온라인 전원 케이블 상태 모니터링: 기술, 이점 및 미래 동향

전 세계 전력망은 수십 년 만에 가장 큰 확장을 겪고 있습니다. 도시 부하 증가, 운송의 전기화, 재생 에너지 발전(풍력 발전소, 태양광 발전소, 배터리 저장 장치)의 가속화되는 구축은 지하 케이블 회로에 대한 전례 없는 수요를 촉진했습니다. 과거에는 가공선이 도시를 통해 대량의 전력을 운반했지만, 이제는 압출 XLPE 및 종이 절연 납 피복(PILC) 케이블이 거리, 터널, 강을 건너 지하로 흐르며 원래 설계된 부하의 50~100% 더 많은 부하를 운반하는 경우가 많습니다.

이러한 확장은 증가하는 유지보수 과제를 안고 있습니다. 케이블 고장은 배전망에서 가장 파괴적인 사건 중 하나입니다. 굴착, 고장 위치 파악, 접합, 수리가 필요하며, 사건당 수만 달러의 비용과 고객 중단 페널티가 발생합니다. 역사적으로 케이블 유지보수는 주기적인 오프라인 테스트에 의존해 왔습니다. 1~5년마다 수행되는 VLF 내전압, 절연 저항, 부분 방전 조사입니다. 이러한 테스트는 효과적이지만 스냅샷일 뿐입니다. 검사 사이에 케이블이 모니터링되지 않은 상태로 남아 있으며, 깨끗한 테스트 직후에 발생하는 결함은 다음 예정된 방문 전에 고장으로 진행될 수 있습니다.

이 격차를 해소하기 위해 유틸리티, 산업 운영자, 재생 에너지 프로젝트 개발자는 온라인 전력 케이블 상태 모니터링을 점점 더 채택하고 있습니다. 테스트를 위해 케이블을 서비스에서 제외하는 대신 영구적으로 설치된 센서가 전원이 공급된 상태에서 전기 및 열 상태를 지속적으로 측정합니다. 이 기사에서는 온라인 모니터링이란 무엇인지, 사용 가능한 기술, 필요한 시스템 아키텍처, 스마트 그리드 인프라가 성숙함에 따라 이 분야가 어디로 향하고 있는지 살펴봅니다.

온라인 전력 케이블 상태 모니터링은 서비스 중단을 방해하지 않고 영구적으로 설치된 센서를 사용하여 케이블 건강 매개변수를 지속적이고 실시간으로 측정하는 것입니다. 모니터링 시스템은 케이블 액세서리(조인트, 종단) 및 케이블 경로를 따라 데이터를 수집하여 중앙 장치 또는 클라우드 플랫폼으로 전송하고 진단 알고리즘을 적용하여 절연 상태, 열 부하 및 액세서리 무결성을 평가합니다.

시간 측정값을 제공하는 오프라인 테스트와 달리 온라인 모니터링은 지속적인 데이터 스트림을 제공합니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

목표는 오프라인 테스트를 완전히 대체하는 것이 아니라 보완하는 것입니다. 온라인 모니터링은 지속적인 상황 인식을 제공하며, 주기적인 오프라인 테스트는 정량적 상태 평가 및 고장 위치 파악을 위한 허용된 방법으로 남아 있습니다.

지하 케이블 고장은 드물게 갑작스럽게 발생합니다. 대부분은 수개월 또는 수년에 걸쳐 예측 가능한 성능 저하 경로를 따릅니다. 주요 고장 메커니즘은 다음과 같습니다.

이러한 각 메커니즘은 측정 가능한 흔적을 남깁니다. 절연 노화는 유전 손실을 변경하고, PD는 고주파 펄스를 생성하며, 물 나무 현상은 탄젠트 델타 특성을 변경하고, 과열은 경로를 따라 온도 서명을 생성합니다. 온라인 모니터링은 케이블이 오프라인으로 전환되기 훨씬 전에 이러한 흔적이 발생하는 것을 포착합니다. 이를 조기에 감지하면 계획되지 않은 중단을 예정된 유지보수 이벤트로 전환할 수 있습니다.

부분 방전 모니터링은 가장 민감하고 널리 채택된 온라인 기술입니다. 케이블 조인트 및 종단부의 접지 스트랩 주위에 고정된 고주파 변류기(HFCT)는 내부 방전으로 생성된 펄스 전류를 감지합니다. 커플링 커패시터 또는 VHF/UHF 센서도 고전압 액세서리에 내장될 수 있습니다. 신호는 위상 분해 부분 방전(PRPD) 영역에서 분석됩니다. AC 전압 주기와 관련된 펄스 패턴은 방전이 내부 공극, 표면 추적, 코로나 또는 부동 전위에서 발생하는지 여부를 나타냅니다. 고급 시스템은 자동 클러스터링을 사용하여 PD를 노이즈에서 분리합니다.

분산 온도 감지(DTS)는 전력 케이블 옆(또는 내부)에 설치된 광섬유 케이블을 사용합니다. 광섬유를 따라 보내진 레이저 펄스는 라만 후방 산란을 생성합니다. 파장 이동은 국부 온도를 나타내고 시간 지연은 수십 킬로미터 경로를 따라 1미터 이내로 위치를 파악합니다. DTS는 막힌 덕트, 불량 조인트 또는 지속적인 과부하로 인한 핫스팟을 감지합니다. 또한 동적 정격을 지원합니다. 추정되는 것이 아니라 실제 도체 온도를 측정함으로써 운영자는 유리한 조건에서는 부하를 늘리고 폭염 시에는 줄일 수 있습니다.

