پژوهش درباره تکنولوژی تشخیص و روش تحلیل تخلیه جزئی در برش کاربر SF6 Floor Tank

پرتابه‌ی نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن، دستگاه کنترل و محافظت مهمی در زیرстанسیون‌ها و سیستم‌های برق است. این دستگاه عمدتاً برای قطع، بستن و حمل جریان‌های بار طبیعی در خطوط و قطع جریان‌های خرابی کوتاه در هنگام خرابی‌های سیستمی استفاده می‌شود. از اجزایی مانند المان‌های قطع کننده، بوش‌های عایق، ترانسفورماتورهای جریان نوع بوش، کمرنگ‌کننده‌های قوس الکتریکی، مکانیزم‌های عملیاتی و پوسته‌های زمینی تشکیل شده است. کمرنگ‌کننده‌ی قوس الکتریکی پرتابه‌ی نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن در داخل یک پوشش فلزی زمینی قرار دارد.

SF₆ به عنوان همچنین عایق و ماده‌ی خاموش‌کننده‌ی قوس الکتریکی برای پرتابه‌های نوع مخزن استفاده می‌شود. در یک میدان الکتریکی یکنواخت، قدرت عایق آن تقریباً سه برابر هوا است و قابلیت خاموش کردن قوس الکتریکی آن حدود صد برابر هوا است. بنابراین، پرتابه‌های SF₆ با ساختار فشرده و مساحت کوچک مشخص می‌شوند. علاوه بر این، پرتابه‌های نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن مزایایی مانند مرکز ثقل پایین تجهیزات، ساختار پایدار، عملکرد لرزه‌ای خوب، ترانسفورماتورهای جریان داخلی، مقاومت بالا در برابر آلودگی و نگهداری راحت را دارا می‌باشند.

با این حال، در طول تولید، مونتاژ، حمل و نقل و عملیات پرتابه‌های نوع مخزن، به دلایلی مانند پردازش ضعیف، تصادفات، ضربات و عملیات تغییر وضعیت، نقص‌های عایقی ممکن است رخ دهد. نقص‌های عایقی معمول شامل اجسام فلزی برجسته روی رسانه‌ها یا پوسته‌ها، الکترودهای شناور و ذرات فلزی آزاد می‌باشد. وقتی قدرت میدان الکتریکی متمرکز در محل نقص عایقی به میدان خرابی منطقه تحت ولتاژ آزمون یا ولتاژ اسمی می‌رسد، تخلیه‌ی جزئی (PD) رخ می‌دهد. تخلیه‌ی جزئی عامل اصلی تخریب عایق در پرتابه‌ها و یک پیش‌آگهی از خرابی‌های عایقی است. بنابراین، نظارت آنلاین بر سیگنال‌های تخلیه‌ی جزئی می‌تواند نقص‌های عایقی را قبل از وقوع خرابی شناسایی کند، که این یکی از وسایل حیاتی برای تضمین عملکرد ایمن و پایدار پرتابه‌های نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن و سیستم برق است.

براساس سیگنال‌های فیزیکی تولید شده در طول تخلیه، روش‌های اصلی تشخیص تخلیه‌ی جزئی برای پرتابه‌ها شامل روش جریان پالسی، روش فراصوت (AE)، روش ولتاژ زمینی گذرا (TEV) و روش فرکانس فوق‌بالا (UHF) [2 - 3] می‌باشد. این مقاله با ترکیب تجربیات آزمایشگاهی و میدانی، روش‌های مختلف تشخیص و تحلیل تخلیه‌ی جزئی برای پرتابه‌های SF₆ نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن را مرور می‌کند و ویژگی‌های هر روش را خلاصه می‌نماید.

روش جریان پالسی

هنگامی که تخلیه‌ی جزئی رخ می‌دهد، حرکت بارها یک جریان پالسی تولید می‌کند که می‌تواند توسط یک دستگاه کوپل یا سنسور جریان متصل شده در مدار آزمون شناسایی شود. روش جریان پالسی تنها روشی است که در IEC 60270 و استانداردهای مرتبط برای اندازه‌گیری کمّی تخلیه‌ی جزئی مشخص شده است. روش‌های دیگر عمدتاً برای تشخیص یا مکان‌یابی تخلیه‌ی جزئی استفاده می‌شوند. روش جریان پالسی با حساسیت بالا، اما بسیار آسیب‌پذیر در برابر تداخلات الکترومغناطیسی میدانی است. بنابراین، لازم است سیگنال‌های تخلیه‌ی ضعیف را از سیگنال‌های شناسایی شده جدا کنیم. کمیت فیزیکی نشان‌دهنده‌ی میزان تخلیه‌ی جزئی بار ظاهری q است که می‌تواند با استفاده از فرمول زیر به دست آید.

