Sensorer for å bestemme strømføringsevnen til kraftkabler

Økonomisk og sikker overføring av ren elektrisk energi er avgjørende for å lykkes med det grønne skiftet og en bærekraftig elektrifisering av samfunnet. Kraftkabler utgjør over halvparten overføringsnettet, og ved å utnytte kablenes kapasitet bedre vil det være mulig å overføre vesentlig mer elektrisk energi enn i dag.

I denne teksten kan du lese om et utvalg sensorer som kan brukes til å bestemme strømføringsevnen til kraftkabler. Å vite den reelle kapasiteten kan redusere behov for nyinvesteringer og risikoen for kabelhavari.

Les mer:

• SINTEFs kompetanse innen elkraftkomponenter
• Kabelskjermer: hva er problemene og hvordan skal de løses?
• Elektriske kontakter – en vanlig årsak til havari og branner
• Strømføringsevnen til kabelanlegg – hva og hvordan
• Massene rundt kraftkablene: en viktig bidragsyter til strømføringsevnen

Termisk resistivitet

Den termiske resistiviteten i massene nærmest kraftkabler er en av faktorene som har størst betydning for strømføringsevnen. Samtidig er det knyttet stor usikkerhet til denne verdien. Å vite den termiske resistiviteten er helt nødvendig for å dimensjonere nye kabelanlegg og verifisere eksisterende anlegg. Sensoren beregner termisk resistivitet ved å sette på en kjent effekt i et varmeelement for deretter å måle temperaturøkning.

Fuktinnhold

Massers termiske resistivitet avhenger av mange faktorer, men de to viktigste er fuktinnhold og hvor tett eller porøs massen er. Fuktsensorer bestemmer voluminnholdet av vann i masser rundt kablene ved å måle den dielektriske permittiviteten fra et høyfrekvent elektrisk felt mellom elektrodene. For å beregne fuktinnhold i vektandel må målinger kalibreres til den spesifikke massen og porøsiteten. Sensorene er temperaturavhengige som gjør at temperaturen i nærheten av sensoren bør måles.

Temperatursensor

Temperatur er et direkte mål på hvor mye kablene kan belastes, ettersom det er temperaturbegrensingen til isolasjonen som er førende for kabelens strømføringsevne. To mye brukte sensortyper for å måle kabeltemperatur er PT100/PT1000 og termoelementer. Disse kan monteres utenpå kappen til eksisterende kabler. I snodde kabler bør sensoren monteres i senter, mellom kablene. Det er viktig med god termisk kontakt til kabeloverflaten for at målingene skal bli representative. Ved bruk av PT100/PT1000 er det ofte hensiktsmessig å velge en type som er laget for å måle overflatetemperatur, ettersom innkapslingen på motstandselementet på den runde typen er relativt stor. Det er også nødvendig å korrelere kappetemperatur til ledertemperatur. Det finnes flere typer termoelementer, men ofte benyttes type K eller T. Vær oppmerksom på at det er noe tidsforsinkelse, i størrelsesorden timer, mellom kappetemperatur og faktisk ledertemperatur.

Fiberoptikk

Nye kabler kan kjøpes med integrert optisk fiber som kan brukes til å måle temperatur langs hele kabelens lengde. Teknologien kalles distribuert temperaturføling (Distributed Temperature Sensing – DTS). I motsetning til punktmålingene, hvor man på forhånd må lokalisere flaskehalsene, vil man med DTS-målinger finne flaskehalser. Ofte er fiberen lagt i rør ved skjermtrådene, noe som gjør at det nødvendig å korrelere målt temperatur i skjerm til faktisk temperatur i leder. Fiberen kan også brukes til å lokalisere kabelfeil. Dersom det blir brudd i fiberen, kan man med stor nøyaktighet bestemme feilstedet.

DTS fungerer at ved at en laserpuls sendes inn i en fiber som ligger inne i kabelen. I den optiske fiberen vil en liten del av laserpulsen reflekteres etter hvert som den forplantes i fiberen. Energien til lyset som er reflektert på en bestemt posisjon i fiberen vil være temperaturavhengig. Ved å samle inn det reflekterte lyset i en fotodetektor, og måle hvor lang tid det reflekterte lyset har brukt, er det mulig å bestemme temperaturen i fiberen som funksjon av posisjon.  Intensiteten og endringen i energi for det reflekterte lyset er svært liten, slik at det reflekterte lyset akkumuleres over både posisjon og tid for å kunne gi en nøyaktig temperatur. Typisk akkumuleres signalet i rundt ett 1 minutt over en avstand på rundt 1 meter. Høyere tidsoppløsning vil gå på bekostning av romlig oppløsning – og omvendt.

Eksempel 1: Vindkraftkabel

Temperatur i en norsk vindkraftkabel er målt over en lengre periode ved bruk av DTS. Målingene viser at temperaturen varierer vesentlig mellom ulike seksjoner langs kabelen. Høy temperatur måles i bynære strøk under vei, hvor man typisk finner masser med høy termisk resistivitet. De laveste temperaturene måles for de dypeste forlegningene, som (ved antatt kontinuerlig belastning) egentlig skal ha lavere strømføringsevne. Det er verdt å merke seg at flaskehalser kan endre seg over tid og dette gjelder spesielt for dype forlegninger, som i starten kan belastes høyt, men som over flere tiår vil varme seg opp.

Strømproduksjonen fra vindkraftanlegget varierer stort fra time til time og dag til dag, med tilsvarende variasjon i temperatur. Dette er forventet av en vindkraftkabel hvor produksjon er avhengig av vindforholdene. Det er verdt å merke seg at temperaturøkningen målt med DTS er noen timer tidsforsinket sammenlignet med strømpåtrykket. Dette er tiden det tar å varme opp lederen og isolasjonen, før varmen sprer seg videre til skjermentrådene hvor fiberoptikken ligger.

Eksempel 2: Forskningsanlegg

I SINTEFs forskningsanlegg utenfor Trondheim hentes data til for eksempel kalibrering og verifisering av modeller for kunstig intelligens. Kabelens temperatur måles med DTS samtidig som det er sensorer i grøften som måler fukt, temperatur og termisk ledningsevne. Noen temperatursensorer er også montert på og i kabelen i noen av seksjonene. Det er laget et styringssystem som kan simulere mange forskjellige typer lastmønstre, som ferjelading og produksjon fra vindturbiner. En stor fordel med forskningsanlegget er at kabelen kan kjøres hardere for å oppnå effekter man vanligvis ikke tillater på anlegg i drift, som uttørking av masser og overbelastning.

Kabelen er lagt opp med flere vanlige flaskehalser, som gjennomføring i stasjonsbygg, samføring, kabelkryssing, veikryssing i rør og vanlig forlegning i rør. I forskningsanlegget er det veikryssing i rør som er flaskehalsen, og hvor høyest temperatur måles.

Oppsummering

Å vite den faktiske strømføringsevnen i kabelanlegg kan redusere behov for nyinvesteringer og risikoen for kabelhavari. Sensorer som måler kabeltemperatur eller termisk resistivitet i masser er uvurderlig i denne sammenheng. Temperaturmålinger anbefales, enten som punktmålinger i flaskehalser langs eksisterende kabler, eller med fiber for nye kabler. Disse dataene kan igjen brukes for å estimere fremtidig kapasitet, for eksempel ved sanntid-termisk dimensjonering (Real Time Thermal Rating – RTTR) eller dynamisk dimensjonering (Dynamic Cable Rating – DCR). SINTEF har lang erfaring ved bruk av sensorer, både fra industriprosjekter og forskningsanlegget i Trondheim.