Forschung zur Erfassungstechnologie und Analysemethode der partiellen Entladung in SF6-Bodenkammer-Schaltgeräten

Der bodengebundene Behälter-Schaltkreisbrecher ist ein wichtiges Steuer- und Schutzelement in Umspannwerken und Stromsystemen. Er wird hauptsächlich verwendet, um normale Lastströme in Leitungen zu unterbrechen, zu schließen und zu führen, sowie Kurzschlussströme bei Systemausfällen abzuschalten. Der Schaltkreisbrecher besteht aus Komponenten wie Unterbrechungselementen, Isolierfutters, Futtertyp-Strömungsüberwachern, Bogenlöschkammern, Betriebsmechanismen und Erdungsgehäusen. Die Bogenlöschkammer des bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechers befindet sich innerhalb eines geerdeten Metallgehäuses.

SF₆ dient sowohl als Isolier- als auch als Bogenlöschmedium für Behälter-Schaltkreisbrecher. In einem homogenen elektrischen Feld beträgt seine Isolationsstärke etwa dreimal die von Luft, und seine Bogenlöschfähigkeit ist etwa 100 Mal so hoch wie die von Luft. Daher zeichnen sich SF₆-Schaltkreisbrecher durch eine kompakte Struktur und einen geringen Raumbedarf aus. Darüber hinaus bieten bodengebundene Behälter-Schaltkreisbrecher Vorteile wie einen niedrigen Schwerpunkt der Ausrüstung, eine stabile Struktur, gute Erdbebenfestigkeit, eingebaute Strömungsüberwacher, hohe Verschmutzungsfestigkeit und einfache Wartung.

Während der Herstellung, Montage, Transport und Betrieb von Behälter-Schaltkreisbrechern können jedoch aufgrund von Faktoren wie mangelhafter Verarbeitung, Kollisionen, Stößen und Schaltvorgängen Isolationsdefekte auftreten. Typische Isolationsdefekte sind herausstehende Metallteile an Leitern oder Gehäusen, schwimmende Elektroden und freie Metallpartikel. Wenn die elektrische Feldstärke an dem Isolationsdefekt die Durchbruchfeldstärke des Bereichs unter Prüf- oder Nennspannung erreicht, tritt partielle Entladung (PD) auf. Partielle Entladung ist die Hauptursache für die Verschlechterung der Isolation in Schaltkreisbrechern und ein Vorläufer von Isolationsausfällen. Daher kann die Online-Überwachung von PD-Signalen Isolationsdefekte vor einem Ausfall erkennen, was eine wichtige Maßnahme zur Sicherstellung des sicheren und stabilen Betriebs von bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechern und des Stromsystems darstellt.

Basierend auf den während der Entladung erzeugten physikalischen Signalen sind die Hauptmethoden zur Detektion von PD an Schaltkreisbrechern die gepulste Strommethode, die Ultraschallmethode (AE), die transiente Erdspannungsmethode (TEV) und die ultrahochfrequente Methode (UHF) [2 - 3]. Dieser Artikel kombiniert experimentelle und praxisbezogene Erfahrungen, um verschiedene Methoden zur Detektion und Analyse von PD an SF₆-bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechern zu überprüfen und die Merkmale jeder Methode zusammenzufassen.

Gepulste Strommethode

Bei der Entstehung einer partiellen Entladung erzeugt die Bewegung von Ladungen einen gepulsten Strom, der durch ein im Prüfschaltkreis angeschlossenes Kopplungsgerät oder einen Stromsensor detektiert werden kann. Die gepulste Strommethode ist die einzige Methode, die in IEC 60270 und relevanten Normen für die quantitativen Messungen von PD spezifiziert ist. Andere Methoden werden hauptsächlich für die Detektion oder Lokalisierung von PD verwendet. Die gepulste Strommethode zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus, ist jedoch stark anfällig für elektromagnetische Störungen vor Ort. Daher ist es notwendig, die schwachen Entladungssignale aus den detektierten Signalen zu extrahieren. Die physikalische Größe, die die Stärke der partiellen Entladung repräsentiert, ist die scheinbare Ladung q, die durch die folgende Formel erhalten werden kann.

