịch vụ. Hệ thống giám sát thu thập dữ liệu tại phụ kiện cáp (điểm nối, đầu cuối) và dọc theo tuyến cáp, truyền dữ liệu đến thiết bị trung tâm hoặc nền tảng đám mây và áp dụng thuật toán chẩn đoán để đánh giá tình trạng cách điện, tải nhiệt và tính toàn vẹn của phụ kiện.

Không giống như thử nghiệm ngoại tuyến cung cấp phép đo tại một thời điểm, giám sát trực tuyến cung cấp luồng dữ liệu liên tục. Các đặc điểm chính bao gồm:

Mục tiêu không phải là thay thế hoàn toàn thử nghiệm ngoại tuyến mà là bổ sung cho nó: giám sát trực tuyến cung cấp nhận thức tình huống liên tục, trong khi thử nghiệm ngoại tuyến định kỳ vẫn là phương pháp được chấp nhận để đánh giá tình trạng định lượng và xác định vị trí lỗi.

Sự cố cáp ngầm hiếm khi xảy ra đột ngột. Hầu hết đều đi theo con đường xuống cấp có thể dự đoán được trong nhiều tháng hoặc nhiều năm. Các cơ chế lỗi chính bao gồm:

Mỗi cơ chế này đều để lại dấu vết có thể đo lường được. Lão hóa cách điện làm thay đổi tổn thất điện môi; PD tạo ra xung tần số cao; trồng cây nước làm thay đổi đặc điểm đồng bằng sông Tân; quá nóng tạo ra dấu hiệu nhiệt độ dọc theo tuyến đường. Giám sát trực tuyến ghi lại những dấu vết này khi chúng phát triển—rất lâu trước khi cáp ngừng hoạt động ngoại tuyến. Việc phát hiện sớm chúng sẽ biến sự cố ngừng hoạt động ngoài kế hoạch thành sự kiện bảo trì theo lịch trình.

Giám sát phóng điện cục bộ là kỹ thuật trực tuyến nhạy cảm nhất và được áp dụng rộng rãi. Máy biến dòng điện tần số cao (HFCT), được kẹp quanh dây nối đất tại các điểm nối và đầu cuối cáp, phát hiện các dòng điện xung được tạo ra bởi sự phóng điện bên trong. Tụ điện ghép nối hoặc cảm biến VHF/UHF cũng có thể được nhúng trong các phụ kiện điện áp cao. Các tín hiệu được phân tích trong miền phóng điện cục bộ phân giải theo pha (PRPD): dạng xung liên quan đến chu kỳ điện áp xoay chiều cho biết liệu phóng điện có nguồn gốc từ các khoảng trống bên trong, theo dõi bề mặt, vầng hào quang hay điện thế nổi. Các hệ thống tiên tiến sử dụng phân cụm tự động để tách PD khỏi nhiễu.

Cảm biến nhiệt độ phân tán (DTS) sử dụng cáp quang được lắp đặt dọc theo (hoặc bên trong) cáp nguồn. Một xung laser truyền xuống sợi quang sẽ tạo ra tán xạ ngược Raman; sự thay đổi bước sóng cho biết nhiệt độ cục bộ và độ trễ thời gian xác định nhiệt độ trong phạm vi một mét dọc theo tuyến đường hàng chục km. DTS phát hiện các điểm nóng do ống dẫn bị tắc, khớp nối kém hoặc quá tải kéo dài. Nó cũng hỗ trợ đánh giá động: bằng cách đo nhiệt độ thực tế của dây dẫn thay vì giả định, người vận hành có thể tăng tải trong điều kiện thuận lợi và giảm tải trong các đợt nắng nóng.

Giám sát vỏ bọc sử dụng máy biến dòng tại các điểm nối đất và liên kết chéo để đo dòng điện tuần hoàn và tính liên tục của vỏ bọc. Sự thay đổi đột ngột về tỷ số dòng điện của vỏ bọc hoặc sự xuất hiện của thành phần DC cho thấy vỏ bọc bị hư hỏng, dây dẫn bị đứt hoặc suy thoái nối đất. Bởi vì các lỗi vỏ bọc là dấu hiệu báo trước cho sự cố cách điện chính nên việc giám sát liên tục các thông số này sẽ đưa ra cảnh báo sớm về các khuyết tật đang phát triển.

Các thông số điện cơ bản—dòng tải, nhiệt độ dây dẫn (thông qua mô hình nhiệt), điện áp và hệ số công suất—thường có sẵn từ các hệ thống SCADA hoặc RTU hiện có. Khi tương quan với dữ liệu PD và nhiệt độ, các thông số này giúp giải thích liệu sự bất thường đo được phản ánh khiếm khuyết cách điện thực sự hay sự thoáng qua lành tính do chuyển mạch hoặc khởi động động cơ.

