Investigación sobre la Tecnología de Detección y el Método de Análisis de la Descarga Parcial en el Interruptor de Cámara de Piso SF6

El interruptor de circuito tipo tanque montado en el suelo es un dispositivo de control y protección crucial en subestaciones y sistemas de energía. Se utiliza principalmente para interrumpir, cerrar y transportar corrientes de carga normales en las líneas, y para cortar corrientes de cortocircuito durante fallos del sistema. Compuesto por componentes como elementos de interrupción, tubos aislantes, transformadores de corriente tipo tubo, cámaras de extinción de arco, mecanismos de operación y carcasa de tierra, la cámara de extinción de arco del interruptor de circuito tipo tanque montado en el suelo está alojada dentro de una carcasa metálica a tierra.

El SF₆ actúa como medio aislante y de extinción de arco para los interruptores de circuito tipo tanque. En un campo eléctrico uniforme, su resistencia al aislamiento es aproximadamente tres veces mayor que la del aire, y su capacidad de extinción de arco es alrededor de 100 veces mayor que la del aire. Como resultado, los interruptores de circuito de SF₆ se caracterizan por una estructura compacta y un área de ocupación pequeña. Además, los interruptores de circuito tipo tanque montados en el suelo ofrecen ventajas como un centro de gravedad bajo del equipo, estructura estable, buen rendimiento sísmico, transformadores de corriente integrados, fuerte resistencia a la suciedad y mantenimiento conveniente.

Sin embargo, durante la fabricación, ensamblaje, transporte y operación de los interruptores de circuito tipo tanque, pueden ocurrir defectos de aislamiento debido a factores como un procesamiento deficiente, colisiones, impactos y operaciones de conmutación. Los defectos de aislamiento típicos incluyen objetos metálicos salientes en conductores o carcasas, electrodos flotantes y partículas metálicas libres. Cuando la intensidad del campo eléctrico concentrado en el defecto de aislamiento alcanza la intensidad de campo de ruptura del área bajo la tensión de prueba o nominal, ocurre una descarga parcial (DP). La descarga parcial es la principal causa de la degradación del aislamiento en los interruptores de circuito y un precursor de fallas de aislamiento. Por lo tanto, el monitoreo en línea de las señales de descarga parcial puede detectar defectos de aislamiento antes de que ocurra una falla, lo cual es un medio vital para garantizar la operación segura y estable de los interruptores de circuito tipo tanque montados en el suelo y del sistema de energía.

Basándose en las señales físicas generadas durante la descarga, los principales métodos de detección de descargas parciales para interruptores de circuito son el método de corriente pulsada, el método ultrasónico (AE), el método de tensión terrestre transitoria (TEV) y el método de ultra alta frecuencia (UHF) [2-3]. Este artículo combina la experiencia experimental y en el sitio para revisar diversas técnicas de detección y análisis de descargas parciales para interruptores de circuito tipo tanque de SF₆ montados en el suelo y resumir las características de cada método.

Método de Corriente Pulsada

Cuando ocurre una descarga parcial, el movimiento de cargas genera una corriente pulsada, que puede ser detectada por un dispositivo de acoplamiento o sensor de corriente conectado en el circuito de prueba. El método de corriente pulsada es el único método especificado en IEC 60270 y normas relevantes para la medición cuantitativa de descargas parciales. Otros métodos se utilizan principalmente para la detección o localización de descargas parciales. El método de corriente pulsada se destaca por su alta sensibilidad, pero es altamente susceptible a la interferencia electromagnética en el sitio. Por lo tanto, es necesario extraer las débiles señales de descarga de las señales detectadas. La magnitud de la descarga parcial se representa por la carga aparente q, que se puede obtener mediante la siguiente fórmula.

En la fórmula, i(t) representa la corriente pulsada de la descarga parcial, Um(t) es la tensión pulsada, Rm es el valor de impedancia de detección, y q es la carga aparente, con unidad de pC (picoculombio).

El método de corriente pulsada basado en sensores de corriente es adecuado para la detección en línea de descargas parciales. Los sensores de corriente de alta frecuencia generalmente operan en un rango de frecuencia de 16 kHz a 30 MHz y están diseñados con una estructura de abrazadera, facilitando su instalación en el extremo de tierra de los interruptores de circuito tipo tanque montados en el suelo.

Método Ultrasónico

La descarga parcial causa colisiones moleculares intensas, generando ondas ultrasónicas que se propagan dentro del interruptor de circuito. Los sensores ultrasónicos instalados en la carcasa del interruptor de circuito pueden detectar señales de descarga parcial. Los elementos piezoeléctricos dentro de los sensores ultrasónicos convierten las señales ultrasónicas generadas por la descarga parcial en señales de voltaje, que luego se transmiten al circuito de detección. El circuito de detección para el método ultrasónico consta principalmente de un decodificador (usado para separar las señales de alimentación de las señales ultrasónicas), un amplificador de señal y un filtro.

Las señales en el dominio del tiempo y la frecuencia de las ondas ultrasónicas de la descarga parcial dentro de los interruptores de circuito tipo tanque montados en el suelo se muestran en la Figura 2, con el rango de frecuencia distribuido principalmente entre 50 y 250 kHz. El método ultrasónico ofrece ventajas como bajo costo, fácil instalación, fuerte resistencia a la interferencia electromagnética y adecuación para la localización de descargas parciales. Sin embargo, la estructura interna de aislamiento de los interruptores de circuito es compleja, y las ondas ultrasónicas viajan lentamente y experimentan una atenuación significativa en el gas SF₆, lo que requiere identificar una posición óptima de detección.

