Recerca sobre la tecnologia de detecció i el mètode d'anàlisi de la descàrrega parcial en el disjuntor de dipòsit de SF6

El circuit interruptor de tipus tanca instal·lat al sòl és un dispositiu de control i protecció crucial en subestacions i sistemes elèctrics. S'utilitza principalment per interrompre, tancar i portar corrents de càrrega normals en les línies, i per tallar corrents de curtcircuït durant els errors del sistema. Compost per components com elements d'interrompiment, candelins aïllants, transformadors de corrent de tipus candelí, cambres d'extinció d'arc, mecanismes d'operació i carcasses a terra, la cambra d'extinció d'arc del circuit interruptor de tipus tanca instal·lat al sòl està allotjada dins una capsa metàlica a terra.

El SF₆ serveix com a mitjà aïllant i d'extinció d'arc per als circuit interruptors de tipus tanca. En un camp elèctric uniforme, la seva força aïllant és aproximadament tres vegades la de l'aire, i la seva capacitat d'extinció d'arc és d'aproximadament 100 vegades la de l'aire. Això fa que els circuit interruptors de SF₆ estiguin caracteritzats per una estructura compacta i una petita superfície. A més, els circuit interruptors de tipus tanca instal·lats al sòl ofereixen avantatges com un centre de gravetat baix de l'equip, una estructura estable, bones prestacions sísmiques, transformadors de corrent integrats, forta resistència a la contaminació i manteniment convenient.

No obstant això, durant la fabricació, montatge, transport i operació dels circuit interruptors de tipus tanca, poden aparèixer defectes d'aïllament deguts a factors com processos deficients, col·lisions, impactes i operacions de commutació. Els defectes d'aïllament típics inclouen objectes metàl·lics protuberants en conductors o carcasses, electrodes flotants i partícules metàl·liques lliures. Quan la intensitat del camp elèctric concentrada en el defecte d'aïllament arriba a la intensitat de trencament del camp en la zona sota la tensió de prova o la tensió nominal, es produeix la descàrrega parcial (DP). La descàrrega parcial és la causa principal de la degradació de l'aïllament en els circuit interruptors i un precursor de falles d'aïllament. Per tant, la monitorització en línia de senyals de descàrrega parcial pot detectar defectes d'aïllament abans que es produeixi una falla, el que és un mitjà vital per assegurar el funcionament segur i estable dels circuit interruptors de tipus tanca instal·lats al sòl i del sistema elèctric.

Basat en els senyals físics generats durant la descàrrega, els principals mètodes de detecció de descàrregues parcials per a circuit interruptors són el mètode de corrent impulsiva, el mètode ultrasonòric (AE), el mètode de tensió transitoria a terra (TEV) i el mètode d'alta freqüència ultra (UHF) [2 - 3]. Aquest article combina l'experiència experimental i en situ per revisar diverses tècniques de detecció i anàlisi de descàrregues parcials per a circuit interruptors de tipus tanca de SF₆ instal·lats al sòl i resumir les característiques de cada mètode.

Mètode de Corrent Impulsiva

Quan es produeix una descàrrega parcial, el moviment de les càrregues genera una corrent impulsiva, que es pot detectar amb un dispositiu de couplament o un sensor de corrent connectat al circuit de prova. El mètode de corrent impulsiva és l'únic mètode especificat en l'IEC 60270 i normes rellevants per a la mesura quantitativa de descàrregues parcials. Altres mètodes es fan servir principalment per a la detecció o localització de descàrregues parcials. El mètode de corrent impulsiva té una alta sensibilitat, però és molt sensible a la interferència electromagnètica en situ. Per tant, és necessari extreure els senyals de descàrrega febles dels senyals detectats. La magnitud física que representa la magnitud de la descàrrega parcial és la càrrega aparent q, que es pot obtenir amb la fórmula següent.