در این فرمول، i(t ) نشان‌دهنده‌ی جریان پالسی تخلیه‌ی جزئی است،Um(t) ولتاژ پالسی است،Rm مقادیر阻断：看起来您提供的内容是英文到波斯语的翻译，但似乎在最后被截断了。我将继续完成剩余部分的翻译。 ```html

در این فرمول، i(t ) نشان‌دهنده‌ی جریان پالسی تخلیه‌ی جزئی است،Um(t) ولتاژ پالسی است،Rm مقادیر امپدانس تشخیصی است و q بار ظاهری است که با واحد pC (پیکوکولوم) اندازه‌گیری می‌شود.

روش جریان پالسی بر اساس سنسورهای جریان برای تشخیص آنلاین تخلیه‌ی جزئی مناسب است. سنسورهای جریان با فرکانس بالا معمولاً در محدوده‌ی فرکانس 16 kHz تا 30 MHz عمل می‌کنند و با ساختاری کلیپ‌آن طراحی شده‌اند که نصب آن‌ها در سمت زمینی پرتابه‌های نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن را تسهیل می‌کند.

روش فراصوت

تخلیه‌ی جزئی باعث برخورد شدید مولکول‌ها می‌شود که امواج فراصوت را تولید می‌کند که درون پرتابه منتشر می‌شود. سنسورهای فراصوت نصب شده روی پوسته‌ی پرتابه می‌توانند سیگنال‌های تخلیه‌ی جزئی را شناسایی کنند. المان‌های پیزو الکتریک درون سنسورهای فراصوت امواج فراصوت تولید شده توسط تخلیه‌ی جزئی را به سیگنال‌های ولتاژی تبدیل می‌کنند که سپس به مدار تشخیص ارسال می‌شوند. مدار تشخیص برای روش فراصوت از یک دکوپلر (برای جدا کردن سیگنال‌های تغذیه از سیگنال‌های فراصوت)، یک تقویت‌کننده‌ی سیگنال و یک فیلتر تشکیل شده است.

سیگنال‌های زمانی و فرکانسی امواج فراصوت تخلیه‌ی جزئی در پرتابه‌های نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن در شکل 2 نشان داده شده است که محدوده‌ی فرکانسی آن‌ها بین 50 تا 250 kHz توزیع شده است. روش فراصوت مزایایی مانند هزینه‌ی کم، نصب آسان، مقاومت بالا در برابر تداخلات الکترومغناطیسی و مناسب بودن برای مکان‌یابی تخلیه‌ی جزئی دارد. با این حال، ساختار عایقی داخلی پرتابه‌ها پیچیده است و امواج فراصوت در گاز SF₆ با سرعت کم و کاهش قابل توجه منتشر می‌شوند، بنابراین لازم است موقعیت تشخیص بهینه را تعیین کنیم.

روش فرکانس فوق‌بالا (UHF)

زمان بالا رفتن و مدت زمان پالس‌های جریان تولید شده توسط تخلیه‌ی جزئی در مقیاس نانوثانیه است که امواج الکترومغناطیسی با فرکانس معادل در محدوده‌ی فرکانس فوق‌بالا 300 MHz تا 3 GHz را تحریک می‌کند. در حال حاضر، محدوده‌ی فرکانس تشخیصی بیشتر سنسورهای UHF موجود در بازار 300 MHz تا 1.5 GHz است. به دلیل ضعف و فرکانس بالای سیگنال‌ها، روش UHF نیاز به شرایط‌بندی سیگنال‌های ورودی از طریق مدارهای فیلتر، تقویت‌کننده و یکپارچه‌سازی دارد قبل از ارسال آن‌ها به کارت جمع‌آوری داده برای تحلیل بعدی.

در همین حال، در استفاده از روش UHF، لازم است از نظر نرم‌افزاری و سخت‌افزاری سیگنال‌های نویز مانند سیگنال‌های ارتباطی و تغذیه‌ی نوری را حذف کنیم. روش UHF با حساسیت بالا، مقاومت قوی در برابر تداخل و مناسب برای مکان‌یابی تخلیه‌ی جزئی مشخص می‌شود. الگوی PRPD (تشخیص فاز-محور) سیگنال‌های UHF تخلیه‌ی جزئی در پتانسیل شناور در شکل 3 نشان داده شده است که شامل اطلاعاتی درباره‌ی دامنه‌ی تخلیه، فاز و تعداد وقوع است.

روش ولتاژ زمینی گذرا (TEV)

وقتی امواج الکترومغناطیسی تولید شده توسط تخلیه‌ی جزئی به پوشش فلزی پرتابه‌ی نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن می‌رسند، یک جریان القایی روی سطح پوشش تولید می‌شود که باعث ایجاد یک ولتاژ زمینی گذرا در امپدانس موج زمین می‌شود. اصل کار سنسور TEV می‌تواند به عنوان یک تقسیم‌کننده‌ی ولتاژی ظرفیتی معادل شود. این سنسور با تشخیص ولتاژ در بین کندانسور معادل بین الکترود سنسور و لایه‌ی عایقی، وقوع تخلیه‌ی جزئی را تعیین می‌کند. سیگنال‌های ولتاژ زمینی گذرا تخلیه‌ی جزئی درون پرتابه‌ی SF₆ در شکل 4 نشان داده شده است که محدوده‌ی فرکانسی اصلی آن‌ها بین 1 تا 100 MHz است. روش TEV با مزایایی مانند استفاده آسان و عدم نیاز به مدار تشخیص اضافی مشخص می‌شود.

