Investigación sobre a tecnoloxía de detección e o método de análise da descarga parcial no interruptor de tanque de SF6

O interruptor de corrente do tipo tanque montado no chão é un dispositivo de control e protección crucial en subestacións e sistemas eléctricos. Utilízase principalmente para interromper, cerrar e transportar correntes normais de carga en liñas, e para cortar as correntes de curto circuito durante fallos do sistema. Compóñese de compoñentes como elementos de interrupción, bushings aislantes, transformadores de corrente do tipo bushing, cámaras de extinción de arco, mecanismos de manexo e carcaxas de terra, sendo a cámara de extinción de arco do interruptor de corrente do tipo tanque montado no chão aloxada dentro dunha carcaxa metálica aterrada.

O SF₆ serve como medio aislante e de extinción de arco para os interruptores de corrente do tipo tanque. Nun campo eléctrico uniforme, a súa forza aislante é aproximadamente tres veces a do aire, e a súa capacidade de extinción de arco é preto de 100 veces a do aire. Como resultado, os interruptores de corrente de SF₆ caracterízanse por unha estrutura compacta e unha pequena pegada. Ademais, os interruptores de corrente do tipo tanque montados no chão ofrecen vantaxes como un centro de gravidade baixo do equipo, estrutura estable, boa resistencia sísmica, transformadores de corrente incorporados, forte resistencia á suxección e manutención conveniente.

No entanto, durante a fabricación, montaxe, transporte e operación dos interruptores de corrente do tipo tanque, poden ocorrer defectos de aislamento debido a factores como un mal procesamento, colisións, impactos e operacións de conmutación. Os defectos de aislamento típicos inclúen obxectos metálicos salientes nos conductores ou carcaxas, electrodos flotantes e partículas metálicas libres. Cando a intensidade do campo eléctrico concentrada no defecto de aislamento alcanza a forza de rotura do campo na área baixo a tensión de proba ou nominal, produce-se a descarga parcial (DP). A descarga parcial é a causa principal da degradación do aislamento nos interruptores de corrente e un precursor de fallos de aislamento. Polo tanto, o monitorización en liña das señales de descarga parcial pode detectar defectos de aislamento antes de que ocorra un fallo, o que é un medio vital para asegurar a operación segura e estable dos interruptores de corrente do tipo tanque montados no chão e do sistema eléctrico.

Baseándose nas señales físicas xeradas durante a descarga, os principais métodos de detección de descarga parcial para interruptores de corrente son o método de corrente pulsada, o método ultrasonoro (AE), o método de tensión terrestre transitória (TEV) e o método de ultra alta frecuencia (UHF) [2 - 3]. Este artigo combina a experiencia experimental e no terreo para revisar varias técnicas de detección e análise de descarga parcial para interruptores de corrente de SF₆ do tipo tanque montados no chão e resumir as características de cada método.

Método de Corrente Pulsada

Cando ocorre unha descarga parcial, o movemento de cargas xera unha corrente pulsada, que pode ser detectada por un dispositivo de acoplamento ou sensor de corrente conectado no circuito de proba. O método de corrente pulsada é o único método especificado na IEC 60270 e nas normas relevantes para a medida cuantitativa de descargas parciais. Os outros métodos usan principalmente para a detección ou localización de descargas parciais. O método de corrente pulsada destaca pola súa alta sensibilidade, pero é altamente susceptible á interferencia electromagnética no terreo. Polo tanto, é necesario extraer as débeis señales de descarga das señales detectadas. A magnitude física que representa a magnitude da descarga parcial é a carga aparente q, que se pode obter mediante a seguinte fórmula.

Na fórmula, i(t ) representa a corrente pulsada da descarga parcial, Um(t) é a tensión pulsada, Rm é o valor da impedancia de detección e q é a carga aparente, coa unidade de pC (picocoulombio).

O método de corrente pulsada baseado en sensores de corrente é adecuado para a detección en liña de descargas parciais. Os sensores de corrente de alta frecuencia xeralmente operan nun rango de frecuencias de 16 kHz a 30 MHz e están deseñados cunha estrutura de abrazadera, facilitando a súa instalación no extremo de aterramento dos interruptores de corrente do tipo tanque montados no chão.

Método Ultrasonoro

A descarga parcial provoca colisións moleculares intensas, xerando ondas ultrasonoras que se propagan dentro do interruptor de corrente. Os sensores ultrasonoros instalados na carcaxa do interruptor de corrente poden detectar señales de descarga parcial. Os elementos piezoeléctricos dentro dos sensores ultrasonoros convierten as señales ultrasonoras xeradas pola descarga parcial en señales de voltaxe, que despois se transmite ao circuito de detección. O circuito de detección para o método ultrasonoro consiste principalmente nun decuplador (usado para separar as señales de alimentación das señales ultrasonoras), un amplificador de señal e un filtro.

As señales no dominio temporal e no dominio de frecuencia das ondas ultrasonoras da descarga parcial dentro dos interruptores de corrente do tipo tanque montados no chão amósanse na Figura 2, co rango de frecuencias distribuído principalmente entre 50 e 250 kHz. O método ultrasonoro ofrece vantaxes como baixo custo, facilidade de instalación, forte resistencia á interferencia electromagnética e adequación para a localización de descargas parciais. No entanto, a estrutura interna de aislamento dos interruptores de corrente é complexa, e as ondas ultrasonoras viaxan lentamente e experimentan unha atenuación significativa no gas SF₆, necesitándose identificar unha posición de detección óptima.

