전원 케이블용 분산 광섬유 감지

지속적인 케이블 모니터링을 위한 기술, 애플리케이션 및 엔지니어링 고려 사항

1. 소개

지하 전력 케이블 네트워크가 빠르게 확장되고 있습니다. 도시 부하 증가, 운송의 전기화, 재생 에너지 발전의 확장으로 인해 수백만 킬로미터에 달하는 새로운 XLPE 케이블이 덕트, 터널 및 직접 매설 경로로 유입되었습니다. 동시에, 케이블 로딩 패턴이 변경되었습니다. 분산된 태양광 및 풍력의 양방향 전력 흐름은 케이블이 더 이상 단순한 주야간 부하 주기를 전달하지 않으며 절연체에 대한 열 스트레스가 노후화의 주요 원인이 되었음을 의미합니다.

케이블 고장은 배전망에서 가장 파괴적이고 비용이 많이 드는 사건 중 하나입니다. 중요한 지하 회로에서 계획되지 않은 결함이 발생하려면 결함 위치 파악, 굴착, 접합 및 교체가 필요하며, 이는 종종 며칠 동안 지속되며 상당한 고객 방해 처벌이 따릅니다. 케이블이 노후화되고 부하가 증가함에 따라 지속적인 모니터링은 사치에서 필수로 바뀌었습니다.

지속적인 케이블 모니터링을 가능하게 하는 기술 중에서 분산형 광섬유 감지(D-FOS)는 가장 성숙하고 널리 배포된 기술 중 하나로 부상했습니다. 소수의 위치에서만 온도나 변형률을 측정하는 기존 포인트 센서와 달리 단일 광섬유는 전체 케이블 경로를 따라 연속 센서 역할을 합니다. 이 기사에서는 D-FOS의 작동 방식, 전원 케이블의 전자기 환경에 적합한 이유, 주요 측정 기술(DTS, DAS 및 분산 변형 감지), 적용 위치, 광범위한 케이블 상태 모니터링 전략에 어떻게 적합한지 살펴봅니다.

2. 분산 광섬유 감지란 무엇입니까?

기존의 전기 온도 또는 스트레인 센서는 포인트 장치입니다. 즉, 한 위치에서 하나의 매개변수를 측정합니다. 50m마다 포인트 센서가 있는 5km 케이블을 모니터링하려면 운영자는 각각 자체 배선, 전원 공급 장치 및 신호 조절 기능을 갖춘 100개의 센서가 필요합니다. 분산 광섬유 감지는 근본적으로 다른 접근 방식을 취합니다. 광섬유 자체가 센서입니다.

일반적인 D-FOS 시스템에서는 짧은 레이저 펄스가 광섬유로 발사됩니다. 펄스가 이동하면서 유리 분자와 상호 작용하여 후방 산란된 빛을 생성합니다. 왕복 이동 시간의 함수로서 후방 산란된 빛의 특성(강도, 주파수 이동 및 편광)을 분석함으로써 장비는 전체 광섬유를 따라 측정량의 공간적으로 연속적인 프로파일을 도출합니다. 기본 신호 체인은 다음과 같습니다.

1. 광섬유에 레이저 펄스가 발사됨
2. 펄스는 테스트 중인 광섬유를 따라 전파됩니다.
3. 후방 산란광(Raman, Rayleigh 또는 Brillouin)이 질문기로 돌아옵니다.
4. 신호 분석은 후방 산란 특성을 물리량으로 변환합니다.
5. 온도, 변형률 또는 음향 프로파일이 미터 단위 간격으로 생성됩니다.
6. 케이블 상태는 분산 프로파일을 통해 평가됩니다.

결과는 기술에 따라 최대 50km 이상의 거리에 걸쳐 케이블 길이를 따라 하나의 광섬유, 하나의 인테로게이터 및 수천 개의 측정 지점(일반적으로 0.5~2미터마다)으로 분산된 측정입니다.

3. 광섬유 감지가 전력 케이블에 적합한 이유

여러 가지 특성으로 인해 광섬유는 고전압 케이블 시스템의 전자기 환경에 매우 적합합니다.

