پژوهش درباره فناوری تشخیص و روش تحلیل خروجی جزئی در شیرکننده سیال SF6

Schroter مودل کف‌نشین نوع رزروار دستگاه کنترل و حفاظت مهمی در زیرстанسیون‌ها و سیستم‌های برق است. این دستگاه عمدتاً برای قطع، بستن و حمل جریان‌های بار طبیعی در خطوط و همچنین برای قطع جریان‌های خازنی در هنگام خرابی‌های سیستم استفاده می‌شود. Schroter مودل کف‌نشین شامل اجزایی مانند المان‌های قطع، بوش‌های عایق، ترانسفورماتورهای جریان نوع بوش، دستگاه‌های خاموش‌کننده قوس، مکانیزم‌های عملکرد و پوشش‌های زمینی است. دستگاه خاموش‌کننده قوس Schroter مودل کف‌نشین در داخل یک پوشش فلزی زمین شده قرار دارد.

SF₆ به عنوان ماده عایق و خاموش‌کننده قوس برای Schroterهای نوع رزروار استفاده می‌شود. در یک میدان الکتریکی یکنواخت، قدرت عایق آن تقریباً سه برابر هوا است و قابلیت خاموش‌کننده قوس آن حدود صد برابر هوا می‌باشد. به این ترتیب، Schroterهای SF₆ با ساختار فشرده و مساحت کوچک مشخص می‌شوند. علاوه بر این، Schroterهای مودل کف‌نشین مزایایی مانند مرکز ثقل کم تجهیزات، ساختار پایدار، عملکرد لرزه‌ای خوب، ترانسفورماتورهای جریان داخلی، مقاومت قوی در برابر آلودگی و نگهداری آسان را دارا می‌باشند.

با این حال، در طول تولید، مونتاژ، حمل و نقل و عملکرد Schroterهای نوع رزروار، به دلیل عواملی مانند پردازش ضعیف، برخورد، تصادفات و عملیات تغییر، عیب‌های عایقی ممکن است رخ دهند. عیب‌های عایقی معمول شامل اجسام فلزی برجسته روی هادی‌ها یا پوشش‌ها، الکترودهای شناور و ذرات فلزی آزاد می‌باشند. وقتی قدرت میدان الکتریکی در محل عیب عایقی به قدرت میدان شکست در محدوده ولتاژ آزمون یا ولتاژ اسمی می‌رسد، رهاشدن جزئی (PD) رخ می‌دهد. رهاشدن جزئی عامل اصلی تخریب عایق در Schroterها و پیش‌بینی شکست عایقی است. بنابراین، نظارت آنلاین بر سیگنال‌های رهاشدن جزئی می‌تواند عیب‌های عایقی را قبل از وقوع شکست تشخیص دهد که این یکی از وسایل حیاتی برای تضمین عملکرد ایمن و پایدار Schroterهای مودل کف‌نشین و سیستم برق است.

بر اساس سیگنال‌های فیزیکی تولید شده در طول رهاشدن، روش‌های اصلی تشخیص رهاشدن جزئی برای Schroterها شامل روش جریان پالسی، روش فراصوت (AE)، روش ولتاژ زمینی موقت (TEV) و روش فرکانس فوق بالا (UHF) [2-3] می‌باشند. این مقاله با ترکیب تجربیات آزمایشگاهی و میدانی، روش‌های مختلف تشخیص و تحلیل رهاشدن جزئی برای Schroterهای مودل کف‌نشین SF₆ را بررسی می‌کند و ویژگی‌های هر روش را خلاصه می‌نماید.

روش جریان پالسی

هنگام رخ دادن رهاشدن جزئی، حرکت بارها یک جریان پالسی تولید می‌کند که می‌تواند توسط یک دستگاه جفت‌کننده یا حسگر جریان متصل شده در مدار آزمون شناسایی شود. روش جریان پالسی تنها روشی است که در IEC 60270 و استانداردهای مرتبط برای اندازه‌گیری کمی رهاشدن جزئی مشخص شده است. روش‌های دیگر عمدتاً برای تشخیص یا مکان‌یابی رهاشدن جزئی استفاده می‌شوند. روش جریان پالسی دارای حساسیت بالا است، اما به تداخل الکترومغناطیسی محلی بسیار حساس است. بنابراین، لازم است سیگنال‌های رهاشدن ضعیف را از سیگنال‌های شناسایی شده استخراج کنیم. مقدار فیزیکی نماینده میزان رهاشدن جزئی، بار ظاهری q است که می‌تواند از فرمول زیر به دست آید.