In der Formel stellt i(t ) den gepulsten Strom der partiellen Entladung dar, Um(t) ist der gepulste Spannung, Rm ist der Wert des Detektionsimpedanzes, und q ist die scheinbare Ladung mit der Einheit pC (Picocoulomb).

Die gepulste Strommethode basierend auf Stromsensoren eignet sich für die Online-Detektion von partiellen Entladungen. Hochfrequenz-Stromsensoren arbeiten in der Regel im Frequenzbereich von 16 kHz bis 30 MHz und sind in einer Klammernstruktur konzipiert, was ihre Installation am Erdungsanschluss von bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechern erleichtert.

Ultraschallmethode

Partielle Entladungen verursachen intensive Molekularstöße, die Ultraschallwellen erzeugen, die sich im Schaltkreisbrecher ausbreiten. Ultraschallsensoren, die am Gehäuse des Schaltkreisbrechers installiert sind, können partielle Entladungssignale detektieren. Die piezoelektrischen Elemente in Ultraschallsensoren wandeln die durch partielle Entladungen erzeugten Ultraschallsignale in Spannungssignale um, die dann an den Detektionskreis übertragen werden. Der Detektionskreis für die Ultraschallmethode besteht hauptsächlich aus einem Dekoppler (zum Trennen von Netzstromsignalen von Ultraschallsignalen), einem Signalverstärker und einem Filter.

Die Zeit- und Frequenzdomänen-Signale der Ultraschallwellen von partiellen Entladungen in bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechern sind in Abbildung 2 dargestellt, wobei der Frequenzbereich hauptsächlich zwischen 50 und 250 kHz liegt. Die Ultraschallmethode bietet Vorteile wie geringe Kosten, einfache Installation, starke Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischer Störung und Eignung zur Lokalisierung von partiellen Entladungen. Allerdings ist die interne Isolationsstruktur von Schaltkreisbrechern komplex, und Ultraschallwellen breiten sich in SF₆-Gas langsam aus und erfahren erhebliche Dämpfung, sodass eine optimale Detektionsposition identifiziert werden muss.

Ultra-Hochfrequenz (UHF)-Methode

Die Anstiegszeit und Dauer der durch partielle Entladungen erzeugten Strompulse liegen im Nanosekundenbereich und erzeugen elektromagnetische Wellen mit äquivalenten Frequenzen im Ultra-Hochfrequenzbereich von 300 MHz bis 3 GHz. Derzeit liegt der Detektionsfrequenzbereich der meisten UHF-Sensoren auf dem Markt zwischen 300 MHz und 1,5 GHz. Aufgrund der schwachen und hochfrequenten Natur der Signale erfordert die UHF-Methode, dass die Eingangssignale durch Filterkreise, Verstärkerkreise und Integratorkreise konditioniert werden, bevor sie an eine Datenerfassungskarte übertragen werden, um sie für nachfolgende Analysen bereitzustellen.

Zugleich ist es beim Einsatz der UHF-Methode notwendig, Störungen wie Kommunikationssignale und Beleuchtungsspannungssignale sowohl software- als auch hardwaremäßig zu eliminieren. Die UHF-Methode zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit, starke Störfestigkeit und Eignung zur Lokalisierung von partiellen Entladungen aus. Das Phasen-aufgelöste partielle Entladungs-Muster (PRPD) der UHF-Signale von partiellen Entladungen bei Schwimmspannung ist in Abbildung 3 dargestellt und enthält Informationen über die Entladungsamplitude, Phase und Anzahl der Vorkommen.

Transiente Erdspannung (TEV)-Methode

Wenn die durch partielle Entladungen erzeugten elektromagnetischen Wellen zum Metallgehäuse eines bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechers gelangen, wird auf der Oberfläche des Gehäuses ein induzierter Strom erzeugt, was zu einer transitorischen Erdspannung über der Wellenimpedanz des Erdungskörpers führt. Das Arbeitsprinzip eines TEV-Sensors kann dem einer kapazitiven Spannungsteiler gleichgesetzt werden. Es bestimmt das Auftreten von partieller Entladung, indem es die Spannung über dem äquivalenten Kondensator zwischen dem Sensorelektroden und der Isolierschicht misst. Die transienten Erdspannungssignale von partiellen Entladungen innerhalb eines SF₆-Schaltkreisbrechers sind in Abbildung 4 dargestellt, wobei der Hauptfrequenzbereich zwischen 1 und 100 MHz liegt. Die TEV-Methode zeichnet sich durch ihre Benutzerfreundlichkeit und die Abwesenheit eines zusätzlichen Detektionskreises aus.