Método de Ultra Alta Frecuencia (UHF)

El tiempo de subida y duración de los pulsos de corriente generados por la descarga parcial están en la escala de nanosegundos, excitando ondas electromagnéticas con frecuencias equivalentes en el rango de ultra alta frecuencia de 300 MHz a 3 GHz. Actualmente, el rango de detección de frecuencia de la mayoría de los sensores UHF en el mercado es de 300 MHz a 1.5 GHz. Debido a la naturaleza débil y de alta frecuencia de las señales, el método UHF requiere acondicionar las señales de entrada a través de circuitos de filtrado, amplificación e integración antes de transmitirlas a una tarjeta de adquisición de datos para un análisis posterior.

Al mismo tiempo, al utilizar el método UHF, es necesario eliminar ruidos como señales de comunicación y señales de alimentación de iluminación desde aspectos de software y hardware. El método UHF se caracteriza por su alta sensibilidad, fuerte capacidad anti-interferencia y adecuación para la localización de descargas parciales. El patrón de descarga parcial resuelto en fase (PRPD) de las señales UHF de la descarga parcial en potencial flotante se muestra en la Figura 3, que contiene información sobre la amplitud, fase y número de ocurrencias de la descarga.

Método de Tensión Terrestre Transitoria (TEV)

Cuando las ondas electromagnéticas generadas por la descarga parcial se propagan a la carcasa metálica de un interruptor de circuito tipo tanque montado en el suelo, se genera una corriente inducida en la superficie de la carcasa, resultando en una tensión terrestre transitoria a través de la impedancia de onda del cuerpo de tierra. El principio de funcionamiento de un sensor TEV puede ser equivalente al de un divisor de tensión capacitivo. Determina la ocurrencia de la descarga parcial detectando la tensión a través del condensador equivalente entre el electrodo del sensor y la capa aislante. Las señales de tensión terrestre transitoria de la descarga parcial dentro de un interruptor de circuito de SF₆ se muestran en la Figura 4, con el rango de frecuencia principal siendo de 1 a 100 MHz. El método TEV se caracteriza por su facilidad de uso y la ausencia de necesidad de un circuito de detección adicional.

Métodos de Análisis de Descarga Parcial

Los métodos de análisis de descarga parcial se utilizan para evaluar el nivel de riesgo de las descargas, reducir el ruido de las señales y extraer características de la descarga para la clasificación de tipos de fallas. Estos métodos incluyen principalmente el método de forma de onda de pulso, el método de patrón de descarga parcial resuelto en fase (PRPD), el método de patrón de relación de amplitud trifásica, el método de patrón de tiempo-frecuencia y el método de característica estadística basada en el tiempo.

El método de forma de onda de pulso analiza una sola forma de onda de descarga basándose en parámetros como tiempo de subida, tiempo de caída, ancho de pulso, curtosis y asimetría. El método PRPD acumula señales de descarga parcial bajo tensión de frecuencia de red de CA para obtener las características de distribución de fase, amplitud y número de ocurrencias de las descargas. Por lo tanto, también se conoce como el método de patrón \(\varphi -q -n\). El método de patrón de relación de amplitud trifásica se utiliza para analizar descargas parciales bajo tensión de CA trifásica.

Obtiene las características de distribución de la descarga recopilando las amplitudes de una señal de descarga unificada bajo diferentes tensiones de fase. El método de patrón de tiempo-frecuencia recopila pulsos de descarga, calcula su tiempo y frecuencia equivalentes, y traza el patrón de distribución de la descarga en el dominio de tiempo-frecuencia equivalente. El método de característica estadística basada en el tiempo es aplicable al análisis de descargas parciales bajo corriente directa de alta tensión. Analiza estadísticamente las características de distribución de la descarga basándose en la magnitud de la cantidad de descarga y la diferencia de tiempo entre los pulsos de descarga.

Para la localización de descargas parciales dentro de los interruptores de circuito tipo tanque de SF₆ montados en el suelo, se puede adoptar el método de diferencia de tiempo absoluta o el método de diferencia de tiempo relativa. El método de diferencia de tiempo absoluta utiliza la señal de pulso de corriente de descarga o la señal de ultra alta frecuencia (UHF) como el tiempo de inicio de la descarga. Después de calcular la diferencia de tiempo entre la señal ultrasónica y la señal de inicio de la descarga, localiza la fuente de la descarga. El método de diferencia de tiempo relativa solo utiliza múltiples sensores ultrasónicos instalados en diferentes posiciones en el tanque del interruptor de circuito. Determina la ubicación de los defectos de aislamiento calculando la diferencia de tiempo entre cada señal ultrasónica y la señal ultrasónica de referencia.

Conclusión

El monitoreo en línea de descargas parciales puede evaluar eficazmente el rendimiento del aislamiento de los interruptores de circuito tipo tanque de SF₆ montados en el suelo antes de que ocurra una falla, y es uno de los medios importantes para garantizar su operación segura y estable. Este artículo revisa los métodos de detección y análisis de descargas parciales en interruptores de circuito tipo tanque montados en el suelo, combinando la experiencia experimental y en el sitio.

Durante las aplicaciones en el sitio, se deben utilizar múltiples medios de detección y métodos de análisis para mejorar la precisión y confiabilidad del monitoreo en línea. Al mismo tiempo, de acuerdo con los requisitos de la construcción de la Internet de las Cosas de energía omnipresente, la implementación de tecnologías clave como el sensor inalámbrico pasivo, redes de comunicación inalámbrica de bajo consumo, computación periférica y big data representa la tendencia futura de la detección de descargas parciales para interruptores de circuito tipo tanque montados en el suelo.