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

روش جریان پالسی بر اساس حسگرهای جریان مناسب برای تشخیص آنلاین رهاشدن جزئی است. حسگرهای جریان فرکانس بالا معمولاً در محدوده فرکانس 16 kHz تا 30 MHz عمل می‌کنند و با ساختاری کلیپ-آن طراحی شده‌اند که نصب آن‌ها در انتهای زمین Schroterهای مودل کف‌نشین را تسهیل می‌کند.

روش فراصوت

رهاشدن جزئی باعث برخورد مولکولی شدید می‌شود که موج‌های فراصوتی را در داخل Schroter تولید می‌کند. حسگرهای فراصوتی نصب شده بر روی پوشش Schroter می‌توانند سیگنال‌های رهاشدن جزئی را شناسایی کنند. عناصر فشاری داخل حسگرهای فراصوتی موج‌های فراصوتی تولید شده توسط رهاشدن جزئی را به سیگنال‌های ولتاژی تبدیل می‌کنند که سپس به مدار تشخیص منتقل می‌شوند. مدار تشخیص برای روش فراصوتی عمدتاً شامل جداکننده (برای جداسازی سیگنال‌های تغذیه از سیگنال‌های فراصوتی)، تقویت‌کننده سیگنال و فیلتر است.

سیگنال‌های زمانی و فرکانسی موج‌های فراصوتی از رهاشدن جزئی در داخل Schroterهای مودل کف‌نشین در شکل 2 نشان داده شده است که محدوده فرکانسی آن‌ها بین 50 تا 250 kHz توزیع شده است. روش فراصوتی مزایایی مانند هزینه کم، نصب آسان، مقاومت قوی در برابر تداخل الکترومغناطیسی و مناسب برای مکان‌یابی رهاشدن جزئی دارد. با این حال، ساختار عایق داخلی Schroterها پیچیده است و موج‌های فراصوتی در گاز SF₆ بسیار آرام حرکت می‌کنند و کاهش قابل توجهی دارند، بنابراین لازم است موقعیت تشخیص بهینه را شناسایی کنیم.

روش فرکانس فوق بالا (UHF)

زمان صعود و مدت زمان پالس‌های جریان تولید شده توسط رهاشدن جزئی در مقیاس نانوثانی است، که موج‌های الکترومغناطیسی با فرکانس معادل در محدوده فرکانس فوق بالا 300 MHz تا 3 GHz را تحریک می‌کند. در حال حاضر، محدوده فرکانس تشخیصی بیشتر حسگرهای UHF موجود در بازار 300 MHz تا 1.5 GHz است. به دلیل ضعف و فرکانس بالای سیگنال‌ها، روش UHF نیاز به شرایط دادن سیگنال‌های ورودی از طریق مدارهای فیلتر، تقویت‌کننده و یکپارچه‌سازی دارد قبل از انتقال آن‌ها به کارت جمع‌آوری داده برای تحلیل بعدی.

همچنین، در استفاده از روش UHF، لازم است از نظر نرم‌افزاری و سخت‌افزاری نویزهایی مانند سیگنال‌های ارتباطی و سیگنال‌های تغذیه روشنایی را حذف کنیم. روش UHF دارای حساسیت بالا، مقاومت قوی در برابر تداخل و مناسب برای مکان‌یابی رهاشدن جزئی است. الگوی PRPD سیگنال‌های UHF از رهاشدن جزئی در پتانسیل شناور در شکل 3 نشان داده شده است که شامل اطلاعاتی درباره دامنه رهاشدن، فاز و تعداد وقوع است.

