مراقبة حالة كابل الطاقة عبر الإنترنت: التقنيات والفوائد والاتجاهات المستقبلية

تشهد شبكة الطاقة العالمية أكبر توسع لها منذ عقود. وقد أدى نمو الأحمال الحضرية، وكهربة وسائل النقل، والبناء المتسارع لتوليد الطاقة المتجددة ــ مزارع الرياح، ومحطات الطاقة الشمسية، وتخزين البطاريات ــ إلى دفع الطلب غير المسبوق على دوائر الكابلات تحت الأرض. في حين كانت الخطوط الهوائية تحمل في السابق طاقة كبيرة عبر المدن، فإن كابلات XLPE المبثوقة والكابلات المعزولة بالرصاص المغطاة بالرصاص (PILC) تمر الآن تحت الشوارع والأنفاق ومعابر الأنهار، وغالبًا ما تحمل حمولة أكثر بنسبة 50-100٪ مما كانت مصممة في الأصل.

ويأتي هذا التوسع مع تحدي الصيانة المتزايد. تعد أعطال الكابلات من بين الأحداث الأكثر تعطيلًا في شبكة التوزيع: فهي تتطلب الحفر وتحديد موقع الخطأ والربط والإصلاح - وغالبًا ما تكلف عشرات الآلاف من الدولارات لكل حدث، بالإضافة إلى غرامات انقطاع العميل. تاريخيًا، اعتمدت صيانة الكابلات على اختبارات دورية دون الاتصال بالإنترنت: مقاومة الترددات المنخفضة جداً (VLF)، ومقاومة العزل، واستطلاعات التفريغ الجزئي التي يتم إجراؤها كل سنة إلى خمس سنوات. وعلى الرغم من فعاليتها، إلا أن هذه الاختبارات عبارة عن لقطات. إنهم يتركون الكابل دون مراقبة بين عمليات التفتيش، وقد يتطور العيب الذي يتطور بعد وقت قصير من الاختبار النظيف إلى الفشل قبل الزيارة المجدولة التالية.

لسد هذه الفجوة، تعتمد المرافق والمشغلون الصناعيون ومطورو مشاريع الطاقة المتجددة بشكل متزايد مراقبة حالة كابلات الطاقة عبر الإنترنت. بدلاً من إخراج الكابل من الخدمة للاختبار، تقوم أجهزة الاستشعار المثبتة بشكل دائم بقياس حالته الكهربائية والحرارية بشكل مستمر بينما يظل نشطًا. تتناول هذه المقالة ماهية المراقبة عبر الإنترنت، والتقنيات المتاحة، وبنية النظام المطلوبة، وإلى أين يتجه هذا المجال مع نضوج البنية التحتية للشبكة الذكية.

إن مراقبة حالة كابل الطاقة عبر الإنترنت عبارة عن قياس مستمر وفي الوقت الفعلي لمعلمات صحة الكابل باستخدام أجهزة استشعار مثبتة بشكل دائم - دون انقطاع الخدمة. يقوم نظام المراقبة بجمع البيانات عند ملحق الكابل (المفاصل والنهايات) وعلى طول مسار الكابل، وينقلها إلى وحدة مركزية أو منصة سحابية، ويطبق خوارزميات تشخيصية لتقييم حالة العزل، والتحميل الحراري، وسلامة الملحقات.

على عكس الاختبار دون الاتصال بالإنترنت، الذي يوفر قياسًا في وقت محدد، توفر المراقبة عبر الإنترنت دفقًا مستمرًا للبيانات. تشمل الخصائص الرئيسية ما يلي:

لا يتمثل الهدف في استبدال الاختبار دون الاتصال بالإنترنت بالكامل، بل استكماله: توفر المراقبة عبر الإنترنت وعيًا مستمرًا بالحالة، بينما تظل الاختبارات الدورية دون الاتصال بالإنترنت هي الطريقة المقبولة لتقييم الحالة الكمية وموقع الخطأ.

نادراً ما تكون أعطال الكابلات تحت الأرض مفاجئة. يتبع معظمها مسار تدهور يمكن التنبؤ به على مدار أشهر أو سنوات. تشمل آليات الفشل الرئيسية ما يلي:

كل من هذه الآليات تترك آثارًا قابلة للقياس. شيخوخة العزل تغير فقدان العزل الكهربائي. PD يولد نبضات عالية التردد. يغير تشجير المياه خاصية دلتا تان؛ يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى ظهور علامة درجة الحرارة على طول الطريق. تلتقط المراقبة عبر الإنترنت هذه الآثار أثناء تطورها - قبل وقت طويل من انقطاع الكابل عن الاتصال بالإنترنت. يؤدي اكتشافها مبكرًا إلى تحويل الانقطاع غير المخطط له إلى حدث صيانة مجدول.