외피 모니터링은 크로스 본딩 및 접지 지점의 변류기를 사용하여 순환 전류 및 외피 연속성을 측정합니다. 외피 전류 비율의 갑작스러운 변화 또는 DC 구성 요소의 출현은 외피 손상, 납선 파손 또는 접지 성능 저하를 나타냅니다. 외피 고장은 주 절연 고장의 전조이므로 이러한 매개변수를 지속적으로 모니터링하면 발생하는 결함을 조기에 경고할 수 있습니다.

부하 전류, 도체 온도(열 모델을 통해), 전압, 역률과 같은 기본 전기 매개변수는 일반적으로 기존 SCADA 또는 RTU 시스템에서 사용할 수 있습니다. PD 및 온도 데이터와 상관 관계가 있을 때 이러한 매개변수는 측정된 이상이 스위칭 또는 모터 시동으로 인한 실제 절연 결함인지 또는 무해한 과도 현상인지 해석하는 데 도움이 됩니다.

지속적인 센서에서 생성되는 데이터 양은 수동 검사로 처리할 수 있는 양을 훨씬 초과합니다. 과거 고장 기록, 시운전 기준선 및 알려진 결함 패턴으로 훈련된 기계 학습 알고리즘은 PD 소스 분류, 탄젠트 델타 또는 절연 저항의 미묘한 추세 감지, 남은 유효 수명 예측, 위험별 유지보수 작업 주문 우선순위 지정과 같은 자동화된 작업을 수행합니다. 이러한 모델은 데이터 보안 및 네트워크 연결 요구 사항에 따라 엣지(현장 데이터 수집 장치) 또는 클라우드에서 실행됩니다.

일반적인 온라인 케이블 상태 모니터링 시스템은 5가지 계층으로 구성됩니다:

시스템 아키텍처는 표준 감지-결정 체인을 따릅니다. 감지, 수집, 전송, 분석, 조치.

두 접근 방식은 상호 보완적입니다. 오프라인 테스트는 정량적 고장 위치 파악 및 증명 테스트를 제공하며, 온라인 모니터링은 지속적인 인식을 제공합니다. 성숙한 프로그램은 둘 다 사용합니다.

시나리오 1: 지하 배전 케이블 모니터링. 3,000km의 10~35kV 지하 피더를 보유한 시립 유틸리티는 고밀도 지역의 중요 조인트에 HFCT 센서를 설치합니다. PD 활동이 기준선을 초과하면 시스템이 경보를 울려 계획된 유지보수 기간 동안 승무원에게 특정 조인트를 조사하도록 지시하여 시내 중심가의 계획되지 않은 중단을 줄입니다.

시나리오 2: 고전압 송전 케이블 모니터링. 송전 운영자는 15km의 110kV 강 교차 케이블을 따라 DTS를 사용합니다. 광섬유 온도 프로파일은 케이블이 파이프 교차점에 가깝게 처지는 7.2km 지점에서 핫스팟을 보여줍니다. 유지보수 승무원은 열 노화로 인한 영구적인 손상을 방지하기 전에 장애물을 제거합니다.

시나리오 3: 재생 에너지 케이블 모니터링. 해상 풍력 발전소 운영자는 DTS와 온라인 PD를 결합하여 배열 간 케이블을 모니터링합니다. 시스템은 온도 급증과 PD 펄스를 상관시켜 폭풍 후 물 유입을 겪고 있는 케이블을 식별하여 고장 후가 아닌 다음의 잔잔한 계절에 교체를 지시합니다.

온라인 전력 케이블 상태 모니터링은 달력 기반 테스트에서 데이터 기반 자산 관리로의 전환을 나타냅니다. 케이블에 전원이 공급된 상태에서 부분 방전, 온도, 외피 상태 및 전기 매개변수를 지속적으로 측정함으로써 운영자는 절연 성능 저하, 조인트 결함 및 열 과부하에 대한 조기 경보를 얻어 고장이 발생하기 전에 개입합니다. 주기적인 오프라인 테스트 및 AI 기반 추세 분석과 결합된 온라인 모니터링은 그리드 신뢰성을 향상시키고, 유지보수 중 인력 안전을 강화하며, 실제로 필요한 케이블에 교체를 지시하여 자본 지출을 최적화합니다.

그리드가 노후화되고 재생 에너지 침투가 증가함에 따라 지속적인 모니터링의 경제적 타당성이 강화됩니다. XZH TEST는 VLF AC hipot 테스터, 부분 방전 감지 시스템, TDR 케이블 고장 위치 추적기 및 온라인 모니터링 장비를 포함한 전문 케이블 테스트 및 진단 솔루션을 제공합니다. 이 장비는 시운전, 주기적 테스트 및 지속적인 상태 평가 전반에 걸쳐 케이블 자산 관리를 지원하도록 설계되었습니다.

XZH TEST(Xian Xuzhihui Electromechanical Technology Co., Ltd.)는 유틸리티, 산업 플랜트 및 재생 에너지 프로젝트를 위한 전기 케이블 테스트 및 진단 장비를 제조합니다. 제품 범위에는 케이블 고장 위치 추적기, TDR 사전 위치 추적기, VLF AC hipot 테스터, 부분 방전 감지 시스템 및 온라인 케이블 모니터링 솔루션이 포함됩니다. 장비는 현장 내구성, 측정 정확도 및 국제 테스트 표준 준수를 위해 설계되었습니다.

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