En la fórmula, i(t) representa la corrent impulsiva de la descàrrega parcial, Um(t) és la tensió impulsiva, Rm és el valor de la impedància de detecció, i q és la càrrega aparent, amb unitat de pC (picoculomb).

El mètode de corrent impulsiva basat en sensors de corrent és adequat per a la detecció en línia de descàrregues parcials. Els sensors de corrent de freqüència alta solen funcionar dins d'un rang de freqüència de 16 kHz a 30 MHz i són dissenyats amb una estructura de grifa, facilitant la seva instal·lació al final de terra dels circuit interruptors de tipus tanca instal·lats al sòl.

Mètode Ultrasonòric

La descàrrega parcial provoca col·lisions moleculars intenses, generant ones ultrasonores que es propaguen dins el circuit interruptor. Els sensors ultrasonors instal·lats a la carcassa del circuit interruptor poden detectar senyals de descàrrega parcial. Els elements piezoelèctrics dins dels sensors ultrasonors converteixen els senyals ultrasonors generats per la descàrrega parcial en senyals de tensió, que llavors es transmeten al circuit de detecció. El circuit de detecció per al mètode ultrasonòric es compón principalment d'un decuplador (utilitzat per separar els senyals d'alimentació dels senyals ultrasonors), un amplificador de senyal i un filtre.

Els senyals en domini temporal i freqüencial de les ones ultrasonores de la descàrrega parcial dins dels circuit interruptors de tipus tanca instal·lats al sòl es mostren a la Figura 2, amb el rang de freqüència principal distribuït entre 50 i 250 kHz. El mètode ultrasonòric ofereix avantatges com un cost baix, instal·lació fàcil, forta resistència a la interferència electromagnètica i adequació per a la localització de descàrregues parcials. No obstant això, l'estructura interna d'aïllament dels circuit interruptors és complexa, i les ones ultrasonores es desplaçen lentament i experimenten una atenuació significativa en el gas SF₆, necessitant identificar una posició òptima de detecció.

Mètode d'Alta Freqüència Ultra (UHF)

El temps d'ascens i durada de les impulses de corrent generades per la descàrrega parcial són a l'escala de nanosegon, excitant ones electromagnètiques amb freqüències equivalents en el rang d'alta freqüència ultra de 300 MHz a 3 GHz. Actualment, el rang de detecció de freqüència de la majoria dels sensors UHF al mercat és de 300 MHz a 1,5 GHz. Degut a la naturalesa feble i de alta freqüència dels senyals, el mètode UHF requereix condicionar els senyals d'entrada a través de circuits de filtrat, amplificació i integració abans de transmetre'ls a una targeta d'adquisició de dades per a l'anàlisi posterior.

A més, quan s'utilitza el mètode UHF, és necessari eliminar sorolls com senyals de comunicació i alimentació de llum des de punts de vista de programari i hardware. El mètode UHF té una alta sensibilitat, forta resistència a la interferència i és adequat per a la localització de descàrregues parcials. El patró de descàrrega parcial resolt en fase (PRPD) dels senyals UHF d'una descàrrega parcial a potencial flotant es mostra a la Figura 3, que conté informació sobre l'amplitud de la descàrrega, la fase i el nombre d'ocurrències.

Mètode de Tensió Transitoria a Terra (TEV)

Quan les ones electromagnètiques generades per la descàrrega parcial es propage a la carcassa metàlica d'un circuit interruptor de tipus tanca instal·lat al sòl, es genera una corrent induïda a la superfície de la carcassa, resultant en una tensió transitoria a terra a través de la impedància ondulada del cos de terra. El principi de funcionament d'un sensor TEV pot ser equivalent al d'un divisor de tensió capacitiva. Determina l'ocurrència de la descàrrega parcial detectant la tensió a través del capacitor equivalent entre l'electrode del sensor i la capa aïllant. Els senyals de tensió transitoria a terra de la descàrrega parcial dins d'un circuit interruptor de SF₆ es mostren a la Figura 4, amb el rang de freqüència principal entre 1 i 100 MHz. El mètode TEV es caracteritza per la seva facilitat d'ús i no necessita un circuit de detecció addicional.