Methoden zur Analyse von partiellen Entladungen

Methoden zur Analyse von partiellen Entladungen werden verwendet, um das Risikoniveau von Entladungen zu bewerten, Signale zu entstören und Entladungsmerkmale für die Klassifizierung von Fehlertypen zu extrahieren. Diese Methoden umfassen hauptsächlich die Pulsformmethode, die phasen-aufgelöste partielle Entladung (PRPD)-Muster-Methode, die Dreiphasen-Amplituden-Beziehungs-Muster-Methode, die Zeit-Frequenz-Muster-Methode und die zeitbasierte statistische Charakteristik-Methode.

Die Pulsformmethode analysiert ein einzelnes Entladungsprofil basierend auf Parametern wie Anstiegszeit, Abfallzeit, Pulsdauer, Kurtosis und Schiefe. Die PRPD-Muster-Methode akkumuliert partielle Entladungssignale unter Wechselspannung, um die Phasen-, Amplituden- und Vorkommenszahl-Verteilung der Entladungen zu ermitteln. Daher wird sie auch als \(\varphi -q -n\)-Muster-Methode bezeichnet. Die Dreiphasen-Amplituden-Beziehungs-Muster-Methode wird verwendet, um partielle Entladungen unter Dreiphasen-Wechselspannung zu analysieren.

Sie erfasst die Entladungsverteilungseigenschaften, indem sie die Entladungsamplituden eines einheitlichen Entladungssignals unter verschiedenen Phasenspannungen sammelt. Die Zeit-Frequenz-Muster-Methode sammelt Entladungspulse, berechnet deren äquivalente Zeit und äquivalente Frequenz und erstellt das Entladungsverteilungsmuster im äquivalenten Zeit-äquivalenter Frequenz-Bereich. Die zeitbasierte statistische Charakteristik-Methode ist anwendbar auf die Analyse von partiellen Entladungen unter Hochspannungsgleichstrom. Sie analysiert statistisch die Entladungsverteilungseigenschaften basierend auf der Größe der Entladungsmenge und dem Zeitunterschied zwischen den Entladungspulsen.

Für die Lokalisierung von partiellen Entladungen innerhalb von SF₆-bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechern kann die absolute Zeitdifferenzmethode oder die relative Zeitdifferenzmethode angewendet werden. Die absolute Zeitdifferenzmethode verwendet das Entladungsstrompuls-Signal oder das Ultra-Hochfrequenz (UHF)-Signal als Startzeit der Entladung. Nach Berechnung der Zeitdifferenz zwischen dem Ultraschallsignal und dem Entladungsstartsignal wird die Entladungsquelle lokalisiert. Die relative Zeitdifferenzmethode verwendet nur mehrere Ultraschallsensoren, die an unterschiedlichen Positionen auf dem Schaltkreisbrecherbehälter installiert sind. Sie bestimmt die Lage der Isolationsdefekte, indem sie die Zeitdifferenz zwischen jedem Ultraschallsignal und dem Referenzultraschallsignal berechnet.

Fazit

Die Online-Überwachung von partiellen Entladungen kann die Isolierleistung von SF₆-bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechern effektiv vor einem Ausfall bewerten und ist eines der wichtigen Mittel, um ihren sicheren und stabilen Betrieb zu gewährleisten. Dieser Artikel überprüft die Detektions- und Analysemethoden von partiellen Entladungen in bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechern, indem er experimentelle und praxisbezogene Erfahrungen kombiniert.

Bei der Anwendung vor Ort sollten mehrere Detektionsmittel und Analysemethoden verwendet werden, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Online-Überwachung zu verbessern. Gleichzeitig entspricht die Implementierung von Schlüsseltechnologien wie drahtloser passiver Sensorik, energieeffizienten drahtlosen Kommunikationsnetzen, Edge-Computing und Big Data den zukünftigen Entwicklungstrends der Detektion von partiellen Entladungen an bodengebundenen Behälter-Schaltkreisbrechern im Rahmen der Konstruktion des allgegenwärtigen Strom-Internet der Dinge.