روش‌های تحلیل تخلیه‌ی جزئی

روش‌های تحلیل تخلیه‌ی جزئی برای ارزیابی سطح ریسک تخلیه‌ها، حذف نویز سیگنال‌ها و استخراج ویژگی‌های تخلیه برای طبقه‌بندی نوع خرابی استفاده می‌شود. این روش‌ها عمدتاً شامل روش موج‌شکل پالسی، روش الگوی PRPD، روش الگوی رابطه‌ی دامنه‌ی سه‌فازی، روش الگوی زمان-فرکانس و روش ویژگی‌های آماری زمانی است.

روش موج‌شکل پالسی بر اساس پارامترهایی مانند زمان بالا رفتن، زمان پایین آمدن، عرض پالس، کورتوسیس و اسکیویس یک موج‌شکل تخلیه را تحلیل می‌کند. روش الگوی PRPD سیگنال‌های تخلیه‌ی جزئی تحت ولتاژ AC توانی را جمع‌آوری می‌کند تا ویژگی‌های توزیع فاز، دامنه و تعداد وقوع تخلیه را به دست آورد. بنابراین، این روش نیز به عنوان روش الگوی \(\varphi -q -n\) شناخته می‌شود. روش الگوی رابطه‌ی دامنه‌ی سه‌فازی برای تحلیل تخلیه‌های جزئی تحت ولتاژ AC سه‌فازی استفاده می‌شود.

این روش با جمع‌آوری دامنه‌های تخلیه‌ی یک سیگنال تخلیه‌ی یکپارچه تحت ولتاژ‌های فاز مختلف، ویژگی‌های توزیع تخلیه را به دست می‌آورد. روش الگوی زمان-فرکانس پالس‌های تخلیه را جمع‌آوری می‌کند، معادل زمان و فرکانس آن‌ها را محاسبه می‌کند و الگوی توزیع تخلیه را در دامنه‌ی معادل زمان-فرکانس رسم می‌کند. روش ویژگی‌های آماری زمانی برای تحلیل تخلیه‌های جزئی تحت ولتاژ مستقیم بالا مناسب است. این روش بر اساس مقدار تخلیه و تفاوت زمانی بین پالس‌های تخلیه، ویژگی‌های توزیع تخلیه را آماری تحلیل می‌کند.

برای مکان‌یابی تخلیه‌های جزئی درون پرتابه‌های SF₆ نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن، می‌توان از روش تفاوت زمانی مطلق یا روش تفاوت زمانی نسبی استفاده کرد. روش تفاوت زمانی مطلق از سیگنال پالس جریان تخلیه یا سیگنال UHF به عنوان زمان شروع تخلیه استفاده می‌کند. پس از محاسبه‌ی تفاوت زمانی بین سیگنال فراصوت و سیگنال شروع تخلیه، مکان منبع تخلیه را تعیین می‌کند. روش تفاوت زمانی نسبی فقط از چندین سنسور فراصوت نصب شده در موقعیت‌های مختلف روی مخزن پرتابه استفاده می‌کند. این روش با محاسبه‌ی تفاوت زمانی بین هر سیگنال فراصوت و سیگنال فراصوت مرجع، مکان نقص‌های عایقی را تعیین می‌کند.

نتیجه‌گیری

نظارت آنلاین بر تخلیه‌های جزئی می‌تواند عملکرد عایقی پرتابه‌های SF₆ نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن را قبل از وقوع خرابی مؤثر ارزیابی کند و یکی از وسایل مهم برای تضمین عملکرد ایمن و پایدار آن‌ها و سیستم برق است. این مقاله روش‌های تشخیص و تحلیل تخلیه‌های جزئی در پرتابه‌های نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن را با ترکیب تجربیات آزمایشگاهی و میدانی مرور می‌کند.

در کاربردهای میدانی، باید از چندین روش تشخیص و تحلیل برای بهبود دقت و قابلیت اطمینان نظارت آنلاین استفاده شود. همچنین، در تطابق با نیازهای ساخت شبکه‌ی اینترنت اشیاء برقی، اجرای فناوری‌های کلیدی مانند حسگرهای بی‌سیم غیرفعال، شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم با مصرف انرژی کم، محاسبات لبه‌ای و داده‌های بزرگ، روند آینده‌ی تشخیص تخلیه‌ی جزئی برای پرتابه‌های نصب شده در زمین با ظرفیت مخزن را نشان می‌دهد.