BR112016020208B1

BR112016020208B1 - Método de determinar características térmicas de subsuperfície terrestre sobre uma área

Info

Publication number: BR112016020208B1
Application number: BR112016020208-2A
Authority: BR
Inventors: David W. Purnhagen; Chunchuan Xu; Paul A. Alex
Original assignee: Underground Systems, Inc
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2022-03-29
Also published as: CA2940400A1; PL3114447T3; EP3114447A4; CN106104238A; MX2016011512A; CN106104238B; ES2786307T3; KR20160129047A; BR112016020208A2; JP6367354B2; MX362611B; CA2940400C; US9638586B2; EP3114447B1; US20150253458A1; DK3114447T3; EP3114447A1; WO2015134142A1; KR102356268B1; JP2017510799A

Abstract

método de determinar características térmicas de subsuperfície terrestre sobre uma área trata-se de conjuntos de procedimentos para gerar características térmicas de subsuperfície terrestre sobre uma área que inclui coletar dados climáticos e dados terrestres em tempo real para uma pluralidade de localizações associadas a um cabo elétrico subterrâneo e calcular propriedades térmicas terrestres na pluralidade de localizações com base nos dados climáticos em tempo real e nos dados terrestres medidos por um processo iterativo. as propriedades térmicas terrestres calculadas em duas ou mais dentre a pluralidade de localizações são interpolados para determinar propriedades térmicas terrestres interpoladas em outra localização associada ao cabo elétrico subterrâneo e um mapa de propriedade térmica de área ampla criado a partir de pelo menos algumas dentre as propriedades térmicas terrestres e as propriedades térmicas terrestres interpoladas calculadas.

Description

ANTECEDENTES 1. CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] Esta invenção refere-se a um mapa térmico terrestre de subsuperfície de área ampla dinâmica, que pode melhorar a precisão de classificações de cabo de potência subterrâneo em geral, assim como sistemas de classificação dinâmica e sistemas de detecção de vazamento de fluido para cabos de potência em particular. Um mapa terrestre de subsuperfície de área ampla dinâmica também pode ser utilizado para melhorar o desempenho de sistemas de detecção de vazamento e monitoramento de tubulação de óleo e gás, análise de bomba de calor, etc.

2. DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[0002] A capacidade de transmissão de potência elétrica de cabos subterrâneos é limitada pela temperatura de condutor permissível máxima. Se a temperatura de condutor exceder a temperatura de condutor permissível máxima, o cabo dielétrico será danificado, deteriorará e falhará, por fim. A temperatura de condutor resulta a partir do calor gerado pelo cabo e pela habilidade das adjacências de dissipar esse calor, elevando-se, assim, a temperatura acima da temperatura ambiente terrestre na profundidade do cabo.

[0003] Tipicamente, as condições térmicas terrestres de pior caso são estimadas e usadas para calcular a classificação “estática” ou “literária” para cabos subterrâneos. Geralmente, as condições térmicas conservativas e de pior caso não são realizadas na prática e a capacidade de corrente de cabo subterrâneo é mais alta que a “classificação literária” conservativa com uso de parâmetros estimados.

[0004] O quão eficaz as adjacências (solo nativo, preenchimento térmico, ou banco de duto de concreto) podem afastar o calor do cabo é determinado pela temperatura de solo, resistividade térmica de solo e capacidade calorífica volumétrica de solo. Uma maneira de obter a temperatura de solo é medir a mesma com sensores de temperatura discreta enterrados no solo. A resistividade térmica e a capacidade calorífica volumétrica do solo também podem ser medidas in situ por instrumentos comercialmente disponíveis. Entretanto, visto que é dispendioso instalar sensores de temperatura no solo, manter e reparar os mesmos, os sensores de temperatura terrestre discreta são frequentemente limitados a apenas poucas localizações para um sistema de cabo de potência típico e frequentemente apenas para circuitos fortemente carregados de tensão mais alta. Portanto, suposições arbitrárias, até o momento, devem ser feitas em relação a temperaturas terrestres entre pontos de medição discreta. Os pontos de medição discreta também estão sujeitos à falha e, sem um meio confiável para substituir esses dados, os sistemas dinâmicos em tempo real podem ser seriamente comprometidos. Tomar amostras de solo discretas a diversos pés abaixo da superfície de solo para medições de resistividade térmica e capacidade calorífica volumétrica também é dispendioso e medições podem ser não confiáveis, devido ao fato de que a resistividade térmica e a capacidade calorífica volumétrica mudam com a temperatura de solo e com o conteúdo de umidade dependente do clima. Além disso, propriedades térmicas de solo podem mudar ao longo da rota de cabo.

[0005] Em anos recentes, Sistemas de Medição de Temperatura Distribuída (DTS), que fornecem um perfil térmico ao longo de uma fibra instalada sob a camisa de cabo em dutos adjacentes ou, de outro modo, ao longo da rota de cabo, também foram utilizados independentemente ou em combinação com sensores de temperatura discreta.

[0006] Maneiras mais eficazes e práticas para estimar mais aproximadamente a temperatura de solo, a resistividade térmica de solo e a capacidade volumétrica térmica de solo sem instalar, manter e ler uma quantidade grande de sensores subterrâneos são necessárias para operar sistemas de potência subterrânea de modo seguro, que são tipicamente espalhados por áreas geográficas grandes (cidades) de modo confiável e eficaz.

[0007] É revelado um sistema que estima temperaturas de solo como uma função de profundidade abaixo da superfície sobre uma área ampla com uso de um processo iterativo para “identificar” a temperatura de solo com uso de um mínimo de dados de medição de temperatura de solo de subsuperfície em combinação com dados climáticos a partir de estações climáticas ou serviços climáticos. No processo, esse sistema também usa um processo iterativo para “identificar” resistividade térmica de solo e capacitância térmica de solo que também são usadas pelo sistema de modelagem dinâmica. O sistema “identifica” continuamente ou atualiza os três parâmetros: temperatura de solo, resistividade térmica de solo, e capacidade calorífica volumétrica térmica de solo em tempo real. Com esses dados em tempo real, um mapa de contorno térmico dinâmico geográfico grande em qualquer profundidade pode ser criado para auxiliar as companhias de utilidade de potência e outros usuários na classificação de seus sistemas de cabo de potência subterrâneo de modo mais preciso e em tempo real em uma área geográfica ampla que utiliza um número limitado de medições e dados em tempo real de clima/terra/carga.