• 전기 절연:섬유는 유전체입니다. 감지 지점에서 전류가 흐르지 않고 전력도 필요하지 않으므로 HV 도체를 따라 배선할 때 안전 문제가 사라집니다.
• 전자기 내성:기존 전기 센서(열전대, RTD, CT)는 스위칭 과도 전류, 인버터 고조파 및 고장 전류로 인한 전자기 간섭에 취약합니다. 신호는 전기가 아니라 빛이기 때문에 광섬유는 이러한 자기장에 영향을 받지 않습니다.
• 수동 감지 요소:현장에는 전자 장치, 배터리 또는 송신기가 설치되어 있지 않습니다. 유일한 현장 하드웨어는 광섬유 자체이며 유지 관리가 필요하지 않으며 활성 전자 센서처럼 노후화되지 않습니다.
• 장거리 모니터링:단일 인터로게이터 장치는 한쪽 끝에서 전체 케이블 회로를 포괄하는 최대 수십 킬로미터의 광섬유를 모니터링할 수 있습니다.
• 높은 공간 분해능:온도 또는 변형률은 1미터 단위 간격으로 보고되어 수십 미터 간격으로 떨어져 있는 지점 센서가 놓칠 수 있는 국지적인 핫스팟을 해결합니다.
• 실시간 연속 측정:프로필은 기술 및 평균 시간에 따라 몇 초에서 몇 분마다 새로 고쳐지며 느린 추세와 일시적인 이벤트를 모두 캡처합니다.

간단히 말해서, 광섬유는 변전소와 교환실의 전기 센서를 괴롭히는 소음을 포착하지 않으며 센서가 설치된 몇 개의 지점이 아닌 케이블의 모든 미터를 측정합니다.

4. 분산 온도 감지(DTS)

분산 온도 감지는 전원 케이블을 위한 가장 성숙하고 널리 배포된 D-FOS 기술입니다. 이는 광섬유의 전체 길이를 따라 온도를 측정합니다.

4.1 물리적 원리: 라만 산란

레이저 펄스가 광섬유를 통해 전파되면 빛의 작은 부분이 소스를 향해 다시 산란됩니다. 세 가지 산란 메커니즘이 관련됩니다.

• 레일리 산란:밀도 변동으로 인한 탄성 산란; 후방 산란된 빛은 광원과 동일한 파장을 갖습니다. 이는 OTDR 및 DAS의 기초를 형성합니다.
• 라만 산란:분자 진동으로 인한 비탄성 산란. 이는 스톡스(파장이 더 길고 에너지가 낮음)와 반스토크스(파장이 짧고 에너지가 높음)의 두 가지 스펙트럼 대역을 생성합니다. 반스토크스 강도는 온도에 크게 의존하지만 스톡스 강도는 그렇지 않습니다. 반스토크스 대 스톡스 빛의 비율은 국지적 온도를 직접적으로 인코딩합니다.
• 브릴루앙 산란:음향 포논으로 인한 비탄성 산란; 주파수 이동(브릴루앙 이동)은 온도와 변형률에 따라 달라집니다. 이는 BOTDR/BOTDA 기술의 기초를 형성합니다.

DTS 장비는 좁은 레이저 펄스를 발사하고 파장 필터를 사용하여 후방 산란된 빛을 스톡스 및 반스토크스 구성 요소로 분리하고 왕복 시간의 함수로 강도 비율을 측정합니다. 시간 지연은 광섬유를 따른 거리로 변환됩니다. 결과는 케이블의 모든 미터에서 지속적으로 새로 고쳐지는 온도 프로파일 T(z)입니다.

4.2 주요 성능 매개변수

• 공간 해상도:일반적으로 0.5–2m—온도 단계가 해결되는 거리.
• 온도 정확도:일반적으로 ±0.5°C ~ ±1°C, 기준 항온조에 대해 교정됩니다.
• 측정 범위:광섬유 유형 및 평균에 따라 인터로게이터 채널당 최대 30-50km.
• 측정 간격:필요한 SNR 및 거리에 따라 몇 초에서 몇 분까지.

5. 케이블 핫스팟 감지

핫스팟은 케이블 온도가 주변 경로보다 몇 도 높은 국지적인 영역입니다. 핫스팟은 절연 노화를 가속화하고, 해결하지 않으면 조기 고장으로 이어질 수 있기 때문에 중요합니다. 일반적인 원인은 다음과 같습니다.

• 과부하:케이블 용량 이상의 지속적인 부하.
• 열 방출 불량:막힌 덕트, 열 저항력이 높은 백필 또는 근접하게 로드된 케이블 그룹.
• 케이블 연결 문제:조인트의 접촉 불량으로 인해 국부적인 저항 가열이 발생합니다.
• 토양 열저항:직접 매설된 케이블 주변의 건조하거나 잘 압축되지 않은 토양은 열 전달을 감소시킵니다.
• 국부적인 손상:재킷이 손상되거나 물이 유입되면 국부적인 열 특성이 변경됩니다.

