電力ケーブルのための分散型光ファイバーセンシング

継続的なケーブル監視のための技術、応用、およびエンジニアリング上の考慮事項

1. はじめに

地下電力ケーブル網は急速に拡大しています。都市部の負荷増加、輸送の電化、再生可能エネルギー発電の構築により、何百万キロメートルもの新しいXLPEケーブルがダクト、トンネル、直接埋設ルートに敷設されています。同時に、ケーブルの負荷パターンも変化しています。分散型太陽光および風力発電による双方向の電力流は、ケーブルがもはや単純な昼夜の負荷サイクルを運ばなくなったことを意味し、絶縁体への熱応力が経年劣化の主な要因となっています。

ケーブルの故障は、配電網において最も破壊的でコストのかかるイベントの1つであり続けています。重要な地下回路における計画外の障害は、障害位置特定、掘削、接続、および交換を必要とし、多くの場合数日間続き、顧客へのサービス中断による多額の罰金が発生します。ケーブルフリートの経年劣化と負荷の増加に伴い、継続的な監視は贅沢品から必需品へと移行しました。

継続的なケーブル監視を可能にする技術の中で、分散型光ファイバーセンシング（D-FOS）は最も成熟し、広く展開されているものの1つとして浮上しています。数カ所の温度やひずみを測定する従来のポイントセンサーとは異なり、単一の光ファイバーがケーブルルート全体にわたって連続センサーとして機能します。この記事では、D-FOSの仕組み、なぜ電力ケーブルの電磁環境に適しているのか、主な測定技術（DTS、DAS、分散型ひずみセンシング）、どこで応用されているのか、そしてより広範なケーブル状態監視戦略にどのように適合するのかを検証します。

2. 分散型光ファイバーセンシングとは？

従来の電気式温度センサーまたはひずみセンサーはポイントデバイスです。つまり、1つの場所で1つのパラメータを測定します。50メートルごとにポイントセンサーを使用して5kmのケーブルを監視する場合、オペレーターはそれぞれ独自の配線、電源、信号調整を備えた100個のセンサーを必要とします。分散型光ファイバーセンシングは根本的に異なるアプローチを採用しています。光ファイバー自体がセンサーです。

典型的なD-FOSシステムでは、短いレーザーパルスがファイバーに打ち込まれます。パルスが伝播するにつれて、ガラス分子と相互作用し、後方散乱光を生成します。後方散乱光の特性（強度、周波数シフト、偏光）を往復伝播時間関数として分析することにより、装置はファイバー全体の測定量の空間的に連続的なプロファイルを導き出します。基本的な信号チェーンは次のとおりです。

1. 光ファイバーに打ち込まれたレーザーパルス
2. テスト中のファイバーに沿って伝播するパルス
3. 後方散乱光（ラマン、レイリー、またはブリルアン）がインターロゲーターに戻る
4. 信号分析により、後方散乱特性が物理量に変換される
5. メートルスケールの間隔で温度、ひずみ、または音響プロファイルが生成される
6. 分散型プロファイルからケーブルの状態が評価される

結果は分散型の測定です。1本のファイバー、1台のインターロゲーター、およびケーブル長に沿って数千の測定ポイント（通常は0.5〜2メートルごと）、技術に応じて最大50km以上の距離にわたって測定されます。

3. 光ファイバーセンシングが電力ケーブルに適している理由

いくつかの特性により、光ファイバーは高電圧ケーブルシステムの電磁環境にユニークに適合しています。

• 電気絶縁:ファイバーは誘電体です。電流を流さず、測定点での電気的電源を必要としないため、高電圧導体の隣に配線する際の安全上の懸念が解消されます。
• 電磁干渉耐性:従来の電気センサー（熱電対、RTD、CT）は、スイッチング過渡現象、インバータ高調波、および故障電流からの電磁干渉の影響を受けやすいです。信号は電気ではなく光であるため、光ファイバーはこれらのフィールドに対して免疫があります。
• 受動的なセンシングエレメント:フィールドには電子機器、バッテリー、または送信機は設置されていません。唯一のフィールドハードウェアはファイバー自体であり、メンテナンスを必要とせず、アクティブな電子センサーのように経年劣化しません。
• 長距離監視:単一のインターロゲーターユニットで最大数十キロメートルのファイバーを監視でき、片端からケーブル回路全体をカバーできます。
• 高い空間分解能:温度またはひずみはサブメートルからメートルの間隔で報告され、数十メートル間隔のポイントセンサーでは見逃される局所的なホットスポットを解決します。
• リアルタイム連続測定:プロファイルは、技術と平均時間に応じて、数秒から数分ごとに更新され、遅いトレンドと過渡イベントの両方を捉えます。

要するに、ファイバーは変電所やスイッチルームの電気センサーを悩ませるノイズを拾わず、センサーが設置された数カ所だけでなく、ケーブルのすべてのメートルを測定します。