[0008] Um método para avaliar as classificações de cabo subterrâneo para um sistema de cabo discreto com base em Detecção de Temperatura Distribuída (DTS) é apresentado em um artigo intitulado “Assessment of Underground Cable Ratings Based on Distributed Temperature Sensing”, IEEE Transactions on Power Delivery, outubro de 2006 por H.J. Li et al. Pontos quentes do sistema de potência são identificados e localizados com o sensor DTS. Informações e dados na construção de cabo e instalação de circuito nos pontos quentes são, então, coletados. O carregamento de cabo e os dados de temperatura DTS são coletados para estimar os parâmetros desconhecidos como a resistividade térmica de solo. O conjunto de procedimentos de Método de Elemento Finito (FEM) é utilizado para resolver duas equações térmicas diferenciais dimensionais para obter os resultados de classificação final.

[0009] Outro modelo para estimar a temperatura ambiente terrestre com uso de entrada de dados climáticos dinâmicos é proposto em um artigo intitulado “Method for Rating Power Cables Buried in Surface Troughs”, IEEE Proc-Gener, Transm, Distrib, volume 146, n° 4, julho de 1999 por P. L. Lewin et al. A temperatura ambiente terrestre é calculada com uso de dados climáticos como temperatura ambiente, velocidade eólica, intensidade solar, etc. com base em parâmetros térmicos constantes supostos.

[0010] Entretanto, os parâmetros térmicos não são atualizados (ou “identificados”) continuamente em qualquer uma das referências acima. No mundo real, esses parâmetros mudam com condições ambientais. Por exemplo, a chuva pode aumentar o teor de umidade no solo, o que resulta em uma resistividade térmica mais baixa.

SUMÁRIO DA REVELAÇÃO

[0011] Vantagens dos conjuntos de procedimentos incluem fornecer dispositivos dinâmicos, assim como sistemas mais precisos, e métodos para determinar as condições térmicas em tempo real e propriedades da terra sobre a área ampla em que cabos de potência subterrâneos e outros dispositivos são enterrados para auxiliar os proprietários do sistema a utilizar esses sistemas de modo mais seguro e eficaz. Após as condições térmicas terrestres e propriedades serem “identificadas”, a potência permissível máxima que o sistema pode entregar, isto é, a classificação é calculada. As classificações calculadas com uso de condições terrestres determinadas por esse método podem ser mais altas ou mais baixas que as classificações com base no caso de condições térmicas estimadas, mas as mesmas serão mais precisas. Adicionalmente, o sistema também pode computar temperatura condutora em tempo real e enviar alarmes ao centro de controle antes da temperatura de condutor exceder a temperatura de operação máxima permissível.

[0012] Os conjuntos de procedimentos revelados e cálculos podem ser usados para determinar classificações estáticas ou classificações dinâmicas para o condutor elétrico. Uma classificação estática fornece um número único para capacidade de portar corrente de um cabo elétrico para um dado conjunto de condições - temperatura ambiente, características térmicas terrestres, etc. - associadas ao condutor. Uma classificação dinâmica muda constantemente com mudanças no conjunto de condições que agem no cabo elétrico.

[0013] Em um aspecto, o método para determinar características térmicas de subsuperfície terrestre sobre uma área inclui coletar dados climáticos e dados terrestres em tempo real para uma pluralidade de localizações associadas a um cabo elétrico subterrâneo e calcular propriedades térmicas terrestres na pluralidade de localizações com base nos dados climáticos e nos dados terrestres em tempo real por um processo iterativo. As propriedades térmicas terrestres calculadas em duas ou mais dentre a pluralidade de localizações são interpolados para determinar propriedades térmicas terrestres interpoladas em outra localização associada ao cabo elétrico subterrâneo e um mapa de propriedade térmica de área ampla criado a partir de pelo menos algumas dentre as propriedades térmicas terrestres e as propriedades térmicas terrestres interpoladas calculadas.

[0014] Em outro aspecto, o método inclui sobrepor fontes de calor e dissipadores de calor que afetam as propriedades térmicas terrestres associadas ao cabo elétrico subterrâneo no mapa de propriedade térmica de área ampla e fornecer continuamente dados climáticos e dados terrestres em tempo real para fornecer um mapa tridimensional térmico dinâmico de área ampla de propriedades térmicas terrestres em profundidades na pluralidade de localizações. As propriedades térmicas terrestres podem incluir capacidade calorífica volumétrica de solo e resistividade térmica de solo.

[0015] O processo iterativo para calcular as características térmicas terrestres inclui, para uma ou mais localizações selecionadas a partir da pluralidade de localizações, realizar as etapas para calcular dados de temperatura ambiente terrestre com base nos valores de propriedades térmicas terrestres e nos dados climáticos em tempo real e coletar a temperatura ambiente terrestre medida em tempo real a partir de dispositivos de medição de temperatura ambiente terrestre. Os dados de temperatura ambiente terrestre calculados são comparados com os dados de temperatura ambiente terrestre medidos e um valor de erro determinado com base na comparação. Com base na etapa de determinação, os valores para as propriedades térmicas terrestres são ajustados e os dados de temperatura ambiente terrestre calculados são recalculados com uso dos valores ajustados para propriedades térmicas terrestres. O processo para comparar os dados de temperatura ambiente terrestre calculados com a temperatura ambiente terrestre medida em tempo real, ajustar as propriedades térmicas terrestre, e recalcular os dados de temperatura ambiente terrestre calculados é repetido até que o valor de erro esteja dentro de um valor predeterminado.

[0016] As classificações de potência que incluem corrente de segurança que portam ampacidades para o cabo elétrico subterrâneo podem ser determinadas com base no mapa tridimensional dinâmico de área ampla gerado e sinais de advertência podem ser gerados quando mudanças nas propriedades térmicas terrestres resultam em mudanças nas propriedades térmicas terrestres que afetam a corrente de segurança que porta a ampacidade do cabo elétrico subterrâneo.