DTS는 5단계로 핫스팟 감지를 처리합니다. 경로를 따라 온도 프로파일을 지속적으로 측정합니다. 설정된 마진만큼 온도가 주변 기준선을 초과하는 영역을 식별합니다. 핫스팟을 1미터 이내로 국한합니다. 시간이 지남에 따라 온도가 어떻게 변하는지 추적합니다. 구성된 임계값을 초과하면 경보가 트리거됩니다. 이를 통해 유지 관리 직원은 의심스러운 전체 경로를 파헤치는 대신 막힌 덕트 제거, 의심되는 접합부 검사, 부하 감소 등 특정 위치를 조사할 수 있습니다. 이와 대조적으로 정기적인 오프라인 테스트는 일반적으로 도체 온도를 전혀 측정할 수 없으며 매설 케이블의 모든 미터를 따라 측정할 수도 없습니다.

6. 분산 음향 감지(DAS)

분산 음향 감지(Distributed Acoustic Sensing)는 동일한 광섬유를 사용하여 경로를 따라 진동 및 음향 신호를 측정합니다. 기술 기반은 위상 감지 OTDR(ψ-OTDR)입니다. 응집성 레이저 펄스가 발사되고 외부 진동으로 인한 광섬유의 변형으로 인해 발생하는 레일리 후방 산란의 위상 변화가 모든 위치에서 측정됩니다.

DAS는 DTS와 근본적으로 다릅니다. DTS가 온도를 천천히 측정하는 경우 DAS는 초당 수천 개의 샘플을 샘플링하는 속도로 진동을 측정합니다. 이는 제3자 간섭 모니터링(케이블 경로 근처 굴착 또는 굴착), 기계적 교란 감지, 케이블 설치 및 당기는 힘 모니터링, 외부 충격 감지에 사용됩니다. 전원 케이블과 관련하여 DAS는 일반적으로 절연 상태를 평가하기보다는 케이블을 기계적 손상으로부터 보호하기 위해 배포됩니다.

구별이 중요합니다. DTS는 "어디가 얼마나 뜨거운가?"에 답합니다. DAS는 "경로에서 무슨 일이 일어나고 있나요?"라고 대답합니다. 그것들은 상호 보완적이며 상호 교환 가능하지 않습니다.

7. 기타 분산 광섬유 감지 기술

DTS 및 DAS 외에도 케이블 모니터링과 관련된 두 가지 다른 분산 기술이 있습니다.

전원 케이블 열 모니터링의 경우 DTS가 여전히 주력 제품입니다. BOTDR 기반 스트레인 감지는 지진이 발생하기 쉬운 지역이나 철도 건널목 아래 등 지면 움직임이나 케이블 변형이 우려되는 곳에 사용됩니다. DAS는 제3자의 간섭이 위험할 때 추가됩니다.

8. 시스템 아키텍처

전원 케이블의 일반적인 분산 광섬유 모니터링 시스템은 다음 구성 요소로 구성됩니다.

• 감지 섬유:전원 케이블 옆(또는 내부)에 설치된 견고한 단일 또는 다중 모드 광 케이블. 일반적으로 덕트에 설치되거나, 케이블에 묶이거나, 신규 설치를 위해 케이블 재킷에 내장됩니다.
• 광학 감지 장치(인터로게이터):변전소 랙 또는 비바람에 견디는 캐비닛에 보관된 DTS, DAS 또는 BOTDR 장비. 레이저 펄스를 발사하고 후방 산란을 분석합니다.
• 신호 획득 및 디지털화:광검출기와 고속 디지타이저는 광학 반사를 디지털 데이터 스트림으로 변환합니다.
• 데이터 처리:온보드 소프트웨어는 보정 및 소음 감소를 적용하여 원시 후방 산란을 온도, 변형 또는 음향 프로필로 변환합니다.
• 상태 모니터링 소프트웨어:과거 프로필을 저장하고, 추세 그래프를 생성하고, 지리 또는 도식 지도에 현재 상태를 표시하는 서버 또는 클라우드 플랫폼입니다.
• 경보 시스템:로컬 릴레이, SCADA 신호, SMS/이메일 알림 또는 자산 관리 시스템의 작업 주문을 트리거하는 임계값 및 상승률 경보.
• 제어 센터 인터페이스:기존 SCADA 또는 GIS 플랫폼과 통합된 유틸리티 제어 센터의 운영자 대시보드.

