Изследване на технологията за обнаружаване и метода за анализ на частичния разряд в SF6 подов резервоарен прекъсвач
Напълно монтираната танкова типа прекъсвителна пречка е ключово устройство за управление и защита в подстанции и електроенергийни системи. Тя се използва главно за прекъсване, затваряне и пренасяне на нормалните токове на товара в линиите, както и за прекъсване на краткосрочните токове при събития в системата. Състои се от компоненти като прекъсващи елементи, изолационни бушони, токомерки тип бушон, камери за гасене на дъга, механизми за управление и заземени корпуси. Камерата за гасене на дъга на напълно монтираната танкова типа прекъсвителна пречка е разположена във заземен метален корпус.
SF₆ служи като изолационна и среда за гасене на дъга за танкови типа прекъсвителни пречки. В равномерно електрическо поле неговата изолационна сила е приблизително три пъти по-голяма от тази на въздуха, а способността му да гаси дъга е около 100 пъти по-голяма от тази на въздуха. В резултат на това, SF₆ прекъсвителните пречки са характеризирани с компактна конструкция и малка площ. Освен това, напълно монтираният танков тип прекъсвителни пречки предлагат предимства като нисък център на тежестта на оборудването, стабилна конструкция, добра сейсмична устойчивост, вградени токомерки, силна устойчивост към замърсяване и удобно поддържане.
Въпреки това, при производството, сборката, транспортирането и експлоатацията на танкови типа прекъсвителни пречки, дефектите в изолацията могат да възникнат поради фактори като слаба обработка, сблъсквания, удари и комутационни операции. Типични дефекти в изолацията включват изпъкнали метални обекти на проводниците или корпусите, плувещи електроди и свободни метални частици. Когато силата на електрическото поле, концентрирана в дефекта на изолацията, достигне пробойната сила на областта при тестовото или номиналното напрежение, се наблюдава частично разряд (PD). Частичният разряд е основната причина за деградацията на изолацията в прекъсвителните пречки и предвестник на неуспехи на изолацията. Затова, онлайн мониторинг на сигнали от частични разряди може да обнареди дефектите в изолацията преди да настъпи неуспех, което е важен начин за осигуряване на безопасна и стабилна работа на напълно монтираният танков тип прекъсвителни пречки и електроенергийната система.
Основните методи за детекция на частични разряди в прекъсвителни пречки, базирани на физическите сигнали, генериращи се при разряда, са импулсният токов метод, ултразвуковият метод (AE), методът с преходно земно напрежение (TEV) и свръхвисокочестотният метод (UHF) [2 - 3]. Тази статия комбинира експериментален и полеви опит, за да прегледа различните методи за детекция и анализ на частични разряди в SF₆ напълно монтирани танкови типа прекъсвителни пречки и да обобщи характеристиките на всеки метод.
Импулсният токов метод
Когато се случи частичен разряд, движението на зарядите генерира импулсни токове, които могат да бъдат детектирани чрез спойване устройство или токов сензор, свързан в тестовата верига. Импулсният токов метод е единственият метод, специфициран в IEC 60270 и съответните стандарти, за количествено измерване на частични разряди. Другите методи се използват главно за детекция или локализация на частични разряди. Импулсният токов метод има висока чувствителност, но е много уязвим към местната електромагнитна интерференция. Ето защо е необходимо да се извлече слабият сигнал на разряда от детектираните сигнали. Физическата величина, представляваща размера на частичния разряд, е явният заряд q, който може да бъде получен чрез следния формула.
В формулата, i(t) представлява импулсния ток на частичния разряд, Um(t) е импулсното напрежение, Rm е стойността на детекционното импеданс и q е явният заряд, с единица pC (пикокулон).
Импулсният токов метод, основан на токови сензори, е подходящ за онлайн детекция на частични разряди. Високочестотните токови сензори обикновено работят в честотен диапазон от 16 кХц до 30 МГц и са проектирани с клампова конструкция, което облекчава техния монтаж на заземената страна на напълно монтираният танков тип прекъсвителни пречки.
Ултразвуковият метод
Частичният разряд причинява интензивни молекулярни сблъсъци, генериращи ултразвукови вълни, които се разпространяват в прекъсвителната пречка. Ултразвуковите сензори, инсталирани на корпуса на прекъсвителната пречка, могат да детектират сигнали от частични разряди. Пьезоелектричните елементи в ултразвуковите сензори преобразуват ултразвуковите сигнали, генерирали от частичния разряд, в напрежения, които се предават към детекционната верига. Детекционната верига за ултразвуковия метод се състои главно от декуплер (използван за разделение на сигналите на електропитането от ултразвуковите сигнали), усилвател на сигнали и филтър.
Времевите и честотните сигнали на ултразвуковите вълни, генерирали от частични разряди в напълно монтираният танков тип прекъсвителни пречки, са показани на фигура 2, с честотен диапазон, разпределен главно между 50 и 250 кХц. Ултразвуковият метод предлага предимства като ниска цена, лесна инсталация, силна устойчивост към електромагнитна интерференция и пригодност за локализация на частични разряди. Въпреки това, вътрешната изолационна конструкция на прекъсвителните пречки е сложна, а ултразвуковите вълни се движеат бавно и изпитват значително ослабяване в SF₆ газ, което изисква идентифициране на оптимална позиция за детекция.