4. 分散型温度センシング（DTS）

分散型温度センシングは、電力ケーブル向けの最も成熟し、広く展開されているD-FOS技術です。光ファイバーの全長に沿って温度を測定します。

4.1 物理原理：ラマン散乱

レーザーパルスが光ファイバーを伝播すると、光のごく一部が光源に向かって後方散乱されます。関連する3つの散乱メカニズムがあります。

• レイリー散乱:密度変動による弾性散乱。後方散乱光は光源と同じ波長を持ちます。OTDRおよびDASの基礎を形成します。
• ラマン散乱:分子振動による非弾性散乱。2つのスペクトルバンドを生成します。ストークス（長波長、低エネルギー）と反ストークス（短波長、高エネルギー）。反ストークス強度は温度に強く依存しますが、ストークス強度は依存しません。反ストークス光とストークス光の比率は、局所的な温度を直接エンコードします。
• ブリルアン散乱:音響フォノンによる非弾性散乱。周波数シフト（ブリルアンシフト）は、温度とひずみの両方に依存します。BOTDR/BOTDA技術の基礎を形成します。

DTS装置は、狭いレーザーパルスを打ち込み、波長フィルターを使用して後方散乱光をストークス成分と反ストークス成分に分離し、往復時間関数としてそれらの強度比を測定します。時間遅延はファイバーに沿った距離に変換されます。結果は、ケーブルのすべてのメートルで連続的に更新される温度プロファイルT（z）です。

4.2 主要なパフォーマンスパラメータ

• 空間分解能:通常0.5〜2m。温度ステップが解決される距離。
• 温度精度:通常±0.5°C〜±1°C。参照バスに対して校正済み。
• 測定範囲:ファイバーの種類と平均化に応じて、インターロゲーターチャネルあたり最大30〜50km。
• 測定間隔:必要なSNRと距離に応じて、数秒から数分。

5. ケーブルホットスポットの検出

ホットスポットとは、ケーブル温度が周囲のルートよりも数度高い局所的な領域です。ホットスポットは、絶縁体の経年劣化を加速し、対処されない場合は早期故障につながる可能性があるため重要です。一般的な原因は次のとおりです。

• 過負荷:ケーブルの許容電流を超える持続的な負荷。
• 熱放散不良:ダクトの詰まり、熱抵抗の高い埋め戻し、または近接して負荷がかかったケーブルグループ。
• ケーブルジョイントの問題:ジョイントでの接触不良による局所的な抵抗加熱。
• 土壌熱抵抗:直接埋設ケーブル周辺の乾燥または不十分な締固め土壌は、熱伝達を低下させます。
• 局所的な損傷:ジャケットの損傷または水の浸入は、局所的な熱特性を変化させます。

DTSは5つのステップでホットスポット検出に対応します。ルートに沿って温度プロファイルを継続的に測定します。温度が設定されたマージンで周囲のベースラインを超える領域を特定します。ホットスポットを1メートル以内に局在化します。その温度が時間とともにどのように変化するかを追跡します。設定されたしきい値を超えたときにアラームをトリガーします。これにより、保守担当者は、疑わしいルート全体を掘削するのではなく、特定の場所（詰まったダクトをクリアする、疑わしいジョイントを検査する、または負荷を減らす）を調査できます。対照的に、定期的なオフラインテストでは、通常、導体温度をまったく測定できず、埋設ケーブルのすべてのメートルに沿って測定することは間違いなくできません。

6. 分散型音響センシング（DAS）

分散型音響センシングは、同じ光ファイバーを使用して、ルートに沿って振動および音響信号を測定します。技術的な基盤は位相感度OTDR（φ-OTDR）です。コヒーレントレーザーパルスが打ち込まれ、後方散乱光の位相変化（外部振動によるファイバーのひずみが原因）が各位置で測定されます。

DASはDTSとは根本的に異なります。DTSがゆっくりと温度を測定するのに対し、DASは毎秒数千サンプルのサンプリングレートで振動を測定します。これは、第三者干渉監視（ケーブルルート付近での掘削または掘削）、機械的擾乱の検出、ケーブル設置および牽引力の監視、外部衝撃の検出に使用されます。電力ケーブルの文脈では、DASは通常、絶縁状態を評価するためではなく、機械的損傷からケーブルを保護するために展開されます。

この区別は重要です。DTSは「どこで、どれくらい熱いか？」に答えます。DASは「ルートに沿って何が起こっているか？」に答えます。これらは補完的であり、相互に交換可能ではありません。