[0017] Uma vantagem do conjunto de procedimentos revelado pode ser a de estimar o perfil de temperatura de subsuperfície de ambiente terrestre de área ampla primariamente com uso de dados climáticos inseridos com parâmetros terrestres derivados a partir de um número limitado de estações climáticas equipadas com temperaturas de solo de subsuperfície independentes, ou estações climáticas independentes, ou dados a partir de fornecedores de serviço climático.

[0018] Outra vantagem do conjunto de procedimentos revelado pode ser a de fornecer uma medição e procedimento de cálculo para derivar parâmetros terrestres com uso de condições climáticas e temperaturas terrestres em tempo real.

[0019] Outra vantagem do conjunto de procedimentos revelado pode ser de calcular as classificações de cabo com base nas propriedades terrestres derivadas e temperatura terrestre calculada e medida.

[0020] Outra vantagem do conjunto de procedimentos revelado pode ser a de construir um mapa de contorno térmico terrestre de área ampla em várias profundidades com base nos parâmetros terrestres derivados e ar ambiente e outros dados climáticos inseridos. O contorno de terra de área ampla permitirá que as companhias de utilidade de potência avaliem o estado de sua rede de sistemas de cabo de potência subterrâneo na área ampla ou se circuitos têm ou não sensores de temperatura discreta.

[0021] Outra vantagem do conjunto de procedimentos revelado pode ser a de utilizar completamente sistemas “DTS” e outras medições de temperatura de superfície de condutor ou cabo estabelecendo-se um virtual perfil térmico ambiente terrestre ao longo do eixo geométrico do cabo.

[0022] Os vários recursos são apontados nas reivindicações anexas e formam uma parte da revelação. Vantagens da presente invenção são explicadas durante o curso de uma descrição detalhada do sistema inovador definido no presente documento abaixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0023] A Figura 1 é um diagrama de blocos do sistema, de acordo com a presente invenção, para monitorar dinamicamente as propriedades térmicas de área ampla alimentando-se dados climáticos e terrestres em tempo real com uso de um conjunto de procedimentos com base em clima.

[0024] A Figura 2 é um diagrama que ilustra como condições terrestres podem ser retroadaptadas por uma rota que não tem estações terrestres com uso de dados climáticos medidos com o auxílio de um motor de Sistema de Informações Geográficas (GIS).

[0025] A Figura 3 é um diagrama que ilustra tipos diferentes de sensores de temperatura e árvores terrestres.

[0026] As Figuras 4A a 4B são um diagrama que ilustra um modelo acionado por clima que pode ser usado para calcular a temperatura ambiente terrestre com entrada de dados climáticos.

[0027] A Figura 5 ilustra o uso de um modelo acionado por clima para estimar propriedades térmicas terrestres com uso de dados climáticos e entrada de temperatura ambiente terrestre medida.

[0028] A Figura 6 é um diagrama de sistema que mostra uma organização e uma aplicação de sistema.

[0029] A Figura 7 é um diagrama que mostra uma área com fontes e dissipadores de calor adicionais. Estações climáticas/terrestres são instaladas para efeito de sobreposição de fontes/dissipadores de calor no sistema.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0030] Mais adiante no presente documento, a presente invenção será descrita em detalhes com referência aos desenhos acima. Deve ser notado que termos e vocabulários usados no presente documento não devem ser interpretados como limitados a significados gerais e de dicionário.

[0031] Com referência à Figura 1, o presente conjunto de procedimentos se refere a um método para estimar as condições térmicas terrestres de área ampla em tempo real com uso de dados de temperatura medida em tempo real, dados climáticos. Os dados climáticos e os dados terrestres são coletados na etapa 110 em tempo real por estações climáticas ou fornecidos por fornecedores de serviço de dados climáticos para localizações em relação a um cabo subterrâneo. Os dados terrestres em tempo real vêm de dispositivos de medição de temperatura ambiente terrestre como uma árvore terrestre ou Sensores de Temperatura Distribuída (DTS). Os dados climáticos reunidos podem ser fornecidos ao módulo de cálculo acionado por clima na etapa 120, o que resulta em dados de temperatura ambiente terrestre calculados por um processo iterativo descrito em mais detalhes abaixo. Comparando-se os dados de temperatura ambiente terrestre calculados com os dados de temperatura ambiente terrestre medidos em tempo real, as propriedades térmicas terrestres podem ser identificadas para as localizações com dados climáticos e terrestres. Na etapa 130, os valores calculados em tempo real a partir de localizações próximas são interpolados, de modo que um mapa de propriedade térmica de área ampla possa ser criado com utilização do Sistema de Informações Geográficas (GIS) ou algum outro conjunto de procedimentos de mapeamento. A seguir, na etapa 140, sobrepondo-se fontes de calor e dissipadores de calor que afetam o cabo subterrâneo no mapa e alimentando-se continuamente os dados climáticos e terrestres em tempo real no modelo em tempo real, um mapa tridimensional térmico dinâmico de área ampla completo é alcançado, o qual, na etapa 150 pode ser usado para aplicações como classificações de cabo de potência, planejamento de sistema, detecção de vazamento de fluido de cano, etc. Com condições terrestres em tempo real conhecidas, as classificações de cabo em tempo real podem ser calculadas. Os sinais de advertência podem ser gerados mediante a ocorrência de condições terrestres perigosas devido, por exemplo, ao clima extremamente seco e quente. Em resposta, os sistemas de entrega de potência subterrânea podem ser operados para ampacidades de segurança máxima (capacidade de portar corrente).

