מחקר על טכנולוגיית גילוי ותהליך ניתוח של תופעת הדלקה חלקית במשבץ קרקעי של מפסק מעגל עם גז SF6

המשטח היבש מסוג מיכל הוא מכשיר בקרה והגנה קריטי בתחנות כוח מערכות חשמל. הוא משמש בעיקר כדי לשבור, להסגור ולהוביל זרמים נורמליים של עומס בקווים, ולחתוך זרמי קצר-مدار במהלך תקלות במערכת. מורכב מאבזרות כגון איברי הפסקה, צינורות מבודדים, טרנספורמיטורים זרם מתוכננים בצורת צינור, חדרי כיבוי קשת, מנגנוני פעולה ומגינים מחוברים לאדמה, חדר הכיבוי הקשת של המשטח היבש מסוג מיכל נמצא בתוך גוף מתכת מחובר לאדמה.

SF₆ משמש כאמצעי מבודד וכיבוי קשת עבור משטחי מיכל. בשדה חשמלי אחיד, חוזק המבודד שלו הוא בערך שלוש פעמים חזק יותר מאשר אוויר, ויכולת כיבוי הקשת שלו היא בערך מאה פעמים חזקה יותר מאשר אוויר. כתוצאה מכך, משטחי מתחם SF₆ מאופיינים במבנה קומפקטי והיקף קטן. בנוסף, למשטחים היבשים מסוג מיכל יש יתרונות כמו מרכז כובד נמוך של הציוד, מבנה יציב, ביצועים טובים בתנאי רעידת אדמה, טרנספורמיטורים זרם פנימיים, עמידות גבוהה בעפר ובתחזוקה נוחה.

עם זאת, במהלך ייצור, אסSEMBLY, שינוע ופעולה של משטחי מיכל, עלולים להופיע פגמים במבודד עקב גורמים כמו עיבוד לקוי, התנגשויות, פגיעות ואפשרויות החלפה. פגמים מבודדים טיפוסיים כוללים עצמים מתכות בולטים על מוליכים או גופים, אלקטרודות צפות וחלקיקים מתכתיים חופשיים. כאשר חוזק השדה החשמלי המרוכז בפגם המבודד מגיע לחוזק השדה הנדרש לפיצוץ באזור תחת מתח הבוחן או מתח המ nomine, מתרחש פיזור חלקי (PD). פיזור חלקי הוא הגורם העיקרי להתנוונות המבודד במשטחים וקדימון לתיקון מבודד. לכן, מעקב מקוון לסיגנלים של פיזור חלקי יכול לזהות פגמים במבודד לפני שתיתכן תקלה, מה שהוא אמצעי חשוב להבטיח את הפעילות הבטוחה והיציבה של משטחים היבשים מסוג מיכל ומערכות החשמל.

מבוססים על הסיגנלים הפיזיקליים שנוצרים במהלך ההפרדה, הדרכים העיקריות לגילוי פיזור חלקי עבור משטחים הם שיטת הזרם הדופק, שיטת האולטרסאונד (AE), שיטת מתח האדמה הזמני (TEV) ושיטת האלטרה-היי-פראקנס (UHF) [2 - 3]. מאמר זה משלב ניסיון ניסיוני ומישדי כדי לסקור טכניקות שונות לגילוי וניתוח פיזור חלקי עבור משטחי SF₆ היבשים מסוג מיכל ולסכם את התכונות של כל דרך.

שיטת הזרם הדופק

כאשר מתרחש פיזור חלקי, תנועת המטענים מייצרת זרם דופק, שניתן לגילוי באמצעות מכשיר חיבור או חיישן זרם המחובר בסרט הבדיקה. שיטת הזרם הדופק היא הדרך היחידה שנקבעה ב-IEC 60270 ובסטנדרטים רלוונטיים למדידת פיזור חלקי כמותית. הדרכים האחרות משמשות בעיקר לגילוי או מיקום פיזור חלקי. שיטת הזרם הדופק מצטיינת בחושך גבוהה, אך היא מאוד רגישה להתפרעות אלקטרומגנטית במקום. לכן, יש צורך להפיק את הסיגנלים העדינים של הפרדה מהסיגנלים שנמצאו. הכמות הפיזיקלית המייצגת את גודל הפיזור החלקי היא המטען הנראה q, שאותו ניתן לקבל לפי הנוסחה הבאה.