Mètodes d'Anàlisi de Descàrregues Parcials

Els mètodes d'anàlisi de descàrregues parcials es fan servir per avaluar el nivell de risc de les descàrregues, reduir el soroll dels senyals i extreure les característiques de la descàrrega per a la classificació del tipus de falla. Aquests mètodes inclouen principalment el mètode de forma d'ona d'impuls, el mètode de patró de descàrrega parcial resoluda en fase (PRPD), el mètode de relació d'amplituds trifàsica, el mètode de patró de temps-freqüència i el mètode de característica estadística basada en el temps.

El mètode de forma d'ona d'impuls analitza una única forma d'ona de descàrrega basant-se en paràmetres com el temps d'ascens, el temps de caiguda, l'amplada d'impuls, la curtosi i l'asimetria. El mètode PRPD acumula senyals de descàrrega parcial sota tensió de freqüència d'alternada per obtenir la distribució de fase, amplitud i nombre d'ocurrències de les descàrregues. Per això també se l'anomena el mètode de patró φ-q-n. El mètode de relació d'amplituds trifàsica s'utilitza per analitzar descàrregues parcials sota tensió alternada trifàsica. Obté les característiques de distribució de descàrregues recopilant les amplituds de descàrrega d'un senyal de descàrrega unificat sota diferents tensions de fase. El mètode de patró de temps-freqüència recopila impulses de descàrrega, calcula el seu temps equivalent i freqüència equivalent, i dibuixa el patró de distribució de descàrrega en el domini de temps equivalent-freqüència equivalent. El mètode de característica estadística basada en el temps és aplicable a l'anàlisi de descàrregues parcials sota corrent directa d'alta tensió. Analitza estadísticament les característiques de distribució de descàrrega basant-se en la magnitud de la quantitat de descàrrega i la diferència de temps entre els impulses de descàrrega.

Per a la localització de descàrregues parcials dins dels circuit interruptors de tipus tanca de SF₆ instal·lats al sòl, es pot utilitzar el mètode de diferència de temps absoluta o el mètode de diferència de temps relativa. El mètode de diferència de temps absoluta utilitza el senyal d'impuls de corrent de descàrrega o el senyal d'alta freqüència ultra (UHF) com a temps d'inici de la descàrrega. Després de calcular la diferència de temps entre el senyal ultrasonòric i el senyal d'inici de descàrrega, localitza la font de descàrrega. El mètode de diferència de temps relativa només utilitza diversos sensors ultrasonors instal·lats en diferents posicions a la tanca del circuit interruptor. Determina la ubicació dels defectes d'aïllament calculant la diferència de temps entre cada senyal ultrasonòric i el senyal ultrasonòric de referència.

Conclusió

La monitorització en línia de descàrregues parcials pot avaluar eficacement el rendiment d'aïllament dels circuit interruptors de tipus tanca de SF₆ instal·lats al sòl abans que es produeixi una falla, i és un dels mitjans importants per assegurar el seu funcionament segur i estable. Aquest article revisa els mètodes de detecció i anàlisi de descàrregues parcials en circuit interruptors de tipus tanca instal·lats al sòl, combinant experiència experimental i en situ.

Durant les aplicacions en situ, s'haurien d'utilitzar múltiples mitjans de detecció i mètodes d'anàlisi per millorar la precisió i fiabilitat de la monitorització en línia. A més, en línia amb els requisits de la construcció de l'Internet de les coses omnipresent, implementar tecnologies clau com el sentit passiu sense fils, xarxes de comunicació sense fils de baix consum, computació d'edge i big data representa la tendència futura de la detecció de descàrregues parcials per a circuit interruptors de tipus tanca instal·lats al sòl.