Forskning i detektionsteknologi og analysemetode for partielle udladninger i SF6 gulvtankbryder

Gulvmonteret tanktype kredsløbsbryder er et vigtigt styre- og beskyttelsesudstyr i understationer og strømsystemer. Den bruges hovedsageligt til at afbryde, lukke og føre normale belastningsstrømme i ledninger samt skære af kortslutningsstrømme under systemfejl. Består af komponenter som afbrydende elementer, isolerende bushinger, bushing-type strømtransformatorer, bueudslukningskamre, betjeningssystemer og jordede kasser, er bueudslukningskammeret for gulvmonteret tanktype kredsløbsbryder indhustet i en jordet metalbeholder.

SF₆ fungerer både som isolerings- og bueudslukningsmedium for tanktype kredsløbsbrydere. I et uniformt elektrisk felt er dens isoleringsstyrke omtrent tre gange så stor som lufts, og dens bueudslukningskapacitet er omkring 100 gange så stor som lufts. Dette resulterer i, at SF₆ kredsløbsbrydere har en kompakt konstruktion og en lille fodaftryk. Desuden tilbyder gulvmonterede tanktype kredsløbsbrydere fordele som lav udstyrcentrering, stabil konstruktion, god seismisk ydeevne, indbyggede strømtransformatorer, stærk modstandskraft over for snavs og bekvem vedligeholdelse.

Imidlertid kan der opstå isolationsdefekter på grund af faktorer som dårlig bearbejdning, kollisioner, påvirkninger og skiftoperateringer under produktion, montering, transport og drift af tanktype kredsløbsbrydere. Typiske isolationsdefekter inkluderer fremstikkende metalobjekter på leder eller beholder, flydende elektroder og frie metaltildelinger. Når det elektriske feltstyrke, der koncentrerer sig ved isolationsdefekten, når nedbrydningens feltstyrke i området under testspændingen eller nominelle spændingen, forekommer delvis udslag (PD). Delvis udslag er den primære årsag til isolationsforringelse i kredsløbsbrydere og en forløber for isolationsfejl. Derfor kan online overvågning af delvis udslags signaler isolationsdefekter opdage, før en fejl opstår, hvilket er en væsentlig metode til at sikre sikkert og stabilt drift af gulvmonterede tanktype kredsløbsbrydere og strømsystemet.

Baseret på de fysiske signaler, der genereres under udslag, er de hovedsættige metoder til detektion af delvis udslag for kredsløbsbrydere pulserende strømmetoden, ultralydmetoden (AE), transitorisk jordspændingsmetoden (TEV) og ultra-højfrekvensmetoden (UHF) [2 - 3]. Denne artikel kombinerer eksperimentelle og på-sted erfaringer for at gennemgå forskellige delvis udslagsdetektions- og analysemetoder for SF₆ gulvmonterede tanktype kredsløbsbrydere og sammenfatte karakteristika for hver metode.

Pulserende Strømmetode

Når der opstår delvis udslag, genererer bevægelsen af ladninger en pulserende strøm, som kan registreres af en koblingsenhed eller strømsensor, der er forbundet i testkredsløbet. Pulserende strømmetoden er den eneste metode, der er specificeret i IEC 60270 og relevante standarder for kvantitativ måling af delvis udslag. Andre metoder bruges hovedsageligt til detektion eller lokalisation af delvis udslag. Pulserende strømmetoden har høj sensitivitet, men er meget følsom over for stedlige elektromagnetiske støj. Derfor er det nødvendigt at udtrække de svage udslags signaler fra de registrerede signaler. Den fysiske størrelse, der repræsenterer størrelsen af delvis udslag, er den synlige ladning q, som kan opnås ved følgende formel.

I formelen repræsenterer i(t) pulserende strøm fra delvis udslag, Um(t) er pulserende spænding, Rm er detektionsimpedansværdien, og q er den synlige ladning med enheden pC (picocoulomb).

Pulserende strømmetoden baseret på strømsensorer er egnet til online delvis udslagsdetektion. Højfrekvensstrømsensorer opererer typisk inden for frekvensområdet 16 kHz til 30 MHz og er designet med en klippe-struktur, der gør det let at installere dem ved jordingsenden af gulvmonterede tanktype kredsløbsbrydere.

Ultralydmetode

Delvis udslag forårsager intense molekylære kollisioner, der genererer ultralyd, der propagere inden for kredsløbsbryderen. Ultralydsensorer installeret på kredsløbsbryderens beholder kan registrere delvis udslags signaler. Piezoelektriske elementer inde i ultralydsensorerne konverterer ultralydsignalene, der genereres af delvis udslag, til spændingssignaler, som derefter sendes til detektionskredsløbet. Detektionskredsløbet for ultralydmetoden består hovedsageligt af en decoupler (brugt til at adskille strømforsynings-signaler fra ultralydsignaler), en signalamplifikator og en filter.

Tidsdomæne- og frekvensdomænesignaler for ultralyd fra delvis udslag i gulvmonterede tanktype kredsløbsbrydere vises på figur 2, med frekvensområdet hovedsageligt fordelt mellem 50 og 250 kHz. Ultralydmetoden har fordele som lav kostpris, let installation, stærk modstandskraft over for elektromagnetisk støj og egnethed til lokalisation af delvis udslag. Dog er den interne isoleringskonstruktion af kredsløbsbrydere kompleks, og ultralyd bevæger sig langsomt og oplever betydelig dæmpning i SF₆-gas, hvilket kræver identificering af en optimal detektionsposition.

