4
9. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Kranjska Gora 2009 CIGRÉ ŠK B1-9 Sašo Zupan ELEKTRONABAVA d.o.o. Cesta 24. Junija 3, 1231 Ljubljana E-mail: [email protected] , tel. 01 58 99 460 Mirko Skubic ELEKTRONABAVA d.o.o. Cesta 24. Junija 3, 1231 Ljubljana E-mail: [email protected] , tel. 01 58 99 463 Potreba po električni energiji neprestano narašča, s tem pa tudi zahtevane kapacitete daljnovodnih vodnikov, kar povzroča svojevrsten izziv distribucijskim podjetjem. Pretekla leta so zaznamovana z dogodki, kot so večji in manjši izpadi električnih omrežij, naraščajoče potrebe za priklop alternativnih virov na obstoječa omrežja in podobno, kar kaže na potrebe po izboljševanju obstoječih omrežij. Hkrati pa se krepi pritisk k čim večji optimizaciji stroškov. Eden od možnih ukrepov za nadzor in odpravljanje naštetih težav je opisan v nadaljevanju prispevka. As demand for electricity continues to grow, so do the challenges to power companies and power grids. The liberisation of power supply markets continues apace, resulting in the reorganization of national and international networks. Events of the past years including large-scale blackouts and shortfalls in major markets, and the ongoing addition of alternative sources to existing networks points up the need for improvements to existing infrastructures. At the same time, there is increased pressure to keep costs to a minimum. One of possibilities to control and reduce those problems are described in this article [1]. I. UVOD Povečevanje potrebe po električni energiji zahtevajo povečevanje prenosnih zmožnosti distribucijskih omrežij. V nasprotnem primeru se začne povečevati obremenjevanje obstoječih energetskih vodnikov, kr lahko privede do težav z resnimi posledicami. Preobremenjevanje se lahko bolj izrazito pokaže na bolj izpostavljenih mestih v omrežju. Te občutljive točke postanejo potencialni možnosti za prekinitev zaradi preobremenitve. Energija, ki se pretaka po takšni zanki, se mora ob prekinitvi zanke porazdeliti po drugih prenosnih poteh. To povzroči dodatno obremenitev preostalega delujočega omrežje. V izrednem primeru se lahko zgodi, da takšen izklop zanke povzroči zaporedno izpadanje delov mreže zaradi dodatnih preobremenitev, kar lahko pripelje do izpada manjšega ali večjega obsega celotnega omrežja [1][2]. II. REŠITEV Ključni faktor pri optimalni izrabi podzemnih prenosih električne energije in distribucijskih instalacijah je temperaturni nadzor vodnikov. Temperature vodnikov so ključne pri ugotavljanju obremenjenosti daljnovodov, lociranju napak in morebitno iskanje skritih prenosnih zmožnosti. Pri povečani obremenitvi vodnika se poveča tudi delež porabljene energije, ki se kot izgube v prenosu pretvorijo v neželeno toploto. Prekomerno segrevanje vodnika ni zaželeno, saj lahko poškoduje vodnik in vpliva na varnost delovanja distribucijskega omrežja. Distribuirano temperaturno nadzorovanje omogoča merjenje temperature vzdolž celotnega kabla v realnem času. Ker je resolucija meritve temperature na dolžino le ~ 1 meter, lahko meritev na dolžino opišemo kot zvezno meritev, saj je največja dolžina merjenja do 30 km [1][2]. Temperaturno spremljanje energetskih prenosnih vodnikov Temperature monitoring of energy transmission systems

CIGRE SK B1-9

Embed Size (px)

DESCRIPTION

cigre B1-9

Citation preview

Page 1: CIGRE SK B1-9

9. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Kranjska Gora 2009 CIGRÉ ŠK B1-9

Sašo Zupan ELEKTRONABAVA d.o.o.

Cesta 24. Junija 3, 1231 Ljubljana E-mail: [email protected], tel. 01 58 99 460

Mirko Skubic ELEKTRONABAVA d.o.o.

Cesta 24. Junija 3, 1231 Ljubljana E-mail: [email protected], tel. 01 58 99 463

Potreba po električni energiji neprestano narašča, s tem pa tudi zahtevane kapacitete daljnovodnih vodnikov, kar povzroča svojevrsten izziv distribucijskim podjetjem. Pretekla leta so zaznamovana z dogodki, kot so večji in manjši izpadi električnih omrežij, naraščajoče potrebe za priklop alternativnih virov na obstoječa omrežja in podobno, kar kaže na potrebe po izboljševanju obstoječih omrežij. Hkrati pa se krepi pritisk k čim večji optimizaciji stroškov. Eden od možnih ukrepov za nadzor in odpravljanje naštetih težav je opisan v nadaljevanju prispevka.

