بحث حول تقنية الكشف وطريقة التحليل للتفريغ الجزئي في مفتاح الدائرة ذو الخزان الأرضي لـ SF6

المفتاح الأرضي من نوع الخزان هو جهاز تحكم وحماية مهم في محطات التحويل وأنظمة الطاقة. يتم استخدامه بشكل أساسي لقطع وإغلاق وحمل تيارات الحمل العادية في الخطوط، ولقطع تيارات القصر أثناء حدوث أعطال في النظام. يتكون من مكونات مثل عناصر القطع، الأدوات العازلة، المحولات الكهربائية من نوع الأدوات العازلة، غرف إخماد القوس الكهربائي، آليات التشغيل، وأغطية الأرض. يقع غرفة إخماد القوس الكهربائي للمفتاح الأرضي من نوع الخزان داخل غلاف معدني مأرض.

تعمل SF₆ كوسط عازل وكامح للقوس الكهربائي للمفاتيح الأرضية من نوع الخزان. في المجال الكهربائي المنتظم، قوة عزلها تقريبا ثلاثة أضعاف الهواء، وقدرتها على إخماد القوس الكهربائي حوالي 100 ضعف الهواء. نتيجة لذلك، يتميز المفتاح الأرضي من نوع الخزان ببنية مدمجة ومنطقة صغيرة. بالإضافة إلى ذلك، توفر المفاتيح الأرضية من نوع الخزان مزايا مثل مركز ثقل معدات منخفض، بنية مستقرة، أداء زلزالي جيد، محولات كهربائية مدمجة، مقاومة قوية للاتساخ، وصيانة سهلة.

ومع ذلك، قد تحدث عيوب عزل خلال تصنيع وتجميع ونقل وتشغيل المفاتيح الأرضية من نوع الخزان بسبب عوامل مثل المعالجة السيئة، الاصطدامات، الصدمات، والعمليات التبديلية. تتضمن العيوب العازلة النموذجية الأجسام المعدنية البارزة على الموصلات أو الأغطية، الكهرباء العائمة، والجسيمات المعدنية الحرة. عندما يصل شدة المجال الكهربائي المركزة عند العيب العازل إلى قوة الانهيار للمجال تحت الجهد الاختباري أو الجهد المقنن، يحدث التفريغ الجزئي (PD). يعتبر التفريغ الجزئي السبب الرئيسي لتدهور العزل ومقدمة لأعطال العزل. لذا، يمكن أن يكشف مراقبة الإشارات التفريغ الجزئي عبر الإنترنت عن عيوب العزل قبل حدوث الفشل، وهو وسيلة حيوية لضمان التشغيل الآمن والاستقرار للمفاتيح الأرضية من نوع الخزان وأنظمة الطاقة.

بناءً على الإشارات الفيزيائية المتولدة أثناء التفريغ، تعد طرق الكشف الرئيسية عن التفريغ الجزئي للمفاتيح الأرضية هي طريقة التيار النبضي، الطريقة فوق الصوتية (AE)، طريقة الجهد الأرضي العابر (TEV)، وطريقة الترددات الفائقة العالية (UHF) [2 - 3]. يجمع هذا المقال بين التجارب العملية والخبرات الميدانية لمراجعة تقنيات الكشف والتحليل المختلفة للتفريغ الجزئي للمفاتيح الأرضية من نوع الخزان SF₆ وملخص خصائص كل طريقة.

طريقة التيار النبضي

عندما يحدث التفريغ الجزئي، ينتج عن حركة الشحنات تيار نبضي يمكن اكتشافه بواسطة جهاز توصيل أو مستشعر تيار متصل في الدائرة الاختبارية. تعتبر طريقة التيار النبضي هي الطريقة الوحيدة المحددة في IEC 60270 ومعايير ذات الصلة لقياس التفريغ الجزئي بشكل كمي. تستخدم الطرق الأخرى بشكل أساسي لكشف موقع التفريغ الجزئي. تتميز طريقة التيار النبضي بحساسية عالية، لكنها معرضة بشدة للتشويش الكهرومغناطيسي في الموقع. لذا، من الضروري استخراج الإشارات الضئيلة للتفرغ من الإشارات المكتشفة. الكمية الفيزيائية التي تمثل حجم التفريغ الجزئي هي الشحنة الظاهرة q والتي يمكن الحصول عليها من خلال الصيغة التالية.