7. その他の分散型光ファイバーセンシング技術

DTSおよびDAS以外に、ケーブル監視に関連する2つのその他の分散型技術があります。

電力ケーブルの熱監視では、DTSが依然として主力です。BOTDRベースのひずみセンシングは、地盤変動またはケーブル変形が懸念される場合（例えば、地震多発地域または鉄道交差の下など）に使用されます。第三者干渉のリスクがある場合はDASが追加されます。

8. システムアーキテクチャ

電力ケーブル用の典型的な分散型光ファイバー監視システムは、次のコンポーネントで構成されます。

• センシングファイバー:電力ケーブルの隣（または内側）に設置された、頑丈なシングルモードまたはマルチモードの光ケーブル。通常はダクト内、ケーブルに固定、または新しい設置の場合はケーブルジャケットに埋め込まれます。
• 光センシングユニット（インターロゲーター）:変電所のラックまたは耐候性キャビネットに収容されたDTS、DAS、またはBOTDR装置。レーザーパルスを打ち込み、後方散乱を分析します。
• 信号取得とデジタル化:フォトディテクターと高速デジタイザーが、光学リターンをデジタルデータストリームに変換します。
• データ処理:オンボードソフトウェアが、キャリブレーションとノイズリダクションを適用して、後方散乱を温度、ひずみ、または音響プロファイルに変換します。
• 状態監視ソフトウェア:履歴プロファイルを保存し、トレンドグラフを生成し、地理的または模式図上に現在のステータスを表示するサーバーまたはクラウドプラットフォーム。
• アラームシステム:ローカルリレー、SCADA信号、SMS/電子メール通知、または資産管理システムでの作業指示をトリガーするしきい値および上昇率アラーム。
• 制御センターインターフェース:ユーティリティ制御センターのオペレーターダッシュボード。既存のSCADAまたはGISプラットフォームと統合されています。

9. 電力ケーブルシステムにおける応用

• 地下送電ケーブル:ダクトの詰まりやジョイント不良によるホットスポットの特定がコストのかかる、密集した都市ネットワークの110〜500kV回路。
• 地下配電ケーブル:複数のケーブルがダクトバンクを共有し、相互加熱が許容電流を低下させる可能性のある10〜35kVフィーダー。
• ケーブルトンネル:複数の回路を持つ共有トンネル。DTSはケーブルが過熱していないことを確認し、DASは侵入検出を提供します。
• 変電所:アクセスが制限されているケーブル交差、母線接続、および変圧器リードの監視。
• 再生可能エネルギーインフラ:洋上風力発電所のインターアレイケーブル、太陽光発電所の集電回路、およびバッテリー貯蔵接続。リモート監視が不可欠です。
• データセンターおよび産業施設:熱過負荷がダウンタイムに直接影響する電力ケーブルトレイおよびバスダクト。

典型的なエンジニアリングシナリオ

都市電力ネットワークの220kV地下ケーブル回路は、主要道路の下の共有ダクトバンクを8km走行します。頑丈なDTSファイバーが電力ケーブルの隣のダクトに引き込まれ、インターロゲーターは片端の変電所に設置されます。システムは30秒ごとに1メートルごとに温度を測定します。

コミッショニングから6か月後、DTSプロファイルは、夏のピーク負荷期間中に、約4.3km地点で、ルートベースラインよりも9°C高い局所的な温度上昇を示します。トレンドは、ホットスポットが悪化していることを示しています。保守担当者はその場所を調査し、ダクトの上にある排水管が詰まり、ダクトが浸水して熱放散が低下したことを発見します。排水管は清掃され、2週間以内に温度プロファイルは期待されるベースラインに戻ります。ホットスポットは1メートル以内に検出および局在化されました。8kmのルート全体を掘削することなく。

これは、DTSが連続温度プロファイルを特定の保守アクションにどのように変換するかを示す典型的なエンジニアリングシナリオです。特定のプロジェクトを参照するものではありません。

10. D-FOS vs 従来のポイントセンサー

ポイントセンサーは、単一の明確に定義されたポイント（特定のジョイントや変圧器リードなど）が局所的な監視を必要とする場合、または予算が完全な分散カバレッジを制限する場合に依然として適切です。長距離ケーブルルートの場合、D-FOSはポイントセンサーでは提供できない連続的な画像を提供します。

11. 電力ケーブル状態監視における役割

分散型光ファイバーセンシングは、完全なケーブル状態評価プログラムの1つのレイヤーです。他の診断技術を置き換えるものではなく、そのように提示されるべきではありません。

• DTS温度を測定し、熱ホットスポットを検出します。絶縁体の劣化を直接測定しません。
• 部分放電（PD）監視DTSが見る前に過熱を引き起こすまで、内部絶縁欠陥（空隙、層間剥離、水ツリーなど）を検出します。
• TDR障害位置特定障害発生後のケーブル障害の位置を特定します。D-FOSは熱状態を監視しますが、電気的障害を特定しません。
• VLF hipotおよび診断テスト過電圧を印加し、絶縁状態を定量的に評価するためにTan Deltaをオフラインで測定します。
• 絶縁抵抗試験定期メンテナンス中に基本的な絶縁整合性を検証します。