[0032] Conforme discutido acima, o método acionado por clima para determinar propriedades térmicas terrestres na etapa 120 é alcançado por um processo iterativo 160. No processo iterativo, dados climáticos em tempo real são coletados na etapa 162. Os dados climáticos em tempo real são fornecidos na etapa 164 para uma localização a um cálculo acionado por clima para determinar uma temperatura ambiente terrestre na etapa 166. Na etapa 168, a temperatura ambiente terrestre medida em tempo real verdadeira é coletada a partir de estações terrestres que incluem árvores terrestres e/ou DTS para a localização. Na etapa 170, a temperatura ambiente terrestre medida em tempo real verdadeira coletada na etapa 168 é comparada à temperatura ambiente terrestre calculada determinada na etapa 166. Se a diferença entre a temperatura em tempo real e a temperatura calculada não estiver dentro de um valor de erro predeterminado, então, as propriedades térmicas terrestres, que incluem valores para capacidade calorífica volumétrica de solo e resistividade térmica de solo, usados no cálculo acionado por clima, são ajustadas na etapa 172. Essa comparação iterativa na etapa 170 continua até que a temperatura ambiente terrestre em tempo real e a temperatura ambiente terrestre calculada estejam dentro do valor de erro predeterminado. Se for o caso, na etapa 174, o método acionado por clima identificou as propriedades térmicas terrestres em tempo real. Um método para calcular a temperatura ambiente terrestre com uso dos dados climáticos em tempo real e as propriedades térmicas terrestres é discutido adicionalmente em relação à Figura 4.

ESTIMATIVA DE CONDIÇÃO TERRESTRE GLOBAL

[0033] Antes de voltar-se para uma descrição dos detalhes do sistema, é útil entender o conceito de estimativa de condição terrestre de área ampla e como tais condições podem afetar um sistema de entrega de potência subterrânea. O sistema de entrega de potência subterrânea é amplamente distribuído e devido a condições de instalação complexas e o fato de que o sistema é enterrado de modo subterrâneo, é extremamente dispendioso instalar e monitorar os sensores de temperatura para estabelecer a temperatura ambiente terrestre apropriada ao longo de todo o sistema inteiro. Sistemas de cabo de transmissão de tensão alta podem ter inúmeros sensores de temperatura discreta instalados na camisa de cabo ou no cano de cabo e, esporadicamente, em um sensor de temperatura terrestre remoto. O volume do sistema de transmissão e distribuição subterrânea é o componente de distribuição em tensões abaixo de 100 kV e a prática padrão é não instalar sensores na camisa de cabo, etc. Os sensores de temperatura, como termopares, são instalados em localizações selecionadas ao longo da rota de cabo identificada analisando-se desenhos de perfil plano aumentado por informações de estratigrafia de solo e dados de pesquisa de propriedade térmica de solo genérica ou discreta para identificar se pontos quentes críticos podem existir. Sem um modelo de estimativa de terra de área ampla, a maioria das seções do sistema de cabo de potência subterrâneo não tem dados de propriedade térmica de temperatura e solo para avaliar suas ampacidades e dependem quase exclusivamente em estimativas que criar uma incerteza significante e podem levar à falha catastrófica no momento mais inapropriado (cargas contingentes durante condições secas/quentes ambientalmente extremas). Como um exemplo, com referência à Figura 2, a rota de cabo 1 tem estações terrestres existentes nas localizações A, E e G. O cabo 2 não tem estações terrestres e não pode ser facilmente retroadaptado devido à permissão de grau inferior e acesso de rota. Em contraste, estações climáticas de grau superior podem ser prontamente adicionadas dentro da região de interesse em localizações B, C, D e F. Com uso de um motor GIS comercial, um mapa de contorno térmico relativamente detalhado da região pode ser gerado com uso de algoritmos de interpolação. O mesmo não apenas é um perfil térmico melhorado do cabo 1 obtido, mas um perfil térmico razoavelmente preciso do cabo 2 é gerado para o sistema de entrega de potência subterrânea. Há diversos fatores principais que determinam a ampacidade de sistema, como carregamento de corrente de cabo, construção de cabo, instalação, propriedades térmicas do solo circundante, a temperatura ambiente, etc. Dentre esses fatores, propriedades térmicas de solo e a temperatura ambiente variam continuamente com o clima. Em outras palavras, a ampacidade de sistema é dinâmica. Com o sistema de estimativa de condição de terra de área ampla, as propriedades térmicas de solo e temperatura ambiente em uma área grande podem ser estimadas em que, desse modo, a ampacidade dos vários sistemas de cabo de potência discretos naquela área ampla pode ser avaliada em tempo real, mesmo onde não houver sensores de temperatura para certas rotas ou que sensores de temperaturas estejam fora de serviço. Adicionalmente, acumulando-se dados durante um período de tempo, as propriedades térmicas de áreas monitoradas podem ser identificadas, e esses dados podem ser fornecidos para otimizar o modelo de projeto de cabo, a construção e a instalação para maximizar as ampacidades de cabo de novos sistemas de cabo de potência.

SENSORES DE TEMPERATURA

[0034] Os sensores de temperatura de ponto, assim como sensores de temperatura distribuída, podem ser usados para medições de temperatura terrestre. Outros tipos de dispositivos de detecção também podem ser usados para medições de temperatura para a estimativa de condição terrestre.

[0035] Com referência à Figura 3, uma vantagem de dispositivos de detecção de temperatura de ponto 304 é que tais sensores podem ser facilmente instalados em localizações críticas e diversos sensores de temperatura de ponto 306a a 306n podem ser instalados em uma localização particular em profundidades diferentes que formam uma “árvore terrestre” 306 para coletar temperaturas de solo em profundidades diferentes abaixo do nível de solo 302. O sistema de estimativa de condição é mais robusto e preciso com sensores de temperatura de ponto 304 que sensores de temperatura distribuída (DTS) devido ao fato de que há múltiplos sensores 306a a 306n em uma localização. Adicionalmente, a instalação de sensores de temperatura em profundidades diferentes torna a estimativa de propriedade térmica mais precisa devido ao fato de que o fluxo de calor pode ser observado mais aproximadamente, o que leva a uma determinação mais precisa de parâmetros de propriedade térmica que com um sistema DTS. A flexibilidade também é outra vantagem para sensores de temperatura de ponto quando se lida com localizações críticas. Os sensores de temperatura de ponto também podem ser instalados em profundidades diferentes e espaçamento diferente em relação à superfície de cabo 312 para definir mais aproximadamente e monitorar um ponto quente crítico.