في الصيغة، i(t ) يمثل التيار النبضي للتفريغ الجزئي،Um(t) هو الجهد النبضي،Rm هو قيمة المقاومة المكتشفة، وq هي الشحنة الظاهرة بوحدة pC (بيكو كولوم).

تتناسب طريقة التيار النبضي المستندة إلى مستشعرات التيار مع الكشف عن التفريغ الجزئي عبر الإنترنت. تعمل مستشعرات التيار ذات التردد العالي عادة ضمن نطاق ترددي يتراوح بين 16 كيلو هرتز و 30 ميجا هرتز وهي مصممة ببنية مثبتة على شكل فك تسهل تركيبها في نهاية التأريض للمفاتيح الأرضية من نوع الخزان.

الطريقة فوق الصوتية

يعمل التفريغ الجزئي على توليد صدمات جزيئية قوية، مما ينتج عنه موجات فوق صوتية تنتشر داخل المفتاح الأرضي. يمكن لمستشعرات فوق الصوتية مثبتة على غلاف المفتاح الأرضي اكتشاف إشارات التفريغ الجزئي. تقوم العناصر الكهروضغطية داخل مستشعرات فوق الصوتية بتحويل الإشارات فوق الصوتية الناتجة عن التفريغ الجزئي إلى إشارات جهد يتم بعد ذلك إرسالها إلى دارة الكشف. تتكون دارة الكشف للطريقة فوق الصوتية بشكل رئيسي من مفكك (مستخدم لفصل إشارات مصدر الطاقة عن الإشارات فوق الصوتية)، مكبر للإشارة، ومرشح.

إشارات المجال الزمني والمجال الترددي للموجات فوق الصوتية من التفريغ الجزئي داخل المفاتيح الأرضية من نوع الخزان موضحة في الشكل 2، مع توزيع التردد الرئيسي بين 50 و 250 كيلو هرتز. تتميز الطريقة فوق الصوتية بمزايا مثل التكلفة المنخفضة، التركيب السهل، المقاومة القوية للتشويش الكهرومغناطيسي، وملاءمتها لموقع التفريغ الجزئي. ومع ذلك، فإن بنية العزل الداخلية للمفاتيح الأرضية معقدة، والموجات فوق الصوتية تنتقل ببطء وتتعرض للاضمحلال الكبير في غاز SF₆، مما يتطلب تحديد موقع الكشف الأمثل.

طريقة الترددات الفائقة العالية (UHF)

يكون زمن الصعود وزمن الاستمرارية للنبضات الكهربائية الناتجة عن التفريغ الجزئي على نطاق النانو ثانية، مما يثير موجات كهرومغناطيسية ذات ترددات مكافئة في نطاق الترددات الفائقة العالية بين 300 ميجا هرتز و 3 جيجا هرتز. حالياً، يتراوح نطاق الترددات المكتشفة لمعظم مستشعرات UHF المتاحة في السوق بين 300 ميجا هرتز و 1.5 جيجا هرتز. بسبب ضعف الإشارات وتكرارها المرتفع، تتطلب طريقة UHF تكييف الإشارات الواردة عبر دارات تصفية، دارات تكبير، ودوائر تكامل قبل إرسالها إلى بطاقة التقاط البيانات لتحليلها اللاحق.

وفي الوقت نفسه، عند استخدام طريقة UHF، يجب القضاء على الضوضاء مثل إشارات الاتصال وإشارات تغذية الإضاءة من النواحي البرمجية والعتادية. تتميز طريقة UHF بحساسية عالية، مقاومة قوية للتشويش، وملاءمة لموقع التفريغ الجزئي. نمط التفريغ الجزئي المتعلق بالطور (PRPD) لإشارات UHF من التفريغ الجزئي في الجهد العائم موضح في الشكل 3، والذي يحتوي على معلومات حول سعة التفريغ، الطور، وعدد الظهور.

طريقة الجهد الأرضي العابر (TEV)

عندما تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن التفريغ الجزئي إلى الغلاف المعدني للمفتاح الأرضي من نوع الخزان، يتم توليد تيار مُستَحث على سطح الغلاف، مما يؤدي إلى ظهور جهد أرضي عابر عبر معاوقة الموجة للأرض. يمكن اعتبار مبدأ عمل مستشعر TEV مكافئًا لمجزئ الجهد السعوي. يحدد حدوث التفريغ الجزئي من خلال اكتشاف الجهد عبر المكثف المكافئ بين Electrode المستشعر والطبقة العازلة. إشارات الجهد الأرضي العابر للتفريغ الجزئي داخل المفتاح الأرضي SF₆ موضحة في الشكل 4، مع نطاق التردد الرئيسي بين 1-100 ميجا هرتز. تتميز طريقة TEV بسهولة الاستخدام وعدم الحاجة إلى دائرة كشف إضافية.