9. 전력 케이블 시스템의 응용

• 지하 전송 케이블:막힌 덕트나 열악한 조인트로 인한 핫스팟을 찾는 데 비용이 많이 드는 밀집된 도시 네트워크의 110~500kV 회로.
• 지하 배전 케이블:여러 케이블이 덕트 뱅크를 공유하고 상호 가열이 전류용량을 줄일 수 있는 10~35kV 피더.
• 케이블 터널:DTS는 과열 상태로 실행되는 케이블이 없는지 확인하고 DAS는 침입 탐지 기능을 제공하는 여러 회선이 있는 공유 터널입니다.
• 변전소:접근이 제한된 케이블 교차점, 부스바 연결 및 변압기 리드를 모니터링합니다.
• 재생 가능 에너지 인프라:원격 모니터링이 필수적인 해상 풍력 발전소, 태양광 발전소 수집 회로 및 배터리 저장 연결의 어레이 간 케이블.
• 데이터 센터 및 산업 시설:열 과부하가 가동 시간에 직접적인 영향을 미치는 전원 케이블 트레이 및 버스 덕트.

일반적인 엔지니어링 시나리오

도시 전력망의 220kV 지하 케이블 회로는 주요 도로 아래의 공유 덕트 뱅크를 통해 8km를 실행합니다. 견고한 DTS 광섬유는 전원 케이블과 함께 덕트 안으로 들어가고 인터로게이터는 변전소 한쪽 끝에 설치됩니다. 시스템은 30초마다 미터마다 온도를 측정합니다.

시운전 6개월 후, DTS 프로필은 여름 최고 부하 기간 동안 약 4.3km에서 경로 기준선보다 9°C 높은 국부적인 온도 상승을 보여줍니다. 추세는 핫스팟이 악화되고 있음을 나타냅니다. 유지보수 담당자가 해당 위치를 조사한 결과 덕트 위의 배수관이 막혀 덕트에 물이 차고 열 방출이 감소하는 것을 발견했습니다. 배수구가 깨끗해졌습니다. 2주 이내에 온도 프로필이 예상 기준으로 돌아갑니다. 8km 경로 전체를 굴착하지 않고도 핫스팟을 감지하고 1m 이내로 위치를 파악했습니다.

이는 DTS가 지속적인 온도 프로필을 특정 유지 관리 작업으로 변환하는 방법을 보여주는 일반적인 엔지니어링 시나리오입니다. 이는 특정 프로젝트에 대한 참조로 제시되지 않습니다.

10. D-FOS 대 기존 포인트 센서

포인트 센서는 잘 정의된 단일 포인트(예: 특정 조인트 또는 변압기 리드)에 로컬 모니터링이 필요하거나 예산이 전체 분산 범위를 제한하는 경우에 적합합니다. 긴 케이블 경로의 경우 D-FOS는 포인트 센서가 제공할 수 없는 연속적인 영상을 제공합니다.

11. 전력 케이블 상태 모니터링에서의 역할

분산 광섬유 감지는 완전한 케이블 상태 평가 프로그램의 한 계층입니다. 이는 다른 진단 기술을 대체하지 않으며 그렇게 제시해서는 안 됩니다.

• DTS온도를 측정하고 열 핫스팟을 감지합니다. 절연 열화를 직접적으로 측정하지는 않습니다.
• 부분방전(PD) 모니터링과열이 발생할 때까지 DTS가 확인할 수 없는 내부 단열 결함(공극, 박리, 물 트리잉)을 감지합니다.
• TDR 오류 위치케이블 결함이 발생한 후 위치를 식별합니다. D-FOS는 열 상태를 모니터링하지만 전기적 결함을 찾아내지는 않습니다.
• VLF 고전압 및 진단 테스트과전압을 인가하고 Tan Delta를 측정하여 오프라인으로 절연 상태를 정량적으로 평가합니다.
• 절연 저항 테스트일상적인 유지 관리 중에 기본 절연 무결성을 확인합니다.

성숙한 상태 모니터링 프로그램은 다음 기술을 결합합니다. DTS는 지속적인 열 인식을 제공합니다. PD 모니터링은 절연 결함 인식을 제공합니다. 오프라인 VLF 및 Tan Delta 테스트는 주기적인 정량 평가를 제공합니다. TDR/arm 오류 탐지기는 오류가 발생할 때 이를 찾아냅니다. 각 기술은 서로 다른 질문에 답합니다.

12. 제한 사항 및 엔지니어링 고려 사항

D-FOS는 보편적인 솔루션이 아닙니다. 엔지니어링 팀은 다음 사항을 고려해야 합니다.