روش ولتاژ زمینی موقت (TEV)

وقتی موج‌های الکترومغناطیسی تولید شده توسط رهاشدن جزئی به پوشش فلزی Schroter مودل کف‌نشین می‌رسند، یک جریان القایی در سطح پوشش تولید می‌شود که منجر به ولتاژ زمینی موقت در میان مقاومت موج زمین شده می‌شود. اصل کار حسگر TEV می‌تواند به معادل یک تقسیم‌کننده ولتاژی خازنی در نظر گرفته شود. این حسگر با تشخیص ولتاژ در میان خازن معادل بین الکترود حسگر و لایه عایقی، رخ دادن رهاشدن جزئی را تعیین می‌کند. سیگنال‌های ولتاژ زمینی موقت از رهاشدن جزئی در داخل Schroter SF₆ در شکل 4 نشان داده شده است که محدوده فرکانسی اصلی آن 1 تا 100 MHz است. روش TEV با مزایای استفاده آسان و عدم نیاز به مدار تشخیص اضافی مشخص می‌شود.

روش‌های تحلیل رهاشدن جزئی

روش‌های تحلیل رهاشدن جزئی برای ارزیابی سطح خطر رهاشدن، کاهش نویز سیگنال‌ها و استخراج ویژگی‌های رهاشدن برای طبقه‌بندی نوع خرابی استفاده می‌شوند. این روش‌ها عمدتاً شامل روش موج‌نامه پالسی، روش الگوی PRPD، روش الگوی رابطه دامنه سه‌فازی، روش الگوی زمان-فرکانس و روش ویژگی آماری زمانی است.

روش موج‌نامه پالسی یک موج رهاشدن را بر اساس پارامترهایی مانند زمان صعود، زمان سقوط، عرض پالس، کورتوسیس و اسکیونس تحلیل می‌کند. روش الگوی PRPD سیگنال‌های رهاشدن جزئی تحت ولتاژ AC فرکانس قدرت را جمع‌آوری می‌کند تا ویژگی‌های توزیع فاز، دامنه و تعداد وقوع رهاشدن را به دست آورد. بنابراین، این روش نیز به عنوان روش \(\varphi -q -n\) شناخته می‌شود. روش الگوی رابطه دامنه سه‌فازی برای تحلیل رهاشدن جزئی تحت ولتاژ AC سه‌فازی استفاده می‌شود.

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

برای مکان‌یابی رهاشدن جزئی در داخل Schroterهای مودل کف‌نشین SF₆، می‌توان از روش زمان‌یابی مطلق یا نسبی استفاده کرد. روش زمان‌یابی مطلق سیگنال پالس جریان رهاشدن یا سیگنال UHF را به عنوان زمان شروع رهاشدن استفاده می‌کند. پس از محاسبه اختلاف زمانی بین سیگنال فراصوتی و سیگنال شروع رهاشدن، محل منبع رهاشدن را مکان‌یابی می‌کند. روش زمان‌یابی نسبی فقط از چند حسگر فراصوتی نصب شده در موقعیت‌های مختلف روی دیواره Schroter استفاده می‌کند. این روش با محاسبه اختلاف زمانی بین هر سیگنال فراصوتی و سیگنال فراصوتی مرجع، محل عیب عایقی را تعیین می‌کند.

نتیجه‌گیری

نظارت آنلاین بر رهاشدن جزئی می‌تواند به طور موثر عملکرد عایق Schroterهای مودل کف‌نشین SF₆ را قبل از وقوع خرابی ارزیابی کند و یکی از وسایل مهم برای تضمین عملکرد ایمن و پایدار آن‌ها است. این مقاله روش‌های تشخیص و تحلیل رهاشدن جزئی در Schroterهای مودل کف‌نشین را با ترکیب تجربیات آزمایشگاهی و میدانی بررسی می‌کند.

در برنامه‌های میدانی، باید از چندین روش تشخیص و تحلیل استفاده کرد تا دقت و قابلیت اطمینان نظارت آنلاین را افزایش داد. همچنین، در انسجام با نیازهای ساختار سراسری اینترنت چیزها در برق، اجرای فناوری‌های کلیدی مانند حسگرهای بی‌سیم بدون تغذیه، شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم با مصرف انرژی پایین، محاسبات لبه‌ای و داده‌های بزرگ، روند توسعه آینده تشخیص رهاشدن جزئی در Schroterهای مودل کف‌نشین را نشان می‌دهد.