تعد مراقبة التفريغ الجزئي هي التقنية الأكثر حساسية والمعتمدة على الإنترنت على نطاق واسع. تقوم محولات التيار عالية التردد (HFCTs)، المثبتة حول الشريط الأرضي عند وصلات الكابلات ونهاياتها، باكتشاف التيارات النبضية الناتجة عن التفريغ الداخلي. يمكن أيضًا تضمين مكثفات الاقتران أو مستشعرات VHF/UHF في الملحقات ذات الجهد العالي. يتم تحليل الإشارات في مجال التفريغ الجزئي الذي تم حل الطور (PRPD): يكشف نمط النبضات المتعلقة بدورة جهد التيار المتردد عما إذا كانت التفريغات تنشأ من الفراغات الداخلية، أو التتبع السطحي، أو الإكليل، أو الإمكانات العائمة. تستخدم الأنظمة المتقدمة التجميع الآلي لفصل PD عن الضوضاء.

يستخدم استشعار درجة الحرارة الموزعة (DTS) كابل ألياف بصرية مثبتًا بجانب (أو داخل) كابل الطاقة. نبضة ليزر يتم إرسالها إلى أسفل الألياف تولد تشتت رامان الخلفي. ويشير تحول الطول الموجي إلى درجة الحرارة المحلية، والتأخير الزمني يحدد موقعها على مسافة متر واحد على طول عشرات الكيلومترات من الطريق. يكتشف DTS النقاط الساخنة الناتجة عن القنوات المسدودة أو المفاصل الضعيفة أو الحمل الزائد المستمر. كما أنه يدعم التصنيف الديناميكي: من خلال قياس درجة حرارة الموصل الفعلية بدلاً من افتراضها، يمكن للمشغلين زيادة الحمل أثناء الظروف المواتية وتقليله أثناء موجات الحرارة.

تستخدم مراقبة الغمد محولات التيار عند نقاط الترابط والتأريض لقياس التيارات المتداولة واستمرارية الغمد. يشير التغير المفاجئ في نسبة تيار الغلاف، أو ظهور مكون التيار المستمر، إلى تلف الغلاف، أو كسر الرصاص، أو تدهور التأريض. نظرًا لأن أخطاء الغلاف هي مقدمة لفشل العزل الرئيسي، فإن المراقبة المستمرة لهذه المعلمات توفر إنذارًا مبكرًا بتطور العيوب.

تتوفر عادةً المعلمات الكهربائية الأساسية - تيار الحمل، ودرجة حرارة الموصل (عبر النموذج الحراري)، والجهد، وعامل الطاقة - من أنظمة SCADA أو RTU الحالية. عند ربطها ببيانات PD ودرجة الحرارة، تساعد هذه المعلمات في تفسير ما إذا كان الشذوذ المُقاس يعكس عيبًا حقيقيًا في العزل أو عابرًا حميدًا ناجمًا عن التبديل أو بدء تشغيل المحرك.

إن حجم البيانات الناتجة عن أجهزة الاستشعار المستمرة يتجاوز بكثير ما يمكن للفحص اليدوي معالجته. تقوم خوارزميات التعلم الآلي - التي تم تدريبها على سجلات الأخطاء التاريخية، وخطوط الأساس للتشغيل، وأنماط العيوب المعروفة - بتنفيذ مهام تلقائية مثل تصنيف مصادر PD، واكتشاف الاتجاهات الدقيقة في Tan Delta أو مقاومة العزل، والتنبؤ بالعمر الإنتاجي المتبقي، وتحديد أولويات أوامر أعمال الصيانة حسب المخاطر. تعمل هذه النماذج إما على الحافة (في وحدة الحصول على البيانات الميدانية) أو في السحابة، اعتمادًا على متطلبات أمن البيانات والاتصال بالشبكة.

يتكون نظام مراقبة حالة الكابلات عبر الإنترنت النموذجي من خمس طبقات:

تتبع بنية النظام سلسلة قياسية من الاستشعار إلى القرار: الإحساس، الاكتساب، النقل، التحليل، التصرف.