طرق تحليل التفريغ الجزئي

تستخدم طرق تحليل التفريغ الجزئي لتقييم مستوى المخاطر للتفريغات، تنقية الإشارات، واستخراج خصائص التفريغ لتصنيف أنواع الأعطال. تشمل هذه الطرق بشكل أساسي طريقة شكل النبضة، طريقة نمط التفريغ الجزئي المتعلق بالطور (PRPD)، طريقة نمط العلاقة بين سعة ثلاثية الأطوار، طريقة النمط الزمني-الترددي، وطريقة الخصائص الإحصائية الزمنية.

تقوم طريقة شكل النبضة بتحليل شكل تفريغ واحد بناءً على معلمات مثل زمن الصعود، زمن الهبوط، عرض النبضة، الكورتوس، والتلت. تقوم طريقة نمط PRPD بتجميع إشارات التفريغ الجزئي تحت الجهد المتردد للتيار المتردد لتحديد توزيع الطور والسعة وعدد الظهور للتفريغات. لذا، تعرف أيضًا باسم طريقة \(\varphi -q -n\). تستخدم طريقة نمط العلاقة بين سعة ثلاثية الأطوار لتحليل التفريغات الجزئية تحت الجهد المتردد ثلاثي الأطوار.

تحصل على خصائص توزيع التفريغ من خلال جمع سعات التفريغ الواحدة تحت جهود مختلفة للأطوار. تقوم طريقة النمط الزمني-الترددي بجمع نبضات التفريغ، وحساب وقتها المكافئ وترددها المكافئ، ورسم نمط توزيع التفريغ في المجال الزمني-الترددي المكافئ. تستخدم طريقة الخصائص الإحصائية الزمنية لتحليل التفريغات الجزئية تحت الجهد المباشر العالي. تقوم بتحليل إحصائي لتوزيع التفريغ بناءً على كمية التفريغ والفترة الزمنية بين نبضات التفريغ.

بالنسبة لموقع التفريغات الجزئية داخل المفاتيح الأرضية من نوع الخزان SF₆، يمكن استخدام طريقة الفرق الزمني المطلق أو طريقة الفرق الزمني النسبي. تستخدم طريقة الفرق الزمني المطلق إشارة نبضة التفريغ الحالي أو إشارة الترددات الفائقة العالية (UHF) كوقت بداية التفريغ. بعد حساب الفرق الزمني بين إشارة فوق الصوتية وإشارة بداية التفريغ، تحدد موقع مصدر التفريغ. تستخدم طريقة الفرق الزمني النسبي عدة مستشعرات فوق صوتية مثبتة في مواقع مختلفة على خزان المفتاح الأرضي. تحدد موقع عيوب العزل من خلال حساب الفرق الزمني بين كل إشارة فوق صوتية والإشارة فوق الصوتية المرجعية.

الخاتمة

يمكن لمراقبة التفريغات الجزئية عبر الإنترنت أن تقيم بشكل فعال أداء العزل للمفاتيح الأرضية من نوع الخزان SF₆ قبل حدوث الأعطال، وهي واحدة من الوسائل الهامة لضمان تشغيلها الآمن والاستقرار. يقوم هذا المقال بمراجعة طرق الكشف والتحليل للتفريغات الجزئية في المفاتيح الأرضية من نوع الخزان، مع الجمع بين الخبرات العملية والميدانية.

خلال التطبيقات الميدانية، يجب استخدام عدة وسائل كشف وطرق تحليل لتحسين دقة وموثوقية المراقبة عبر الإنترنت. وفي الوقت نفسه، وفقًا لمتطلبات بناء إنترنت الأشياء الشاملة للكهرباء، فإن تنفيذ التقنيات الرئيسية مثل الاستشعار اللاسلكي غير النشط، الشبكات اللاسلكية ذات الاستهلاك المنخفض للطاقة، الحوسبة الحافة، والبيانات الكبيرة يمثل اتجاه تطور مستقبلي للكشف عن التفريغات الجزئية للمفاتيح الأرضية من نوع الخزان.