Pagsasaliksik sa Teknolohiya ng Pagtukoy at Pamamaraan ng Pagsusuri ng Partial Discharge sa SF6 Floor Tank Circuit Breaker

Ang floor-mounted tank-type circuit breaker ay isang mahalagang kontrol at proteksiyon na aparato sa mga substation at power system. Ito ay pangunahing ginagamit upang putulin, buksan, at dalhin ang normal na load current sa mga linya, at upang putulin ang short-circuit current sa panahon ng pagkabigo ng sistema. Binubuo ito ng mga komponente tulad ng interrupting elements, insulating bushings, bushing-type current transformers, arc-extinguishing chambers, operating mechanisms, at grounding casings, ang arc-extinguishing chamber ng floor-mounted tank-type circuit breaker ay nakapaloob sa isang naka-ground na metal casing.

Ang SF₆ ay gumagampan bilang insulating at arc-extinguishing medium para sa tank-type circuit breakers. Sa uniform electric field, ang lakas ng insulasyon nito ay humigit-kumulang tatlong beses kumpara sa hangin, at ang kakayahan nito sa pag-eliminate ng ark ay humigit-kumulang 100 beses kumpara sa hangin. Dahil dito, ang mga SF₆ circuit breakers ay may compact na struktura at maliit na footprint. Bukod dito, ang mga floor-mounted tank-type circuit breakers ay nagbibigay ng mga benepisyo tulad ng mababang sentro ng bigat ng equipment, matatag na struktura, magandang seismic performance, built-in current transformers, malakas na resistensya laban sa dirt, at convenient na maintenance.

Gayunpaman, sa panahon ng paggawa, assemblage, transport, at operasyon ng mga tank-type circuit breakers, maaaring mangyari ang mga insulation defects dahil sa mga kadahilanan tulad ng mahina na proseso, collision, impact, at switching operations. Ang mga typical na insulation defects ay kinabibilangan ng mga protruding metal objects sa mga conductor o casing, floating electrodes, at free metal particles. Kapag ang lakas ng electric field na nakonsentrado sa insulation defect ay umabot sa breakdown field strength ng lugar sa ilalim ng test voltage o rated voltage, nangyayari ang partial discharge (PD). Ang partial discharge ay ang pangunahing sanhi ng degradation ng insulasyon sa mga circuit breakers at isang precursor sa mga insulation failures. Kaya, ang online monitoring ng mga partial discharge signals ay maaaring detektiyunin ang mga insulation defects bago magkaroon ng pagkabigo, na isang vital na paraan upang tiyakin ang ligtas at matatag na operasyon ng floor-mounted tank-type circuit breakers at ng power system.

Batay sa mga pisikal na signal na lumilikha sa panahon ng discharge, ang mga pangunahing paraan ng partial discharge detection para sa mga circuit breakers ay ang pulsed current method, ultrasonic method (AE), transient earth voltage method (TEV), at ultra-high frequency method (UHF) [2 - 3]. Ang artikulong ito ay naglalayong pagsamasama ang experimental at on-site experience upang suriin ang iba't ibang paraan ng partial discharge detection at analysis para sa SF₆ floor-mounted tank-type circuit breakers at sumaryuhin ang mga katangian ng bawat paraan.

Pulsed Current Method

Kapag nangyari ang partial discharge, ang paggalaw ng mga charge ay lumilikha ng pulsed current, na maaaring makita gamit ang coupling device o current sensor na konektado sa test circuit. Ang pulsed current method ay ang tanging paraan na inisyu sa IEC 60270 at relevant na pamantayan para sa quantitative measurement ng partial discharge. Ang iba pang mga paraan ay pangunahing ginagamit para sa deteksiyon o lokasyon ng partial discharge. Ang pulsed current method ay may mataas na sensitibidad, ngunit napakataas din ang sensitivity nito sa on-site electromagnetic interference. Kaya, kinakailangang i-extract ang mababang discharge signals mula sa mga detected signals. Ang pisikal na dami na kumakatawan sa magnitude ng partial discharge ay ang apparent charge q, na maaaring makamit gamit ang sumusunod na formula.