النهجان متكاملان. يوفر الاختبار دون اتصال بالإنترنت موقعًا كميًا للخطأ واختبارًا للإثبات؛ توفر المراقبة عبر الإنترنت الوعي المستمر. يستخدم البرنامج الناضج كليهما.

السيناريو 1: مراقبة كابلات التوزيع تحت الأرض.تقوم إحدى المرافق البلدية التي تحتوي على مغذيات تحت الأرض بقدرة 10-35 كيلو فولت بطول 3000 كيلومتر بتركيب أجهزة استشعار HFCT على المفاصل الحيوية في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية. يصدر النظام إنذارات عندما يتجاوز نشاط PD خط الأساس، ويوجه أطقم العمل لفحص وصلات معينة أثناء نوافذ الصيانة المخططة - مما يقلل من انقطاع التيار الكهربائي غير المخطط له في وسط المدينة.

السيناريو 2: مراقبة كابلات نقل الجهد العالي.يستخدم مشغل النقل DTS على طول كابل يعبر النهر بطول 15 كم 110 كيلو فولت. يكشف ملف درجة حرارة الألياف الضوئية عن نقطة اتصال على بعد 7.2 كم، حيث يتدلى الكابل بالقرب من معبر الأنابيب. تقوم أطقم الصيانة بإزالة الانسداد قبل أن يتسبب الشيخوخة الحرارية في حدوث ضرر دائم.

السيناريو 3: مراقبة كابلات الطاقة المتجددة.يقوم مشغل مزرعة الرياح البحرية بمراقبة الكابلات بين الصفيفات باستخدام مزيج من DTS وPD عبر الإنترنت. ويربط النظام ارتفاع درجات الحرارة مع نبضات PD لتحديد الكابلات التي تتعرض لدخول المياه بعد العاصفة، مما يؤدي إلى توجيه الاستبدال خلال موسم الهدوء التالي بدلاً من بعد الفشل.

تمثل مراقبة حالة كابلات الطاقة عبر الإنترنت تحولًا من الاختبار القائم على التقويم إلى إدارة الأصول المستندة إلى البيانات. من خلال القياس المستمر للتفريغ الجزئي ودرجة الحرارة وحالة الغلاف والمعلمات الكهربائية أثناء بقاء الكابل نشطًا، يحصل المشغلون على تحذير مبكر من تدهور العزل وعيوب المفاصل والحمل الحراري الزائد - التدخل قبل أن تصبح الأعطال فاشلة. إلى جانب الاختبار الدوري دون الاتصال بالإنترنت وتحليل الاتجاهات المستندة إلى الذكاء الاصطناعي، تعمل المراقبة عبر الإنترنت على تحسين موثوقية الشبكة، وتعزيز سلامة الموظفين أثناء الصيانة، وتحسين الإنفاق الرأسمالي من خلال توجيه الاستبدال إلى الكابلات التي تحتاج إليها حقًا.

ومع تقدم عمر الشبكات ونمو انتشار مصادر الطاقة المتجددة، تتعزز الحجة الاقتصادية للمراقبة المستمرة. يوفر XZH TEST اختبارًا احترافيًا للكابلات وحلول تشخيصية - بما في ذلك أجهزة اختبار hipot AC VLF، وأنظمة اكتشاف التفريغ الجزئي، ومحددات أخطاء كابل TDR، وأدوات المراقبة عبر الإنترنت - المصممة لدعم إدارة أصول الكابلات عبر التشغيل والاختبار الدوري والتقييم المستمر للحالة.

تقوم XZH TEST (Xian Xuzhihui Electromechanical Technology Co., Ltd.) بتصنيع معدات اختبار وتشخيص الكابلات الكهربائية للمرافق والمنشآت الصناعية ومشاريع الطاقة المتجددة. تشتمل مجموعة المنتجات على أجهزة تحديد مواقع أعطال الكابلات، وأجهزة تحديد المواقع المسبقة TDR، وأجهزة اختبار hipot AC VLF، وأنظمة اكتشاف التفريغ الجزئي، وحلول مراقبة الكابلات عبر الإنترنت. تم تصميم المعدات لضمان المتانة الميدانية ودقة القياس والامتثال لمعايير الاختبار الدولية.

الموقع الإلكتروني: اختبار XZH