成熟した状態監視プログラムは、これらの技術を組み合わせています。DTSは継続的な熱的認識を提供します。PD監視は絶縁欠陥認識を提供します。オフラインVLFおよびTan Deltaテストは定期的な定量的評価を提供します。TDR/アーム障害ロケーターは障害発生時に障害を特定します。各技術は異なる質問に答えます。

12. 制限事項とエンジニアリング上の考慮事項

D-FOSは万能のソリューションではありません。エンジニアリングチームは以下の点を考慮する必要があります。

• 設置の複雑さ:既存のダクトに専用のセンシングファイバーを引き込むにはアクセスが必要です。稼働中のケーブルの場合、後付けは困難な場合があります。新しいケーブルは、製造中にファイバーをジャケットに統合できます。
• ファイバーの配置:ファイバーはケーブルと熱的に結合している必要があります。隣に敷設するか、間隔を置いて固定するか、または埋め込みます。不十分な結合（例：別個のダクト内のファイバー）は、温度精度を低下させます。
• 初期システムコスト:インターロゲーターユニットと頑丈なファイバーは、ポイントセンサーよりも高い資本コストがかかりますが、長期的な設置およびメンテナンスの労力は低くなります。
• データ解釈:温度プロファイルにはエンジニアリングの判断が必要です。上昇トレンドは、過負荷、ダクトの詰まり、またはジョイントの故障を示している可能性があります。オペレーターは、それを正しく解釈するためにベースラインデータとトレーニングが必要です。
• 環境条件:ファイバーの性能は、放射線、曲げ損失、コネクタ内の水の浸入の影響を受けます。フィールドジョイントには慎重なシーリングが必要です。
• 統合:データは、単に専用画面に表示されるだけでなく、アクション可能にするためにSCADA、GIS、および資産管理システムに統合する必要があります。
• メンテナンス:インターロゲーターとフィールドコネクタは、定期的な校正と検査が必要です。

13. 将来のトレンド

• AI支援分析:機械学習モデルが熱異常を自動的に分類し、通常の季節的または負荷駆動の温度変動から実際のホットスポットを区別します。
• 予知保全:DTSトレンドと負荷履歴およびケーブル熱モデルを組み合わせることで、残りの熱寿命を予測し、メンテナンスウィンドウを推奨します。
• デジタルツイン:ライブDTS、PD、および負荷データで供給されるケーブル回路の仮想レプリカは、さまざまな負荷シナリオでの動作をシミュレートします。
• マルチパラメータセンシング:単一のファイバーが、温度（ラマン）、ひずみ（ブリルアン）、および音響（レイリー）データを同時に提供し、1つの監視プラットフォームに統合されます。
• クラウドベースのリモート診断:複数の変電所のインターロゲーターが、回路間のベンチマーキングとベンダー専門家レビューのために中央クラウドプラットフォームにプロファイルを送信します。
• スマートグリッド統合:D-FOSデータは配電管理システムにフィードされ、保守的な設計仮定ではなく、実際に測定された導体温度に基づいて動的な許容電流調整を可能にします。

14. 結論

分散型光ファイバーセンシングは、電力ケーブルオペレーターに、ポイントセンサーや定期的なオフラインテストでは達成できない、ケーブルルート全体の熱的および機械的状態の連続的で分散型の測定を提供します。DTSはホットスポットを検出し、数メートル以内に局在化します。DASは第三者干渉を監視します。ブリルアンベースのシステムはひずみを測定します。これらを組み合わせることで、早期警告を提供し、資産の可視性を向上させ、予知保全の意思決定をサポートします。

最新のケーブルメンテナンスには、複数の診断技術を連携させる必要があります。光ファイバーセンシングは温度と機械的擾乱を監視します。部分放電とオフラインVLFテストは絶縁状態を評価します。TDRとアーム障害ロケーターは障害発生時に障害を特定します。単一の機器が他の機器を置き換えることはありません。XZH TESTは、ケーブル障害検出、絶縁テスト、状態評価、およびメンテナンスのための専門的な電力ケーブルテストおよび診断ソリューションを提供し、オペレーターが完全なケーブルヘルスプログラムを構築するのを支援します。

XZH TESTについて

XZH TEST（西安徐志輝機電科技有限公司）は、ケーブル障害ロケーター、TDRプリロケーター、VLF ACハイポットテスター、部分放電検出装置、および関連するケーブル診断機器を製造しています。製品は、フィールドでの耐久性、測定精度、および国際テスト標準との互換性に合わせて設計されており、ユーティリティ、産業、および再生可能エネルギーのケーブルメンテナンスプログラムをサポートしています。

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