Ultra-Højfrekvens (UHF) Metode

Reisetiden og varigheden af strømpulser, der genereres af delvis udslag, er på nanosekundskala, hvilket stimulerer elektromagnetiske bølger med ækvivalente frekvenser i ultra-højfrekvensområdet 300 MHz til 3 GHz. For nuværende ligger detektionsfrekvensområdet for de fleste UHF-sensorer på markedet mellem 300 MHz og 1,5 GHz. På grund af de svage og høje frekvenssignaler kræver UHF-metoden, at inputsignalene konditionerer gennem filtreringskredsløb, forstærkningskredsløb og integreringskredsløb, inden de transmitteres til en dataindsamlingskort for efterfølgende analyse.

Samtidig er det nødvendigt at eliminere støj som kommunikationssignaler og belysningsstrømforsynings-signaler både fra software- og hardware-sider, når UHF-metoden anvendes. UHF-metoden har høj sensitivitet, stærk støjmodstand og er egnet til lokalisation af delvis udslag. Faseopdelt delvis udslags (PRPD) mønster for UHF-signaler fra delvis udslag ved flydende potentiale vises på figur 3, som indeholder information om udslagsamplitude, fase og antal forekomster.

Transitorisk Jordspændings (TEV) Metode

Når de elektromagnetiske bølger, der genereres af delvis udslag, propagerer til den metalbeholder, der findes i en gulvmonteret tanktype kredsløbsbryder, dannes en induceret strøm på overfladen af beholderen, hvilket resulterer i en transitorisk jordspænding på tværs af bølgeimpedansen for jordningen. Arbejdsmetoden for en TEV-sensor kan være ekvivalent med en kapacitiv spændingsdivider. Den fastsætter forekomsten af delvis udslag ved at registrere spændingen på den ækvivalente kapacitance mellem sensor-electroden og isoleringslaget. Transitoriske jordspændingssignaler for delvis udslag inden i en SF₆ kredsløbsbryder vises på figur 4, med hovedfrekvensområdet mellem 1-100 MHz. TEV-metoden kendetegnes ved sin lette anvendelse og manglen på behov for et ekstra detektionskredsløb.

Metoder til Analyse af Delvis Udslag

Metoder til analyse af delvis udslag anvendes til at vurdere risikoniveauet for udslag, reducere støj i signaler, og udtrække udslagskarakteristika for fejltypeklassificering. Disse metoder inkluderer hovedsageligt pulsformmetoden, faseopdelt delvis udslags (PRPD) mønstermetode, tre-fase amplitudrelation mønstermetode, tidsfrekvens mønstermetode og tidsbaseret statistisk karakteristisk metode.

Pulsformmetoden analyserer en enkelt udslagsbølgeform baseret på parametre som reisetid, faldtid, pulsbredde, kurtose og skevhed. PRPD mønstermetoden akkumulerer delvis udslags signaler under AC strømfrekvensspænding for at få fase, amplitude og forekomstfordelingskarakteristikker for udslag. Derfor er den også kendt som φ-q-n mønstermetode. Tre-fase amplitudrelation mønstermetoden anvendes til analyse af delvis udslag under tre-fase AC spænding.

Den optager udslagsfordelingskarakteristikker ved at samle udslagsamplituder af en enkelt udslagsbølge under forskellige fasespændinger. Tidsfrekvens mønstermetoden samler udslagspulser, beregner deres ækvivalent tid og ækvivalent frekvens, og tegner udslagsfordelingsmønsteret i det ækvivalente tid-ækvivalent frekvensdomæne. Tidsbaseret statistisk karakteristisk metode er anvendelig til analyse af delvis udslag under højspænding direkte strøm. Den statistisk analyserer udslagsfordelingskarakteristikker baseret på størrelsen af udslagsmængden og tidsforskellen mellem udslagspulser.

For lokalisation af delvis udslag inden i SF₆ gulvmonterede tanktype kredsløbsbrydere kan absolut tidsforskelmetode eller relativ tidsforskelmetode anvendes. Absolut tidsforskelmetode bruger udslagsstrømpulssignal eller ultra-højfrekvens (UHF) signal som starttiden for udslaget. Efter beregning af tidsforskellen mellem ultralydsignal og udslagsstartsignal, lokalisere udslagskilden. Relativ tidsforskelmetode bruger kun flere ultralydsensorer installeret på forskellige positioner på kredsløbsbryderens tank. Den fastsætter placeringen af isolationsdefekter ved at beregne tidsforskellen mellem hvert ultralydsignal og referencen ultralydsignal.

Konklusion

Online overvågning af delvis udslag kan effektivt vurdere isolationsydeevnen for SF₆ gulvmonterede tanktype kredsløbsbrydere, inden en fejl opstår, og det er en af de vigtige metoder til at sikre deres sikkert og stabilt drift. Denne artikel gennemgår detektions- og analysemetoder for delvis udslag i gulvmonterede tanktype kredsløbsbrydere, kombineret med eksperimentelle og på-sted erfaringer.

Under på-sted anvendelse bør flere detektionsmidler og analysemetoder anvendes for at forbedre præcisionen og pålideligheden af online overvågning. Samtidig, i overensstemmelse med kravene til opbygningen af det alment tilstedeværende strøm Internet of Things, implementering af nøgleteknologier som trådløs passiv sensoring, lav energiforbrug trådløs kommunikationsnetværk, kantberegning og big data repræsenterer fremtidens udviklingstrend for delvis udslagsdetektion for gulvmonterede tanktype kredsløbsbrydere.