Výzkum technologie detekce a analýzy částečných výbojů v spodní nádrži obvodového přerušovače SF6

Pozemní nádržový vypínač je klíčovým ovládacím a ochranným zařízením v transformačních stanicích a elektrických systémech. Používá se především k přerušení, uzavření a přenosu běžných zátěžových proudů v článcích a k odpojení krátkozávodných proudů při poruchách systému. Skládá se z komponent, jako jsou přerušovací prvky, izolační trubice, trubicové proudové transformátory, komory pro uhasení oblouku, ovládací mechanizmy a zazemňující obaly. Komora pro uhasení oblouku pozemního nádržového vypínače je umístěna v zazemněné kovové obale.

SF₆ slouží jako izolační a obloukové hasicí médium pro nádržové vypínače. V homogenním elektrickém poli má jeho izolační síla přibližně třikrát vyšší hodnotu než vzduch, a jeho schopnost uhasit oblouk je asi 100krát vyšší než u vzduchu. Díky tomu mají SF₆ vypínače kompaktní strukturu a malou plochu zabíranou. Kromě toho nabízejí pozemní nádržové vypínače výhody, jako je nízký těžiště zařízení, stabilní konstrukce, dobré seismické vlastnosti, vestavěné proudové transformátory, silnou odolnost proti znečištění a snadnou údržbu.

Během výroby, montáže, přepravy a provozu nádržových vypínačů mohou dojít k poruchám izolace kvůli faktorům, jako jsou špatná zpracování, srážky, dopady a přepínací operace. Typické poruchy izolace zahrnují vyčnívající kovové objekty na vodičích nebo obalech, volné elektrody a volné kovové částice. Když dosáhne elektrické pole soustředěné v poruše izolace průrazového pole v dané oblasti pod testovacím napětím nebo nominálním napětím, dojde k částečnému výboji (PD). Částečný výboj je hlavní příčinou degradace izolace vypínačů a předzvěstí selhání izolace. Proto online monitorování signálů částečného výboje může detekovat poruchy izolace před jejich selháním, což je klíčovým způsobem, jak zajistit bezpečný a stabilní provoz pozemních nádržových vypínačů a elektrického systému.

Na základě fyzikálních signálů generovaných během výboje jsou hlavními metodami detekce částečného výboje vypínačů pulsní proudová metoda, ultrazvuková metoda (AE), metoda přechodné zemské napětí (TEV) a ultra-vysokofrekvenční metoda (UHF) [2 - 3]. Tento článek kombinuje experimentální a praxní zkušenosti a shrnuje různé metody detekce a analýzy částečného výboje pro SF₆ pozemní nádržové vypínače a shrnuje charakteristiky každé metody.

Pulsaní proudová metoda

Když dojde k částečnému výboji, pohyb nábojů generuje pulsující proud, který lze detekovat pomocí spojovacího zařízení nebo senzoru proudu připojeného do zkoušebního obvodu. Pulsaní proudová metoda je jedinou metodou stanovenou v normě IEC 60270 a relevantních normách pro kvantitativní měření částečného výboje. Ostatní metody se používají především pro detekci nebo lokalizaci částečného výboje. Pulsaní proudová metoda má vysokou citlivost, ale je velmi náchylná k místním elektromagnetickým rušením. Je proto nutné extrahovat slabé výbojové signály z detekovaných signálů. Fyzikální veličina reprezentující velikost částečného výboje je zjevný náboj q, který lze získat pomocí následujícího vzorce.

Ve vzorci i(t) představuje pulsující proud částečného výboje, Um(t) je pulsující napětí, Rm je hodnota detekční impedance a q je zjevný náboj s jednotkou pC (picocoulomb).

Pulsaní proudová metoda založená na senzorech proudu je vhodná pro online detekci částečného výboje. Vysokofrekvenční senzory proudu obvykle pracují v frekvenčním rozmezí 16 kHz až 30 MHz a jsou navrženy s klešťovitou strukturou, což usnadňuje jejich instalaci na zemnicí konci pozemních nádržových vypínačů.