• 설치 복잡성:전용 감지 광섬유를 기존 덕트로 끌어들이려면 접근이 필요합니다. 사용 중인 케이블의 경우 개조가 어려울 수 있습니다. 새로운 케이블은 제조 과정에서 광섬유를 재킷에 통합할 수 있습니다.
• 섬유 배치:광섬유는 케이블과 열적으로 결합되어야 합니다. 즉, 케이블 옆에 놓이거나 간격을 두고 묶거나 내장되어야 합니다. 연결 불량(예: 별도의 덕트에 있는 광섬유)은 온도 정확도를 감소시킵니다.
• 초기 시스템 비용:인터로게이터 장치와 견고한 광섬유는 포인트 센서보다 자본 비용이 높으며, 장기 설치 및 유지 관리 노동력이 낮아 상쇄됩니다.
• 데이터 해석:온도 프로파일에는 공학적 판단이 필요합니다. 상승 추세는 과부하, 덕트 막힘 또는 조인트 고장을 나타낼 수 있습니다. 작업자는 이를 올바르게 해석하기 위해 기준 데이터와 교육이 필요합니다.
• 환경 조건:광섬유 성능은 복사, 굽힘 손실 및 커넥터의 수분 유입에 의해 영향을 받습니다. 현장 조인트에는 세심한 밀봉이 필요합니다.
• 완성:데이터는 단지 전용 화면에 표시되는 것이 아니라 실행 가능하도록 SCADA, GIS 및 자산 관리 시스템과 통합되어야 합니다.
• 유지:인터로게이터와 필드 커넥터에는 주기적인 교정과 검사가 필요합니다.

13. 미래 동향

• AI 지원 분석:기계 학습 모델은 열 이상 현상을 자동으로 분류하여 실제 핫스팟을 정상적인 계절 또는 부하에 따른 온도 변화와 구별합니다.
• 예측 유지 관리:DTS 추세를 부하 기록 및 케이블 열 모델과 결합하면 남은 열 수명을 예측하고 유지 관리 기간을 권장합니다.
• 디지털 트윈:라이브 DTS, PD 및 부하 데이터를 통해 공급되는 케이블 회로의 가상 복제본은 다양한 부하 시나리오에서 동작을 시뮬레이션합니다.
• 다중 매개변수 감지:단일 광섬유는 하나의 모니터링 플랫폼에 통합된 온도(Raman), 변형률(Brillouin) 및 음향(Rayleigh) 데이터를 동시에 제공합니다.
• 클라우드 기반 원격 진단:여러 변전소의 질문자는 교차 회로 벤치마킹 및 공급업체 전문가 검토를 위해 프로필을 중앙 클라우드 플랫폼으로 전송합니다.
• 스마트 그리드 통합:D-FOS 데이터는 분배 관리 시스템에 공급되어 보수적인 설계 가정이 아닌 실제 측정된 도체 온도를 기반으로 동적 전류용량 조정을 가능하게 합니다.

14. 결론

분산 광섬유 감지를 통해 전력 케이블 운영자는 전체 케이블 경로를 따라 열 및 기계적 상태를 지속적으로 분산 측정할 수 있습니다. 이는 포인트 센서와 주기적인 오프라인 테스트가 비교할 수 없는 것입니다. DTS는 핫스팟을 감지하고 이를 미터 이내로 국한합니다. DAS는 제3자 간섭을 모니터링합니다. 브릴루앙 기반 시스템은 변형을 측정합니다. 이들은 함께 조기 경고를 제공하고 자산 가시성을 개선하며 예측 유지 관리 결정을 지원합니다.

최신 케이블 유지 관리에는 함께 작동하는 여러 진단 기술이 필요합니다. 광섬유 감지는 온도와 기계적 교란을 모니터링합니다. 부분 방전 및 오프라인 VLF 테스트는 절연 상태를 평가합니다. TDR 및 arm 오류 탐지기는 오류가 발생할 때 이를 식별합니다. 단일 장비가 다른 장비를 대체할 수는 없습니다. XZH TEST는 케이블 결함 감지, 절연 테스트, 상태 평가 및 유지 관리를 위한 전문적인 전원 케이블 테스트 및 진단 솔루션을 제공하여 운영자가 완전한 케이블 상태 프로그램을 구축하도록 돕습니다.

XZH 테스트 정보

XZH TEST(Xian Xuzhihui Electromechanical Technology Co., Ltd.)는 케이블 결함 탐지기, TDR 사전 탐지기, VLF AC 하이팟 테스터, 부분 방전 감지 장비 및 관련 케이블 진단 장비를 제조합니다. 제품은 현장 내구성, 측정 정확도 및 국제 테스트 표준과의 호환성을 위해 설계되었으며 유틸리티, 산업 및 재생 에너지 케이블 유지 관리 프로그램을 지원합니다.

웹사이트: XZH 테스트