As demand for electricity continues to grow, so do the challenges to power companies and power grids. The liberisation of power supply markets continues apace, resulting in the reorganization of national and international networks. Events of the past years – including large-scale blackouts and shortfalls in major markets, and the ongoing addition of alternative sources to existing networks – points up the need for improvements to existing infrastructures. At the same time, there is increased pressure to keep costs to a minimum. One of possibilities to control and reduce those problems are described in this article [1].

I. UVOD Povečevanje potrebe po električni energiji zahtevajo

povečevanje prenosnih zmožnosti distribucijskih omrežij. V nasprotnem primeru se začne povečevati obremenjevanje obstoječih energetskih vodnikov, kr lahko privede do težav z resnimi posledicami. Preobremenjevanje se lahko bolj izrazito pokaže na bolj izpostavljenih mestih v omrežju. Te občutljive točke postanejo potencialni možnosti za prekinitev zaradi preobremenitve. Energija, ki se pretaka po takšni zanki, se mora ob prekinitvi zanke porazdeliti po drugih prenosnih poteh. To povzroči dodatno obremenitev preostalega delujočega omrežje. V izrednem primeru se lahko zgodi, da takšen izklop zanke povzroči zaporedno izpadanje delov mreže zaradi dodatnih preobremenitev, kar lahko pripelje do izpada manjšega ali večjega obsega celotnega omrežja [1][2].

II. REŠITEV Ključni faktor pri optimalni izrabi podzemnih

prenosih električne energije in distribucijskih instalacijah je temperaturni nadzor vodnikov. Temperature vodnikov so ključne pri ugotavljanju obremenjenosti daljnovodov, lociranju napak in morebitno iskanje skritih prenosnih zmožnosti. Pri povečani obremenitvi vodnika se poveča tudi delež porabljene energije, ki se kot izgube v prenosu pretvorijo v neželeno toploto. Prekomerno segrevanje vodnika ni zaželeno, saj lahko poškoduje vodnik in vpliva na varnost delovanja distribucijskega omrežja. Distribuirano temperaturno nadzorovanje omogoča merjenje temperature vzdolž celotnega kabla v realnem času. Ker je resolucija meritve temperature na dolžino le ~ 1 meter, lahko meritev na dolžino opišemo kot zvezno meritev, saj je največja dolžina merjenja do 30 km [1][2].

Temperaturno spremljanje energetskih prenosnih vodnikov

Temperature monitoring of energy transmission systems

Page 2: CIGRE SK B1-9

9. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Kranjska Gora 2009 CIGRÉ ŠK B1-9

III. MERITEV TEMPERATURE – FIZIKALNO OZADJE Merjenje temperature deluje na optičnem principu in

za senzor uporablja optično vlakno. Takšno tipalo omogoča merjenje temperature na velikih razdaljah.

Meritev deluje na principu odboja svetlobe po tako imenovanem Ramanovem efektu v povezavi z oscilacijami molekularne strukture. Optično vlakno priklopimo na izvor pulzirajoče koherentne svetlobe – laser (slika 1). Material, iz katerega je narejeno optično vlakno, je amorfna SiO2 trdna sestavina. Toplota povzroči spremembo nivoja energije molekul, kar povzroči spremembo v osciliranju molekularne mreže v trdni strukturi[3].

Slika 1: Odboj laserskega žarka v optičnem vlaknu. Vzajemno delovanje med lasersko svetlobo in

oscilacijami molekularne strukture privede do dveh dodatnih vrstic v spektru odbite (razpršene) svetlobe (slika 2).

Slika 2: Spekter izvora in odbite svetlobe.

Intenzivnost teh dveh linij svetlobe je neposredno povezana z intenzivnostjo osciliranja molekularne strukture. Ker je Osciliranje molekularne mreže odvisno od temperature je le-ta povezana z dodatnima vrsticama v spektru odbite svetlobe. S tem dobimo podatke o temperaturi.

Lokacijo merjenja temperature določimo glede na čas med odposlanim signalom svetlobe in zaznano svetlobo odboja. Določanje lokacije meritve temperature deluje na enakem principu kot radarski sistemi. Ker je hitrost svetlobe znana je razdalja do merjenega mesta proporcionalna času med oddanim in sprejetim signalom.