Свръхвисокочестотният (UHF) метод
Времето на нарастване и продължителността на токовите импулси, генерирали от частични разряди, са на наносекунден мащаб, развивайки електромагнитни вълни с еквивалентни честоти в свръхвисокочестотния диапазон от 300 МГц до 3 ГГц. В момента, честотният диапазон на повечето UHF сензори на пазара е 300 МГц до 1,5 ГГц. Във връзка с това, свръхвисокочестотният метод изисква условие на входните сигнали чрез филтриращи вериги, усилвателни вериги и интегриращи вериги, преди да бъдат предадени към карта за събиране на данни за последващ анализ.
Междувременно, при използване на свръхвисокочестотния метод, е необходимо да се елиминират шумове като комуникационни сигнали и сигнали за електропитане на осветлението както от софтуерна, така и от хардуерна гледна точка. Свръхвисокочестотният метод разполага с висока чувствителност, силна устойчивост към интерференция и е пригоден за локализация на частични разряди. Фазово-разделен модел на UHF сигнали от частични разряди при плаващ потенциал е показан на фигура 3, който съдържа информация за амплитудата, фазата и броя на събитията.
Методът с преходно земно напрежение (TEV)
Когато електромагнитните вълни, генерирали от частични разряди, се разпространяват до металния корпус на напълно монтираният танков тип прекъсвителни пречки, се генерира индуциран ток на повърхността на корпуса, водещ до преходно земно напрежение през вълновото импеданс на заземеното тяло. Работния принцип на TEV сензора може да бъде еквивалентен на този на емпиричен делител на напрежението. Той определя състоянието на частични разряди, като детектира напрежението през еквивалентния кондензатор между електрод на сензора и изолационния слой. Преходните земни напрежения на сигнали от частични разряди във вътрешността на SF₆ прекъсвителна пречка са показани на фигура 4, с главен честотен диапазон от 1 до 100 МГц. Методът с преходно земно напрежение е характеризиран с лесното си използване и липсата на необходимост от допълнителна детекционна верига.
Методи за анализ на частични разряди
Методите за анализ на частични разряди се използват за оценка на риското от разряди, намаляване на шума и извличане на характеристики на разрядите за класификация на типа на дефекта. Тези методи включват импулсния метод, метода на фазово-разделен модел на частични разряди (PRPD), метода на отношенията на амплитудите в трите фази, метода на временно-честотен модел и метода на статистически характеристики във времето.
Импулсният метод анализира единичен разряден импулс на основа на параметри като времето на нарастване, времето на спадане, ширината на импулса, куртоза и скъсване. Методът на фазово-разделен модел на частични разряди (PRPD) натрупва сигнали от частични разряди при чередиращо се напрежение на променлив ток, за да получи разпределението на фазата, амплитудата и броя на събитията. Затова той също е известен като φ-q-n метод. Методът на отношенията на амплитудите в трите фази се използва за анализ на частични разряди при чередиращо се напрежение на променлив ток.
Той получава характеристики на разпределението на разрядите, като събира амплитудите на единичен разряден сигнал при различни фазни напрежения. Методът на временно-честотен модел събира импулси на разряди, изчислява им еквивалентното време и еквивалентната честота, и изобразява модела на разпределението на разрядите в еквивалентното време-еквивалентна честота. Методът на статистически характеристики във времето е приложим за анализ на частични разряди при високо напрежение на постоянен ток. Той статистически анализира характеристиките на разпределението на разрядите на основа на големината на разрядния заряд и разликата във времето между импулсите на разряди.
За локализация на частични разряди във вътрешността на SF₆ напълно монтираният танков тип прекъсвителни пречки, може да се използва абсолютния метод на времева разлика или относителния метод на времева разлика. Абсолютния метод на времева разлика използва импулсния сигнал на тока на разряда или свръхвисокочестотния (UHF) сигнал като начало на разряда. След изчисляване на временната разлика между ултразвуковия сигнал и сигналът на началото на разряда, се локализира източника на разряда. Относителния метод на времева разлика използва само множество ултразвукови сензори, инсталирани на различни позиции на корпуса на прекъсвителната пречка. Той определя местонахождението на дефектите на изолацията, като изчислява временната разлика между всеки ултразвуков сигнал и референтния ултразвуков сигнал.
Заключение
Онлайн мониторинг на частични разряди може ефективно да оцени изолационните характеристики на SF₆ напълно монтираният танков тип прекъсвителни пречки преди да настъпи дефект, и е един от важните начини за осигуряване на техния безопасен и стабилен оперативен режим. Тази статия преглежда методите за детекция и анализ на частични разряди в напълно монтираният танков тип прекъсвителни пречки, комбинирайки експериментален и полеви опит.
По време на полево приложение, трябва да се използват множество средства за детекция и методи за анализ, за да се подобри точността и надеждността на онлайн мониторинга. Междувременно, в съответствие с изискванията за строителството на всеобщ интернет на електроенергийните неща, прилагането на ключови технологии като безжична безактивна детекция, нисковъглеводородни безжични комуникационни мрежи, периферно изчисление и големи данни представлява бъдещата тенденция за детекция на частични разряди в напълно монтираният танков тип прекъсвителни пречки.