Sa formula, i(t) kumakatawan sa pulsed current ng partial discharge, Um(t) ang pulsed voltage, Rm ang detection impedance value, at q ang apparent charge, na may yunit ng pC (picocoulomb).

Ang pulsed current method batay sa mga current sensors ay angkop para sa online partial discharge detection. Ang high-frequency current sensors karaniwang gumagana sa frequency range na 16 kHz hanggang 30 MHz at disenyo bilang clamp-on structure, na nagpapadali ng pag-install sa grounding end ng floor-mounted tank-type circuit breakers.

Ultrasonic Method

Ang partial discharge ay nagdudulot ng intense molecular collisions, na lumilikha ng ultrasonic waves na nagpropagate sa loob ng circuit breaker. Ang mga ultrasonic sensors na nakainstala sa casing ng circuit breaker ay maaaring detektiyunin ang mga partial discharge signals. Ang mga piezoelectric elements sa loob ng ultrasonic sensors ay nagcoconvert ng ultrasonic signals na lumilikha ng partial discharge sa voltage signals, na pagkatapos ay ipinapadala sa detection circuit. Ang detection circuit para sa ultrasonic method pangunahing binubuo ng decoupler (ginagamit upang hiwalayin ang power supply signals mula sa ultrasonic signals), signal amplifier, at filter.

Ang time-domain at frequency-domain signals ng ultrasonic waves mula sa partial discharge sa loob ng floor-mounted tank-type circuit breakers ay ipinapakita sa Figure 2, na may frequency range na pangunahing nakadistributo sa 50 hanggang 250 kHz. Ang ultrasonic method ay may mga benepisyo tulad ng mababang cost, madaling installation, malakas na resistensya laban sa electromagnetic interference, at angkop para sa lokasyon ng partial discharge. Gayunpaman, ang internal insulation structure ng circuit breakers ay komplikado, at ang ultrasonic waves ay mabagal na nagtravel at may malaking attenuation sa SF₆ gas, kaya kinakailangan ang pag-identify ng optimal na detection position.

Ultra-High Frequency (UHF) Method

Ang rise time at duration ng mga current pulses na lumilikha ng partial discharge ay nasa nanosecond scale, na nagexcite ng electromagnetic waves na may katumbas na frequencies sa ultra-high frequency range na 300 MHz hanggang 3 GHz. Kasalukuyan, ang detection frequency range ng karamihan sa UHF sensors sa merkado ay 300 MHz hanggang 1.5 GHz. Dahil sa mahina at mataas na frequency ng mga signal, ang UHF method ay nangangailangan ng conditioning ng input signals sa pamamagitan ng filtering circuits, amplifying circuits, at integrating circuits bago ipinadala sa data acquisition card para sa susunod na analisis.

Samantala, kapag ginagamit ang UHF method, kinakailangang alisin ang mga noise tulad ng communication signals at lighting power supply signals mula sa software at hardware aspects. Ang UHF method ay may mataas na sensitibidad, malakas na anti-interference ability, at angkop para sa lokasyon ng partial discharge. Ang phase-resolved partial discharge (PRPD) pattern ng UHF signals mula sa partial discharge sa floating potential ay ipinapakita sa Figure 3, na naglalaman ng impormasyon tungkol sa amplitude, phase, at bilang ng pag-occur ng discharge.

Transient Earth Voltage (TEV) Method

Kapag ang electromagnetic waves na lumilikha ng partial discharge ay nagpropagate patungo sa metal enclosure ng floor-mounted tank-type circuit breaker, naglilikha ng induced current sa surface ng enclosure, na nagresulta sa transient earth voltage sa wave impedance ng grounding body. Ang working principle ng TEV sensor ay maaaring kapareho sa capacitive voltage divider. Ito ay nadetektiyun ang pag-occur ng partial discharge sa pamamagitan ng pagdetektiyun ng voltage sa equivalent capacitor sa pagitan ng sensor electrode at insulating layer. Ang transient earth voltage signals ng partial discharge sa loob ng SF₆ circuit breaker ay ipinapakita sa Figure 4, na may pangunahing frequency range na 1 - 100 MHz. Ang TEV method ay may mga katangian tulad ng madaling gamitin at walang kailangan ng additional detection circuit.