[0036] Uma vantagem de DTS 308, 310 é tal que sistemas podem monitorar o perfil de temperatura continuamente ao longo da rota de cabo inteira. Os pontos quentes de cabo podem ser identificados e monitorados a partir do perfil de temperatura distribuída. Uma desvantagem de um sistema DTS é de que DTS mede o núcleo de cabo ou a proteção de cabo. Enquanto outra fibra pode ser instalada em um duto vazio ou na trincheira de cabo, a relação da fibra adicional com a temperatura terrestre ambiente é propensa a ser desconhecida. Então, uma classificação de cabo ainda tem base em uma temperatura ambiente terrestre suposta e a resistência térmica de superfície de cabo para o ambiente terrestre é assumida. Uma segunda desvantagem dos sensores de temperatura distribuída é de que os mesmos são propensos a uma falha de modo comum; isto é, uma vez que os sensores DTS falham, o sistema de estimativa será interrompido.

[0037] Para ter vantagem em ambos os tipos de sensores de temperatura - DTS e sensores de temperaturas de ponto - para rotas de em que o sensor de temperatura distribuída é instalado, o sensor de temperatura distribuída é usado para estabelecer o perfil de temperatura do cabo ao longo da rota de cabo. A partir do perfil de temperatura, pontos quentes podem ser identificados. Os sensores de temperatura de ponto adicionais podem ser instalados nessas localizações quentes para estimativa de condição térmica de solo discreta. Se esses sensores de temperatura de ponto são monitorados em tempo real, então, a propriedade térmica de solo pode ser identificada em tempo real nessas localizações. Entretanto, não há garantia de que esses cortes transversais térmicos permanecerão como os mais quentes, isto é, as localizações que são mais prováveis a limitar a ampacidade de cabo. Se o ponto quente medido de DTS se move devido a mudanças no carregamento de cabo, de umidade de solo, temperatura, ou fonte ou dissipador de calor adjacente, então, na ausência de um modelo terrestre de área ampla, sensores de temperatura de ponto podem precisar ser instalados para estabelecer a propriedade térmica de ponto quente em tempo real. Os sensores de temperatura de ponto, se não nos pontos quentes identificados de DTS, podem ser calibrados e usados como um padrão para o sistema se o DTS falhar ou estiver, de outro modo, fora de serviço.

TEMPERATURA AMBIENTE TERRESTRE DE ÁREA AMPLA COM BASE EM CLIMA E ESTIMATIVA DE PROPRIEDADE TÉRMICA

[0038] A temperatura ambiente terrestre é um componente de um sistema de classificação dinâmica. Quando um sensor terrestre falha ou é eletricamente ruidoso, os sistemas podem ser comprometidos. O presente conjunto de procedimentos revela um método para substituir os dados ambientes terrestres ausentes ou ruidosos que usam um modelo acionado por clima em combinação com dados disponíveis a partir de sistemas de estimativa de condição terrestre adjacente. As informações podem ser interpoladas entre sistemas de estimativa terrestre (por isso o termo “área ampla”) em vez de depender estritamente em sensores terrestres isolados associados a cada sistema de condição terrestre. A confiabilidade e precisão do sistema de estimativa de condição terrestre podem ser substancialmente melhoradas usando-se a fórmula de interpolação que fornece, desse modo, dados terrestres de temperatura de subsuperfície contínua sobre uma área ampla.

DESCRIÇÃO DO MODELO DE TEMPERATURA TERRESTRE DINÂMICA

[0039] Flutuações anuais e diárias de temperatura ambiente terrestre (solo) são determinadas principalmente por variações em temperatura de ar, radiação solar, velocidade eólica, e razão de cobertura de nuvem. Normalmente, o calor é transferido para a terra no verão e para fora da terra no inverno.

[0040] Um modelo de parâmetro distribuído monodimensional, como ilustrado na Figura 4A, é suficientemente preciso para a estimativa de temperatura fornecida em que os incrementos verticais são pequenos. Os conjuntos de procedimentos de diferença finita ou de elementos finitos também podem ser usados. O modelo consiste em um tubo de fluxo de calor quadrado que se estende verticalmente a partir da superfície terrestre para uma distância abaixo da superfície, em que cerca de 99% da onda térmica cíclica foi dissipada e pode ser considerada como uma temperatura constante, Te. Essa profundidade está tipicamente na faixa de 8 a 15 metros. As superfícies retangulares verticais do tubo de fluxo de calor podem ser consideradas adiabáticas, visto que não se espera que propriedades de solo adjacente e condições variem muito. O equilíbrio de calor de qualquer elemento de incremento (z) pode ser escrito como:

[0041] Em que:

[0042] = fluxo de calor para o elemento, W

[0043] = fluxo de calor fora do elemento, W

[0044] = calor absorvido pela capacidade térmica do elemento, W

[0045] = capacitância térmica, W-s/°C

[0046] = temperatura do elemento, °C

[0047] = tempo,

[0048] Assim, uma rede de escada distribuída da Figura 4B pode ser gerada, em que:

[0049] Em que:

[0050] Ã1 = resistividade térmica do elemento, °C-m/W

[0051] = Δx * Δy = área de corte transversal do elemento, m2

[0052] = altura do elemento, z

[0053] = capacidade térmica volumétrica,

[0054] = volume do elemento, m3

[0055] Um sistema de equações diferenciais lineares que descreve o modelo pode ser escrito conforme a seguir:

[0056] Em que é a derivada dTn/dt em que é aproximada por ΔTn/Δt, e Hs é o calor que flui para dentro e para fora da superfície que inclui Hsol, calor solar, Hcon, fluxo de calor convectivo, e Hlw, calor de radiação de onda longa. Uma solução da presente temperatura em cada nodo Tn é, então, obtida adicionando-se Tn ao arranjo de temperatura Tn-1 da etapa de tempo anterior. O método para integrar ou de avanço é dependente da precisão desejada. Entretanto, um conjunto de procedimentos de Euler acentuado de duas etapas pode ser suficientemente preciso. O procedimento é avançar duas etapas e fazer média dos resultados:

[0057] Os métodos de integração mais precisa, como um procedimento de Runge-Kutta de 6 etapas, também podem ser usados. As condições, na superfície terrestre, também podem ser consideradas. A função de acionamento dominante é a temperatura de ar ambiente. Os fatores adicionais são o carregamento de calor solar Qs, e a radiação Qr e a convecção eólica. A radiação, chamada algumas vezes de “radiação de onda longa”, tende a resfriar a terra à noite quando a cobertura de nuvem não é existente ou aprisiona o calor quando a cobertura de nuvem é alta. A velocidade eólica (»*) pode ser obtida através de um anemômetro. A temperatura de ar ambiente Ta é facilmente obtida com um sensor de temperatura protegido incorporado na estação climática. A radiação solar pode ser medida diretamente por um piranômetro incorporado na estação climática. Isso é preferido sobre uma previsão matemática para a latitude e a longitude particulares, visto que responde por interferência de nuvens ou bloqueio por estruturas próximas. A radiação de onda longa pode ser medida por metros de radiação apontados tanto no céu quanto na superfície de solo ou pode ser calculada com uso da seguinte equação:

[0058] em que Tair é a temperatura de ar ambiente, Tgr é a temperatura de superfície, β é a constante de Boltzmann, e X é o fator de cobertura de nuvem diária. O fluxo calorífico convectivo pode ser computado com uso da seguinte equação:

[0059] Deve ser notado que, nas Equações 7 e 8 acima, alguns parâmetros podem precisar de ajustes para obter resultados melhores, que podem ser feitos após alguns dados serem acumulados. Os dados climáticos podem ser obtidos diretamente a partir das medições de estação climática ou a partir de fornecedores de serviço climático. Os cabos são frequentemente enterrados sob pavimentos e propriedades do pavimento podem ser incluídas nos primeiros diversos elementos do modelo. Isso é prontamente cumprido mudando-se as propriedades dos elementos correspondentes à geometria de pavimento. Se o conhecimento de certo estrato de solo também estiver disponível, então, essas propriedades podem ser modificadas em camadas.

INICIALIZAÇÃO DE ESTIMATIVA DE TEMPERATURA

[0060] O modelo é construído usando-se, inicialmente, parâmetros terrestres medidos, a saber, resistividade (p) e capacidade térmica volumétrica (Cv) ou parâmetros terrestres anteriormente estimados com uso do método descrito abaixo. Quando é instalada a árvore terrestre de subsuperfície, pode ser benéfico reter amostras de solo e realizar análise de laboratório para determinar os valores de p e Cv. Na ausência de parâmetros medidos, linhas guia para selecionar esses parâmetros podem ser constatadas em muitas fontes publicadas (Apêndice B de National Electrical Code (B.310.15(B)(2)), G. S. Campbell Biophysical Measurements and Instruments, Measurement of Soil Thermal Properties and Heat Flux, Volumetric heat capacity, Wikipedia). Uma faixa sugerida de valores é mostrada na Tabela 1:

[0061] Uma temperatura terrestre profunda inicial Te pode ser estimada a partir de informações climáticas históricas e a temperatura de ar anual média pode ser usada como uma estimativa inicial. É possível inicializar todos os nodos no modelo na temperatura terrestre profunda e deixar que o ciclo de retroalimentação de ajuste de parâmetro ajuste automaticamente os parâmetros. Entretanto, devido a constantes de tempo longas, podem ser tomados diversos meses ou até meio ano antes das temperaturas modeladas começarem a rastrear os valores medidos. Outro método de inicialização é o de ajustar a temperatura de ar, o carregamento calorífico solar e a radiação, de modo que as temperaturas calculadas correspondam aproximadamente às temperaturas de subsuperfície medidas quando uma solução de estado estável de Equações (3) for obtida.

MÉTODO DE IDENTIFICAÇÃO DE PROPRIEDADE TÉRMICA TERRESTRE ADAPTÁVEL

[0062] O modelo terrestre descrito acima pode não apenas ser usado para estimar a temperatura ambiente terrestre, como também pode ser usado para estimar propriedades térmicas terrestres. Um esquema de modelagem adaptável ou com base em aprendizagem é usado para atualizar continuamente o modelo, de modo que parâmetros dependentes de clima sejam considerados. O esquema é diagramaticamente ilustrado na Figura 5. As funções de força que acionam o modelo, que consistem em temperaturas de ar medidas, velocidade eólica, entrada e radiação solar são fornecidas para o modelo. Os dados podem ser processados de acordo com as Equações (3) para computar temperaturas terrestres em cada nodo de incremento em cada etapa de tempo. As temperaturas terrestres computadas podem ser comparadas a temperaturas medidas abaixo da superfície de solo que corresponde às temperaturas calculadas em uma localização particular. Se as temperaturas estiverem em concordância, então, as temperaturas terrestres calculadas podem ser passadas ao longo do motor GIS para mapeamento de contorno e para sistemas de classificação dinâmica para cálculos de classificação dinâmica. Se as temperaturas não concordam dentro de um certo valor de erro predeterminado desejado ou permissível, então, os parâmetros de propriedade terrestre de modelo podem ser ajustados para minimizar a diferença entre a temperatura ambiente terrestre calculada e medida na localização particular. O processo inclui separar os parâmetros de resistividade térmica de solo dos parâmetros de capacidade calorífica volumétrica de solo. Os parâmetros de resistividade térmica são modificados para que as temperaturas computadas busquem as magnitudes dos pontos medidos e os parâmetros de capacidade calorífica são ajustados, para que a taxa de mudança das temperaturas computadas correspondam à taxa de mudança dos pontos medidos. O ciclo de retroalimentação pode incluir amortecimento suficiente e banda morta, de modo que ultrapassagem e oscilação não ocorram.

CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA DE ESTIMATIVA DE CONDIÇÃO TÉRMICA TERRESTRE DE ÁREA AMPLA COM BASE EM CLIMA

[0063] O esquema de área ampla é construído por um arranjo de estações de monitoramento. Esses consistem geralmente em estações climáticas e terrestres (WES), estações terrestres (ES) e estações climáticas (WS). A estação climática também pode ser substituída por streaming de dados de fornecedores de serviço de dados climáticos, se disponível. A Figura 6 ilustra uma implementação de um sistema de estimativa de condição térmica terrestre de área ampla com base em clima. Uma ES 602 inclui uma árvore terrestre 602a que mede temperaturas de subsuperfície em diversas profundidades que correspondem frequentemente à faixa máxima de profundidades de cabo. Uma unidade terminal remota 602b pode ser usada para transmitir os dados de árvore terrestre para uma unidade de estimativa de condição terrestre local 608. Uma WS 604 inclui um sensor de temperatura de ar, um piranômetro - um actinômetro, também conhecido como um solarímetro, um anemômetro e um sensor de radiação de onda longa que mede radiação de onda longa proveniente tanto do céu quanto da terra 604a. Uma unidade terminal remota 604b pode ser usada para transmitir os dados de árvore terrestre para a unidade de estimativa de condição terrestre local 608. A WES 606 inclui recursos tanto de WS 606a quanto da instrumentação de ES 606c. Uma unidade terminal remota 606b pode ser usada para transmitir os dados de árvore terrestre para uma unidade de estimativa de condição terrestre local 608. Em estações WES, um procedimento de modelagem dinâmica mais compreensível pode ocorrer com base em dados locais que podem ser obtidos a partir de qualquer um dentre uma ES ou uma WS independentemente. Em localizações que têm uma ES, o modelo dinâmico de ES obtém dados climáticos a partir de estações WS e WES próximas. Em localizações que têm WS, a estação WS completa a análise dinâmica obtendo-se parâmetros de solo atualizados a partir de estações WES e ES próximas. No modelo com base em WS, o ciclo de retroalimentação de ajuste de parâmetro é desabilitado. Em termos de compartilhamento de informações, um sistema de ponderação pode ser empregado, em que classifica as informações com base em (1) proximidade ou similaridade geofísica de localizações, e (2) força ou confiança dos parâmetros calculados, que incluem capacidade calorífica volumétrica de solo, resistividade térmica de solo, e temperatura ambiente terrestre. A força dos parâmetros calculados é a mais alta para estações WES, seguida por estações ES e WE. As informações a partir de serviços climáticos comerciais ou governamentais em tempo real, como SCADA 614, também podem ser integradas nos dados de sistema climático.

[0064] Com referência novamente à Figura 6, com essas localizações de detecção (estações terrestres, estações climáticas, e/ou estações terrestres- climáticas) instaladas em uma área ampla, as propriedades térmicas e as temperaturas ambientais nessas localizações podem ser determinadas. Para as áreas em que não há localizações de detecção, propriedades térmicas e temperatura ambiente podem ser estimadas interpolando-se valores a partir de localizações medidas próximas. Nessa maneira, os dados de condição térmica podem ser determinados para uma área ampla. Com motores de mapa, como um motor GIS 610, dados podem ser exibidos para formar um mapa de contorno térmico subterrâneo 612, conforme mostrado na Figura 2. As classificações de cabo para cabos subterrâneos na rede de área ampla e exibição resultante e sinais de advertência para tais cabos 616 podem ser alojadas no mapa de contorno térmico subterrâneo calculado e dados comerciais em tempo real disponíveis ou governamentais.

SOBREPOSIÇÃO DE FONTES DE CALOR E DISSIPADORES DE CALOR

[0065] Com referência às Figuras 2 e 7, quando é construído um mapa tridimensional de condição térmica terrestre de área ampla com base em clima em tempo real, fatores como fontes de calor adicionais que tendem a adicionar calor, ou dissipadores de calor, que tendem a remover calor a partir de um cabo subterrâneo, também podem ser considerados. Fontes e dissipadores de calor incluem, por exemplo, outros cabos, lagos, rios próximos, etc. As fontes de calor e dissipadores de calor podem afetar a capacidade de portar corrente de um cabo subterrâneo. Uma fonte de calor pode aquecer a terra, o que leva a uma temperatura ambiente terrestre mais alta e a uma resistividade térmica de solo mais alta em áreas afetadas, enquanto o dissipador de calor pode resfriar a terra, o que leva a uma temperatura ambiente terrestre mais baixa e uma resistividade térmica de solo mais baixa. A Figura 7 ilustra três cabos subterrâneos, cabo A, cabo B e cabo C. Para considerar o efeito de uma fonte de calor como um cabo, uma estação climática, uma estação terrestre, ou estações terrestres climáticas, os mesmos podem ser instalados em localizações próximas ao cabo. Por exemplo, cada um dos cabos A a C tem um número de WS, ES, ou WES 702a a 702k em localizações adjacentes aos respectivos comprimentos de cabo. Uma WS, ES, ou WES 702e é instalada próxima a um lago 704, visto que o lago pode afetar os parâmetros de solo associados ao cabo B. Em uma maneira similar, uma WS, ES, ou WES 702b é instalado em uma localização no cabo A em que pode ser afetada por uma fábrica próxima 706. Com os dados em tempo real dessas estações, as temperaturas ambientes terrestres podem ser medidas e propriedades térmicas terrestres podem ser determinadas com uso do algoritmo descrito acima e mostrado na Figura 5. Esses resultados podem ser usados como entrada para motores de mapeamento e, com uso do algoritmo de interpolação, um mapa de condição térmica terrestre de área ampla com base em clima em tempo real revisado que considera fontes de calor e dissipadores de calor pode ser obtido. A mesma coisa pode ser feita a um dissipador de calor, como um cano de água, instalando-se estações de medição em localizações próximas ao cano de água para medir as temperaturas ambientes terrestres afetadas e estabelecendo-se propriedades térmicas terrestres. Subsequentemente, utilizando-se os motores de mapeamento e o algoritmo de interpolação, as fontes de calor e os dissipadores de calor podem ser sobrepostos no mapa de condição térmica tridimensional terrestre de área ampla, o que resulta em um mapa de condição térmica terrestre de área ampla com base em clima em tempo real com as condições climáticas como a força de acionamento. O mapa tridimensional exibe tanto as temperaturas ambientes terrestres quanto as propriedades térmicas terrestres dinamicamente na área ampla e pode ser usado para classificações de cabo de potência e outras aplicações. O mapa tridimensional pode ser usado por utilidades para auxiliar operadores a monitorar seus sistemas de potência subterrânea em tempo real. Os dados de propriedades térmicas de área ampla e de temperatura terrestre ambiente também podem ser usados para calcular a ampacidade dinâmica de dispositivos de potência subterrânea. Quando os valores das propriedades térmicas ou temperatura ambiente excedem o valor predefinido, os sinais de advertência são criados e enviados ao centro de controle para controlar possíveis danos.