Ultrazvuková metoda

Částečný výboj způsobuje intenzivní molekulové srážky, což generuje ultrazvukové vlny, které se šíří uvnitř vypínače. Ultrazvukové senzory nainstalované na obalu vypínače mohou detekovat signály částečného výboje. Piezoelektrické prvky uvnitř ultrazvukových senzorů převádí ultrazvukové signály generované částečným výbojem na napěťové signály, které jsou pak předány do detekčního obvodu. Detekční obvod pro ultrazvukovou metodu se hlavně skládá z dekodéru (použitého k oddělení napájecích signálů od ultrazvukových signálů), zesilovače signálů a filtru.

Časové a frekvenční domény ultrazvukových vln z částečného výboje uvnitř pozemních nádržových vypínačů jsou znázorněny na obrázku 2, s frekvenčním rozsahem hlavně mezi 50 a 250 kHz. Ultrazvuková metoda nabízí výhody, jako jsou nízké náklady, snadná instalace, silná odolnost proti elektromagnetickému rušení a vhodnost pro lokaci částečného výboje. Nicméně, vnitřní izolační struktura vypínačů je složitá, a ultrazvukové vlny se pomalu šíří a značně slábne v SF₆ plynu, což vyžaduje identifikaci optimální detekční pozice.

Ultra-vysokofrekvenční (UHF) metoda

Doba stoupání a trvání pulsních proudů generovaných částečným výbojem je na nanosekundové škále, což vyvolává elektromagnetické vlny s ekvivalentními frekvencemi v ultra-vysokofrekvenčním rozmezí 300 MHz až 3 GHz. V současné době je detekční frekvenční rozsah většiny UHF senzorů na trhu 300 MHz až 1,5 GHz. Kvůli slabosti a vysoké frekvenci signálů vyžaduje UHF metoda podmínění vstupních signálů prostřednictvím filtračních obvodů, zesilovačů a integračních obvodů před jejich předáním na kartu pro sběr dat pro následnou analýzu.

Zároveň, při použití UHF metody je třeba eliminovat rušivé signály, jako jsou komunikační signály a signály z osvětlovacích zdrojů, jak ze softwarového, tak hardwarového hlediska. UHF metoda má vysokou citlivost, silnou odolnost proti rušení a je vhodná pro lokaci částečného výboje. Fázově rozlišený vzorec částečného výboje (PRPD) UHF signálů z částečného výboje v plovoucím potenciálu je znázorněn na obrázku 3, který obsahuje informace o amplitudě, fázi a počtu výskytů výboje.

Metoda přechodného zemského napětí (TEV)

Když se elektromagnetické vlny generované částečným výbojem šíří k kovovému obalu pozemního nádržového vypínače, vytváří se indukovaný proud na povrchu obalu, což vede k přechodnému zemskému napětí přes vlnovou impedanci zemnice. Pracovní princip TEV senzoru lze rovnocenně porovnat s pracovním principem kondenzátorového děliče. Určuje výskyt částečného výboje detekcí napětí přes ekvivalentní kondenzér mezi elektrodou senzoru a izolační vrstvou. Signály přechodného zemského napětí částečného výboje uvnitř SF₆ vypínače jsou znázorněny na obrázku 4, s hlavním frekvenčním rozsahem 1 až 100 MHz. Metoda TEV se vyznačuje snadnou použitelností a nepotřebou dodatečného detekčního obvodu.

Metody analýzy částečného výboje

Metody analýzy částečného výboje se používají k hodnocení rizikové úrovně výbojů, redukci rušivých signálů a extrakci charakteristik výboje pro klasifikaci typů vad. Tyto metody zahrnují metodu pulzního průběhu, fázově rozlišený vzorec částečného výboje (PRPD), vzorec vztahu amplitud ve třech fázích, časově-frekvenční vzorec a statistickou charakteristiku založenou na čase.