Slika 3: Določitve merilne točke je podobna radarskim sistemom. Takšen princip merjenja temperature imenujemo

pulzno-odmevni princip, saj glede na časovno zakasnitev odboja ugotavljamo lokacijo meritve (slika 3). Drugi način določevanja lokacije je frekvenčno moduliran pristop. Pri tem načinu laser oddaja svetlobo kot kontinuirano valovanje. Odbiti signal se neprestano meri in obdeluje v frekvenčnem prostoru, nato se s Fourier-evo transformacijo pretvori v časovni prostor. Frekvenčni pristop omogoča več prednosti, kot so uporaba polprevodniškega laserja, boljši način lociranja merilnega mesta, manjši vpliv šuma itd [1][2][3].

IV. UPORABA V PRAKSI Temperaturni merilni sistemi za merjenje

temperature po dolžini se lahko uporabi za različne aplikacije. V praksi sta izpostavljena predvsem dva primera; merjenje temperature vzdolž kablov v elektroenergetskih sistemih in merjenje temperature vzdolž tunelov v gradbeništvu. Največ aplikacij je možno zaslediti na teh objektih.

Ker nas predvsem zanima uporaba v elektroenergetskih sistemih, si oglejmo nekaj možnih primerov. Sistem je namenjen predvsem za nadzor obremenitve kablov položenih v zemljo (slika 4).

Slika 4: Temperaturno merjenje primerno predvsem za vodnike vkopane v zemljo.

Page 3: CIGRE SK B1-9

9. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Kranjska Gora 2009 CIGRÉ ŠK B1-9

Vodniki v zemlji so bolj izpostavljeni preobremenjevanju, saj je odvajanje toplote počasnejše kot v daljnovodnih sistemih.

Seveda je kljub temu možna uporaba na prostozračnih daljnovodnih sistemih in v navitjih generatorjev in transformatorjev (slika 5).

Slika 5: Meritev temperature na daljnovodnem sistemu.

V. SPREMLJANJE OBREMENITVE KABLA Merilni sistemi za nadzor temperature vodnikov so

možni v različnih konfiguracijah. Najenostavnejši je primer, ko optično vlakno namestimo na standardni kabel. S tem dobimo zelo omejene informacije o obremenitvi kabla. Temperatura se namreč najprej začne povečevati v sredini kabla – vir toplote je žila kabla – in se nato širi preko izolacijskega sloja do senzorja. Informacijo o temperaturi dobimo z zamikom in odstopanjem v dejanski vrednosti.

Boljša možnost je merjenje temperature v primeru, ko je optično vlakno vgrajeno v izolacijo kabla in se nahaja blizu kabelske žile (slika 6). Temperaturni odziv je v tem primeru veliko hitrejši, s tem pridobimo na času za ustrezno reakcijo[4].

Slika 6: Energetski kabel z vgrajenim optičnim vlaknom.

Najboljša varianta za spremljanje obremenjenosti

energetskih kablov je kombinacija merjenja temperature kabla s senzorjem v kablu in merjenjem električnega toka, s katerim je kabel obremenjen. Merilni sistem na podlagi vnesenih podatkov o kablu in pridobljenih podatkih po matematičnem modelu izračunava predvideno temperaturo vodnika v kablu.

Slika 7: Meritev temperature kombiniranega sistema. Kot je razvidno iz slike 7 temperatura vodnika

naraste prej, kot se to pokaže na meritvi temperature v plašču. Dodatna meritev toka omogoča izboljšano predvidevanje dinamike temperature vodnika in s tem omogoča še hitrejši odziv za odpravo nevarnosti poškodb zaradi preobremenitve. Za meritev toka potrebujemo tokovnik, katerega priklopimo na procesno enoto merilnika temperature[4].

Splošne zahteve sistemov za distribucijo električne

energije, ki jim z opisanim merilnim sistemom poskušamo zadostiti so:

- zmanjšanje izklopov delov omrežja, - povečati zanesljivost oskrbe z električno

energijo, - poiskati skrivne prenosne zmožnosti obstoječih

prenosnih poti, - hiter odziv ob preobremenitvah vodnikov, - natančno spremljanje dogajanja v realnem času

ob priklopu novega vira energije na omrežje.