בנוסחה, i(t) מייצג את הזרם הדופק של פיזור חלקי, Um(t) הוא המתח הדופק, Rm הוא ערך המנגד של גילוי, ו-q הוא המטען הנראה, עם יחידת pC (פיקוקולון).

שיטת הזרם הדופק מבוססת על חיישני זרם מתאימה לגילוי מקוון של פיזור חלקי. חיישני זרם בתדר גבוה בדרך כלל פועלים בתחום תדר של 16 kHz עד 30 MHz ותוכנן במבנה משקפת, המאפשר התקנתם בקצה המחובר לאדמה של משטחים היבשים מסוג מיכל.

שיטת האולטרסאונד

פיזור חלקי גורם להתנגשויות מולקולריות קשות, שמייצרות גלי אולטרסאונד המתפשטים בתוך המשטח. חיישני אולטרסאונד המותקנים על גוף המשטח יכולים לגילוי סיגנלים של פיזור חלקי. אלמנטי פיאזואלקטריים בתוך חיישני האולטרסאונד ממירים את הסיגנלים האולטרסאונד הנוצרים על ידי פיזור חלקי לסיגנלים מתח, שמתווספים למסלול גילוי. מסלול הגילוי עבור שיטת האולטרסאונד מורכב בעיקר מדקופלר (משמש להפרדת סיגנלים של אספקת חשמל מגלי אולטרסאונד), מגבר אותות ומסנן.

הסיגנלים בזמן ותדר של גלי אולטרסאונד מפיזור חלקי בתוך משטחים היבשים מסוג מיכל מוצגים בתמונה 2, עם טווח תדרים בעיקר בין 50 ל-250 kHz. שיטת האולטרסאונד מצטיינת בעלות נמוכה, התקנה קלה, עמידות גבוהה להפרעות אלקטרומגנטיות ומלאכתית למיקום פיזור חלקי. עם זאת, המבנה הפנימי של מבודדי המשטחים מורכב, וגלי האולטרסאונד נעים לאט ומקבלים פגיעה משמעותית בגז SF₆, מה שמחייב זיהוי מיקום גילוי אופטימלי.

שיטת האלטרה-היי-פראקנס (UHF)

זמן העלייה והירידה של דופקי הזרם שנוצרים על ידי פיזור חלקי הם בסדר גודל של ננושניות, שמעוררים גלי אלקטרומגנטיים בתדרים שקולים בתחום האלטרה-היי-פראקנס של 300 MHz עד 3 GHz. כיום, טווח התדרים של רוב חיישני UHF בשוק הוא 300 MHz עד 1.5 GHz. בשל חלישות ותדר גבוה של הסיגנלים, שיטת UHF דורשת תרגול של הסיגנלים הנכנסים באמצעות מעגלי מסננים, מעגלי הרמה ומעגלי אינטגרציה לפני שליחה לכרטיס איסוף נתונים לנתחה מאוחרת.

במקביל, בשימוש בשיטת UHF, יש צורך להסיר רעשים כגון סיגנלי תקשורת וספקי חשמל תאורה מזוויות תוכנה ומכשור. שיטת UHF מצטיינת בחושך גבוהה, עמידות חזקה להפרעות ומשתמשת במיקום פיזור חלקי. דפוס PRPD של סיגנלים UHF מפיזור חלקי בפוטנציאל צף מוצג בתמונה 3, המכיל מידע לגבי משרעת הפיזור, פאזה ומספר הפעמים.