Método de Ultra Alta Frecuencia (UHF)

O tempo de subida e duración das pulsos de corrente xerados pola descarga parcial están no rango de nanosegundos, excitando ondas electromagnéticas con frecuencias equivalentes no rango de ultra alta frecuencia de 300 MHz a 3 GHz. Actualmente, o rango de detección de frecuencia de moitos sensores UHF no mercado é de 300 MHz a 1,5 GHz. Debido á natureza débil e de alta frecuencia das señales, o método UHF require condicionar as señales de entrada a través de circuitos de filtrado, circuitos de amplificación e circuitos de integración antes de transmitilos a unha tarxeta de adquisición de datos para análise posterior.

Ao mesmo tempo, ao usar o método UHF, é necesario eliminar ruidos como as señales de comunicación e as señales de alimentación de iluminación desde os aspectos software e hardware. O método UHF caracterízase por unha alta sensibilidade, forte resistencia á interferencia e é adecuado para a localización de descargas parciais. O patrón de descarga parcial resolvido en fase (PRPD) das señales UHF da descarga parcial en potencial flotante amósase na Figura 3, que contén información sobre a amplitud, a fase e o número de ocorrências da descarga.

Método de Tensión Terrestre Transitória (TEV)

Cando as ondas electromagnéticas xeradas pola descarga parcial se propagan ata a carcaxa metálica do interruptor de corrente do tipo tanque montado no chão, xérase unha corrente inducida na superficie da carcaxa, resultando nunha tensión terrestre transitória a través da impedancia de onda do corpo de aterramento. O principio de funcionamento dun sensor TEV pode ser equivalente ao dun divisor de tensión capacitivo. Determina a ocorrência de descarga parcial detectando a tensión a través do capacitor equivalente entre o electrodo do sensor e a capa aislante. As señales de tensión terrestre transitória da descarga parcial dentro dun interruptor de corrente de SF₆ amósanse na Figura 4, co rango de frecuencia principal entre 1 e 100 MHz. O método TEV caracterízase polo seu fácil uso e a ausencia de necesidade dun circuito de detección adicional.

Métodos de Análise de Descarga Parcial

Os métodos de análise de descarga parcial empreganse para avaliar o nivel de risco das descargas, eliminar ruído das señales e extraer características de descarga para a clasificación do tipo de fallo. Estes métodos inclúen principalmente o método de forma de onda de pulso, o método de patrón de descarga parcial resolvida en fase (PRPD), o método de relación de amplitudes trifásica, o método de patrón de tempo-frecuencia e o método de características estatísticas basadas en tempo.

O método de forma de onda de pulso analiza unha única forma de onda de descarga baseándose en parámetros como o tempo de subida, o tempo de caída, a anchura do pulso, a curtose e a asimetría. O método de patrón PRPD acumula as señales de descarga parcial baixo tensión de rede de corrente alterna para obter as características de distribución de fase, amplitud e número de ocorrências das descargas. Polo tanto, tamén se coñece como o método de patrón \(\varphi -q -n\). O método de relación de amplitudes trifásica úsase para analizar descargas parciais baixo tensión de corrente alterna trifásica.

Obtén as características de distribución de descarga recollendo as amplitudes de descarga dunha señal de descarga unificada baixo diferentes voltaxes de fase. O método de patrón de tempo-frecuencia recolle pulsos de descarga, calcula o seu tempo equivalente e a súa frecuencia equivalente, e traza o patrón de distribución de descarga no dominio de tempo equivalente-frecuencia equivalente. O método de características estatísticas basadas en tempo é aplicable á análise de descargas parciais baixo corrente continua de alta tensión. Realiza unha análise estatística das características de distribución de descarga baseándose na magnitude da cantidade de descarga e na diferenza de tempo entre os pulsos de descarga.

Para a localización de descargas parciais dentro dos interruptores de corrente de SF₆ do tipo tanque montados no chão, pode adoptarse o método de diferenza de tempo absoluta ou o método de diferenza de tempo relativa. O método de diferenza de tempo absoluta usa a señal de pulso de corrente de descarga ou a señal de ultra alta frecuencia (UHF) como o momento de inicio da descarga. Despois de calcular a diferenza de tempo entre a señal ultrasonora e a señal de inicio de descarga, localiza a fonte de descarga. O método de diferenza de tempo relativa só usa múltiples sensores ultrasonoros instalados en diferentes posicións na carcaxa do interruptor de corrente. Determina a localización de defectos de aislamento calculando a diferenza de tempo entre cada señal ultrasonora e a señal ultrasonora de referencia.

Conclusión

A monitorización en liña de descargas parciais pode avaliar eficazmente o rendemento do aislamento dos interruptores de corrente de SF₆ do tipo tanque montados no chão antes de que ocorra un fallo, e é un dos medios importantes para asegurar a súa operación segura e estable. Este artigo revisa os métodos de detección e análise de descargas parciais en interruptores de corrente do tipo tanque montados no chão, combinando a experiencia experimental e no terreo.

Durante as aplicacións no terreo, deben empregarse múltiples medios de detección e métodos de análise para mellorar a precisión e fiabilidade da monitorización en liña. Ao mesmo tempo, de acordo cos requisitos da construción da Internet das cousas omnipresente de enerxía, a implementación de tecnoloxías clave como a detección sen fios pasiva, redes de comunicación inalámbrica de baixo consumo, cómputo de borda e grandes datos representa a tendencia futura de detección de descargas parciais para interruptores de corrente do tipo tanque montados no chão.