VI. MERILNI SISTEMI Merilni sistem sestavljajo procesna enota in senzor.

Senzor je najpogosteje vgrajen v plašč kabla. Procesna enota pretvori optični signal v informacijo o temperaturi in lokaciji meritve. Različne variante procesnih enot omogočajo različno število in možnosti merilnih kanalov od 1 do 8. To pomeni, da z eno procesno enoto lahko izvajamo meritve na do 8 lokacijah. Procesne enote omogočajo različne možnosti priklopa senzorja (slika 8). Najenostavnejši je eno-točkovni priklop. V tem načinu se na procesno enoto priklopi en konec optičnega vlakna. Omogočeno je do 8 kanalov za merjenje temperature, meritev se lahko izvaja do dolžine 30 km. Drugi način je dvo-točkovni priklop. Ta način na procesni enoti porabi dva kanala. Na vsak kanal je priklopljen en konec istega optičnega vlakna. S tem je zagotovljena psevdo redundantnost meritve, vendar je merilna dolžina razpolovljena. Popolna redundantnost meritve pa zahteva dve optični vlakni na kabel in dve procesni

Page 4: CIGRE SK B1-9

9. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Kranjska Gora 2009 CIGRÉ ŠK B1-9

enoti. Na vsako procesno enoto se priklopi posamezno optično vlakno v eno-točkovnem načinu. Dolžina merjenja je enaka kot pri običajnem eno-točkovnem načinu.

Slika 8: Različni merilni načini.

Optični princip meritve temperature nudi dve glavni prednosti. Prva je visoka odpornost na elektromagnetne motnje, ki jih lahko povzročajo visokonapetostni kabli, električni motorji in različni radijski oddajniki. Druga velika prednost je ta, da ni potrebe po vzdrževanju senzorja. Ostale dobre lastnosti, ki jih nudi princip optične meritve temperature so:

- optično vlakno je pasivni merilni senzor - imunost na agresivne atmosferske pogoje - majhna prostornina in velika fleksibilnost - zasnovano na standardnem komunikacijskem

optičnem vlaknu. Optično vlakno je uporabljeno v vlogi

temperaturnega senzorja in je običajno obdano z varovalnim slojem (slika 9). Za povečanje mehanske odpornosti na poškodbe je optično vlakno lahko položeno v jekleni cevi. V tem primeru je obdano še z gelom, ki služi za zaščito pred vdorom vlage. Fizične lastnosti optičnih vlaken – senzorjev za merjenje temperature so:

- temperaturni razpon meritev je -30 do 90 °C za

standardne kable in -30 do 350°C za visoko-temperaturne kable

- zunanji premer med 4 in 8 mm - uporabni za Ex cono - zunanji plašč različnih izvedb: Akryl, Polymide

ali različni plašči metalnih izvedb.

Slika 9: Optično vlakno – senzor temperature.

VII. MERILNI VMESNIK Procesna enota (slika 10) je zasnovana kot samostojna enota. Z možnostjo izbora različnih komunikacijskih protokolov omogoča uporabniku proste roke za povezovanje z SCADA sistemi in različnimi računalniki za nadaljnjo obdelavo podatkov. Na voljo so protokoli, kot je DNP3, IEC60870-5, POSC WITSML, Modbus in drugi. Podatke iz merilnega vmesnika lahko pridobiva več naprav hkrati, če so priklopljene na isto komunikacijsko omrežje. V primeru izpada komunikacije vmesnik omogoča do 72 ur shranjevanja merjenih podatkov, katere avtomatsko posreduje nadzornemu računalniku po ponovni vzpostavitvi komunikacije. Na samem merilnem vmesniku so na voljo prosto programabilni digitalni vhodi in izhodi, s katerimi lahko signaliziramo različne napake in bolj pomembna opozorila[1].

Slika 10: Merilni vmesnik- procesna enota.

VIII. UGOTOVITVE Temperaturno spremljanje energetskih kablov, še

posebej v kombinaciji z meritvijo toka, omogoča učinkovit in cenovno sprejemljiv način spremljanja obremenitve kabla. Ključne zmožnosti takšnega sistema so: - distribuirana meritev vzdolž celotnega kabla, - izračun temperature žile energetskega kabla glede

na meritve temperature in toka v realnem času, - predvidena ocenitev varnosti, prehodni izračuni

za čas, tok in temperaturo, - omogoča hiter odziv na preobremenjenost

vodnikov. Na podlagi teh zmožnosti se poveča varnost in zanesljivost delovanja omrežja, saj so kritične točke nenehno nadzorovanje v realnem času. Zaradi veliko pozitivnih lastnosti in uporabnosti, se pričakuje porast uporabe tovrstnih merilnih sistemov tudi v praksi.

A. Reference [1] www.lios-tech.com [2] www.lios-tech.com, Lios_DTS_Flyer_A4.pdf [3] LIOS Technologies, LIOS_PowerCable Presentation 08_2008.pdf [4] LIOS Technologies, DTS and RTTR introduction Power Cable,

LIOS Technologies Manual