Khối lượng dữ liệu được tạo ra bởi các cảm biến liên tục vượt xa những gì việc kiểm tra thủ công có thể xử lý. Các thuật toán học máy—được đào tạo dựa trên các bản ghi lỗi lịch sử, đường cơ sở vận hành và các mẫu lỗi đã biết—thực hiện các nhiệm vụ tự động như phân loại nguồn PD, phát hiện các xu hướng tinh vi ở Tan Delta hoặc điện trở cách điện, dự đoán tuổi thọ hữu ích còn lại và ưu tiên các yêu cầu công việc bảo trì theo rủi ro. Các mô hình này chạy ở biên (trong đơn vị thu thập dữ liệu hiện trường) hoặc trên đám mây, tùy thuộc vào yêu cầu kết nối mạng và bảo mật dữ liệu.

Một hệ thống giám sát tình trạng cáp trực tuyến điển hình bao gồm năm lớp:

Kiến trúc hệ thống tuân theo chuỗi cảm nhận đến quyết định tiêu chuẩn: cảm nhận, thu thập, truyền tải, phân tích, hành động.

Hai cách tiếp cận này bổ sung cho nhau. Kiểm tra ngoại tuyến cung cấp định lượng vị trí lỗi và kiểm tra bằng chứng; giám sát trực tuyến cung cấp nhận thức liên tục. Một chương trình trưởng thành sử dụng cả hai.

Kịch bản 1: Giám sát cáp phân phối ngầm.Một công ty điện lực thành phố có 3.000 km đường dây cấp điện ngầm 10–35 kV lắp đặt cảm biến HFCT trên các mối nối quan trọng ở khu vực có mật độ dân số cao. Hệ thống sẽ cảnh báo khi hoạt động PD vượt quá mức cơ bản, chỉ đạo các đội điều tra các điểm nối cụ thể trong thời gian bảo trì theo kế hoạch—giảm tình trạng mất điện ngoài kế hoạch ở trung tâm thành phố.

Kịch bản 2: Giám sát cáp truyền tải điện áp cao.Nhà điều hành truyền tải sử dụng DTS dọc theo tuyến cáp vượt sông 110 kV dài 15 km. Cấu hình nhiệt độ cáp quang cho thấy một điểm nóng ở cách xa 7,2 km, nơi cáp bị chùng xuống gần điểm giao nhau của đường ống. Đội bảo trì dọn sạch vật cản trước khi lão hóa nhiệt gây ra hư hỏng vĩnh viễn.

Kịch bản 3: Giám sát cáp năng lượng tái tạo.Nhà điều hành trang trại gió ngoài khơi giám sát các cáp liên mảng bằng sự kết hợp giữa DTS và PD trực tuyến. Hệ thống này liên kết các mức tăng đột biến của nhiệt độ với các xung PD để xác định các dây cáp bị nước xâm nhập sau một cơn bão—chỉ đạo việc thay thế trong mùa yên tĩnh tiếp theo thay vì sau khi bị hỏng.

Giám sát tình trạng cáp điện trực tuyến thể hiện sự chuyển đổi từ kiểm tra dựa trên lịch sang quản lý tài sản dựa trên dữ liệu. Bằng cách liên tục đo phóng điện cục bộ, nhiệt độ, tình trạng vỏ bọc và các thông số điện trong khi cáp vẫn mang điện, người vận hành sẽ nhận được cảnh báo sớm về sự xuống cấp cách điện, khuyết tật khớp và quá tải nhiệt—can thiệp trước khi lỗi trở thành hư hỏng. Kết hợp với thử nghiệm ngoại tuyến định kỳ và phân tích xu hướng dựa trên AI, giám sát trực tuyến giúp cải thiện độ tin cậy của lưới điện, tăng cường an toàn cho nhân viên trong quá trình bảo trì và tối ưu hóa chi tiêu vốn bằng cách chỉ đạo thay thế các loại cáp thực sự cần.

Khi lưới điện cũ đi và mức độ thâm nhập của năng lượng tái tạo tăng lên, tính kinh tế của việc giám sát liên tục sẽ tăng lên. XZH TEST cung cấp các giải pháp chẩn đoán và kiểm tra cáp chuyên nghiệp—bao gồm máy kiểm tra hipot AC VLF, hệ thống phát hiện phóng điện cục bộ, bộ định vị lỗi cáp TDR và ​​các công cụ giám sát trực tuyến—được thiết kế để hỗ trợ quản lý tài sản cáp trong quá trình vận hành thử, kiểm tra định kỳ và đánh giá tình trạng liên tục.

XZH TEST (Xian Xuzhihui Electromechanical Technology Co., Ltd.) sản xuất thiết bị chẩn đoán và kiểm tra cáp điện cho các tiện ích, nhà máy công nghiệp và các dự án năng lượng tái tạo. Phạm vi sản phẩm bao gồm bộ định vị lỗi cáp, bộ định vị trước TDR, máy kiểm tra hipot AC VLF, hệ thống phát hiện phóng điện cục bộ và các giải pháp giám sát cáp trực tuyến. Thiết bị được thiết kế để đảm bảo độ bền tại hiện trường, độ chính xác của phép đo và tuân thủ các tiêu chuẩn thử nghiệm quốc tế.

Trang web: KIỂM TRA XZH