Partial Discharge Analysis Methods

Ang mga paraan ng partial discharge analysis ay ginagamit upang asesahin ang lebel ng panganib ng mga discharge, desnoise signals, at i-extract ang mga katangian ng discharge para sa classification ng uri ng fault. Ang mga paraan na ito pangunahing kinabibilangan ng pulse waveform method, phase-resolved partial discharge (PRPD) pattern method, three-phase amplitude relationship pattern method, time-frequency pattern method, at time-based statistical characteristic method.

Ang pulse waveform method ay nag-aanalisa ng single discharge waveform batay sa mga parameter tulad ng rise time, fall time, pulse width, kurtosis, at skewness. Ang PRPD pattern method ay nag-accumulate ng partial discharge signals sa ilalim ng AC power-frequency voltage upang makakuha ng distribution characteristics ng phase, amplitude, at bilang ng mga discharge. Kaya, ito ay kilala rin bilang φ-q-n pattern method. Ang three-phase amplitude relationship pattern method ay ginagamit para sa analisis ng partial discharges sa ilalim ng three-phase AC voltage.

Ito ay nakukuha ang mga distribution characteristics ng discharge sa pamamagitan ng pag-collect ng mga amplitudes ng unified discharge signal sa iba't ibang phase voltages. Ang time-frequency pattern method ay nag-collect ng mga discharge pulses, kumukalkula ng kanilang equivalent time at equivalent frequency, at plot ang discharge distribution pattern sa equivalent time-equivalent frequency domain. Ang time-based statistical characteristic method ay angkop para sa analisis ng partial discharges sa ilalim ng high-voltage direct current. Ito ay nagstatistical analysis ng mga distribution characteristics ng discharge batay sa magnitude ng discharge quantity at ang time difference sa pagitan ng mga discharge pulses.

Para sa lokasyon ng partial discharges sa loob ng SF₆ floor-mounted tank-type circuit breakers, maaaring gamitin ang absolute time-difference method o relative time-difference method. Ang absolute time-difference method ay gumagamit ng discharge current pulse signal o ang ultra-high frequency (UHF) signal bilang starting time ng discharge. Pagkatapos ng pagkalkula ng time difference sa pagitan ng ultrasonic signal at discharge starting signal, ito ay nalolokasyon ang source ng discharge. Ang relative time-difference method ay gumagamit lamang ng multiple ultrasonic sensors na nakainstala sa iba't ibang posisyon sa circuit breaker tank. Ito ay nalolokasyon ang location ng insulation defects sa pamamagitan ng pagkalkula ng time difference sa pagitan ng bawat ultrasonic signal at reference ultrasonic signal.

Conclusion

Ang online monitoring ng partial discharges ay maaaring epektibong asesahin ang insulation performance ng SF₆ floor-mounted tank-type circuit breakers bago magkaroon ng pagkabigo, at ito ay isa sa mga mahalagang paraan upang tiyakin ang kanilang ligtas at matatag na operasyon. Ang artikulong ito ay sumuri sa mga paraan ng detection at analysis ng partial discharges sa floor-mounted tank-type circuit breakers, na pinagsama ang experimental at on-site experience.

Sa panahon ng on-site applications, dapat gamitin ang multiple detection means at analysis methods upang mapataas ang accuracy at reliability ng online monitoring. Samantala, kasabay ng mga requirement ng construction ng ubiquitous power Internet of Things, ang pag-implement ng mga key technology tulad ng wireless passive sensing, low-power-consumption wireless communication networks, edge computing, at big data ay kumakatawan sa future development trend ng partial discharge detection para sa floor-mounted tank-type circuit breakers.