[0066] Embora as modalidades preferidas da presente invenção tenham sido reveladas e descritas em detalhes no presente documento, deve ser entendido que esta invenção não é limitada a essas modalidades precisas. Outras modificações e variações podem ser efetuadas por uma pessoa versada na técnica sem se afastar do espírito e escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações anexas.

Claims

1. Método de determinar características térmicas de subsuperfície terrestre sobre uma área caracterizado pelo fato de que compreende: coletar (110) dados climáticos (314, 702) e dados terrestres (306, 308, 310, 602) em tempo real para uma pluralidade de localizações associadas a um cabo elétrico subterrâneo (312); calcular (120) propriedades térmicas terrestres em cada uma dentre a pluralidade de localizações com base nos dados climáticos em tempo real e nos dados terrestres por um processo iterativo (160); interpolar (130) as propriedades térmicas terrestres calculadas em duas ou mais dentre a pluralidade de localizações para determinar propriedades térmicas terrestres interpoladas em outra localização associada ao cabo elétrico subterrâneo; e criar (140, 150, 610) um mapa de propriedade térmica de área ampla a partir de pelo menos algumas dentre as propriedades térmicas terrestres e as propriedades térmicas terrestres interpoladas calculadas.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: Sobrepor (140) fontes de calor (706) e dissipadores (704) de calor que afetam as propriedades térmicas terrestres associadas ao cabo elétrico subterrâneo ao mapa de propriedade térmica de área ampla; e fornecer continuamente os dados climáticos e dados terrestres em tempo real para fornecer um mapa tridimensional térmico dinâmico de área ampla de propriedades térmicas terrestres em profundidades na pluralidade de localizações.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende: calcular classificações de potência de cabo elétrico subterrâneo que incluem corrente segura que porta ampacidades com base no mapa tridimensional dinâmico de área ampla; e em que sinais de advertência são gerados quando mudanças nas propriedades térmicas terrestres resultam em mudanças nas propriedades térmicas terrestres que afetam a corrente de segurança que porta a ampacidade do cabo elétrico subterrâneo.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as propriedades térmicas terrestres incluem capacidade calorífica volumétrica de solo e resistividade térmica de solo.

5. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o processo iterativo compreende, para uma ou mais localizações selecionadas a partir da pluralidade de localizações: (a) calcular (166) dados de temperatura ambiente terrestre com base nos valores de propriedades térmicas terrestres e nos dados climáticos em tempo real em uma ou mais localizações selecionadas; (b) coletar a temperatura ambiente terrestre medida em tempo real a partir de dispositivos de medição de temperatura ambiente terrestre (168) nas uma ou mais localizações selecionadas; (c) comparar os dados de temperatura ambiente terrestre calculados com os dados de temperatura ambiente terrestre medidos em cada uma dentre as uma ou mais localizações selecionadas; (d) determinar um valor de erro com base na etapa de comparação em cada uma dentre as uma ou mais localizações selecionadas; (e) ajustar valores para as propriedades térmicas terrestres em cada uma das uma ou mais localizações selecionadas com base no valor de erro determinado; (f) recalcular os dados de temperatura ambiente terrestre calculados a partir dos dados climáticos em tempo real e os valores ajustados para propriedades térmicas terrestres em cada uma dentre as uma ou mais localizações selecionadas; (g) repetir as etapas (c) a (f) até que o valor de erro esteja dentro de um valor predeterminado em cada uma dentre as uma ou mais localizações selecionadas.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as propriedades térmicas terrestres incluem capacidade calorífica volumétrica de solo e resistividade térmica de solo.

7. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de medição de temperatura ambiente terrestre são uma árvore terrestre (306) ou sensores de temperatura (308, 310) distribuída.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende: identificar localizações de pontos quentes de solo com uso dos sensores de temperatura distribuída; e instalar uma árvore terrestre de sensores de temperatura de ponto nas localizações de ponto quente identificadas para determinar temperaturas terrestres em profundidades diferentes das localizações de ponto quente identificadas.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os dados climáticos e dados terrestres em tempo real são recebidos a partir de estações climáticas ou fornecedores de serviço de dados climáticos.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os dados climáticos em tempo real incluem velocidade eólica, radiação solar, temperatura de superfície terrestre e precipitação pluviométrica.

11. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende: identificar uma ou mais localizações em que propriedades térmicas terrestres são afetadas pelos dissipadores de calor e fontes de calor sobrepostos; e instalar estações de medição nas uma ou mais localizações afetadas para medir temperaturas ambientes terrestres; e calcular propriedades térmicas terrestres nas uma ou mais localizações identificadas.

12. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as propriedades térmicas terrestres calculadas em duas ou mais dentre a pluralidade de localizações são ponderadas com base em (a) se os dados em tempo real são recebidos a partir de uma estação climática, uma estação terrestre, ou uma estação terrestre climática para determinar propriedades térmicas terrestres interpoladas na outra localização, e (b) similaridade entre características terrestres da outra localização com cada uma dentre as duas ou mais dentre a pluralidade de localizações.

13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as classificações de cabo de potência em tempo real são calculadas com base nas propriedades térmicas terrestres em tempo real estimadas.

14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura ambiente terrestre e as propriedades térmicas terrestres usadas para calcular classificações de cabo de potência estática são estabelecidas com base nos dados históricos terrestres de área ampla acumulados.