שיטת מתח האדמה הזמני (TEV)

כאשר גלי האלקטרומגנטיים שנוצרים על ידי פיזור חלקי מתפשטים לגוף המתכת של משטח היבש מסוג מיכל, נוצר זרם מושרה על פני הגוף, שגורם למתח האדמה הזמני מעל החסם הגל של הגוף המחובר לאדמה. עקרון העבודה של חיישן TEV יכול להיות שווה ערך לזה של מחלק מתח קONDENSATORI. הוא קובע את התרחשות פיזור חלקי על ידי גילוי המתח מעל הקONDENSATOR שווה ערך בין אלקטרודה של החיישן לשכבת המבודד. סיגנלי מתח האדמה הזמני של פיזור חלקי בתוך משטח SF₆ מוצגים בתמונה 4, עם טווח תדרים ראשי של 1-100 MHz. שיטת TEV מאופיינת בשימוש נוח ולא DataTypes the need for an additional detection circuit.

שיטות ניתוח פיזור חלקי

שיטות ניתוח פיזור חלקי משמשות כדי להעריך את רמת הסיכון של פיזורים, להפחית רעשים ולשלוף תכונות פיזור לצורך מיון סוג תקלה. השיטות העיקריות כוללות את שיטת גלי הדופק, שיטת דפוס PRPD, שיטת דפוס הקשר האמפליטודה של שלושת המופעים, שיטת דפוס זמן-תדר ושיטת מאפייני סטטיסטיקה מבוססי זמן.

שיטת גלי הדופק מנתחת גלי דופק בודדים על בסיס פרמטרים כמו זמן עלייה, זמן ירידת גל, רוחב גל, קורטוזיס וסטייה. שיטת דפוס PRPD מצטברת סיגנלים של פיזור חלקי תחת מתח חילופין בתדר חשמל כדי לקבל את התפלגות הפאזה, האמפליטודה ומספר הפעמים של הפיזורים. לכן, היא גם ידועה כשיטת φ-q-n. שיטת דפוס קשר האמפליטודה של שלושת המופעים משמשת לנתח פיזורים חלקים תחת מתח חילופין של שלושה מופעים. היא מקבלת את מאפייני הפיזור על ידי איסוף האמפליטודות של אות פיזור אחד תחת מתחים שונים של המופעים. שיטת דפוס זמן-תדר אוסף דופקים של פיזורים, מחשב את הזמן והתדר השווים שלהם ומלמד את דפוס הפיזור בתחום הזמן-תדר השווים. שיטת מאפייני הסטטיסטיקה מבוססי זמן מתאימה לנתח פיזורים חלקים תחת מתח ישר גבוה. היא מנתחת סטטיסטית את מאפייני הפיזור בהתאם לגודל הפיזור ובדילוג הזמן בין דופקים של פיזורים.

עבור מיקום פיזורים חלקים בתוך משטחי SF₆ היבשים מסוג מיכל, ניתן להשתמש בשיטת ההבדל הזמני המוחלט או בשיטת ההבדל הזמני היחסית. שיטת ההבדל הזמני המוחלט משתמשת באות הדופק של הזרם או באות UHF כנקודת התחלה של הפיזור. לאחר חישוב ההבדל הזמני בין אות האולטרסאונד לאות ההתחלה של הפיזור, היא ממקמת את מקור הפיזור. שיטת ההבדל הזמני היחסית משתמשת רק במספר חיישני אולטרסאונד המותקנים במקומות שונים על גוף המשטח. היא ממקמת את מיקום פגעי המבודד על ידי חישוב ההבדל הזמני בין כל אות אולטרסאונד לאות האולטרסאונד הפנימי.

מסקנה

מעקב מקוון של פיזורים חלקים יכול להעריך בצורה יעילה את ביצועי המבודד של משטחי SF₆ היבשים מסוג מיכל לפני תקלה, וזהו אחת מהדרכים החשובות להבטיח את פעילותם הבטוחה והיציבה. מאמר זה סוקר את שיטות הגילוי והניתוח של פיזורים חלקים במשטחי SF₆ היבשים מסוג מיכל, תוך שילוב ניסיון ניסיוני ומישדי.

בשימושים מקומיים, יש להשתמש בכלי גילוי מרובים ושיטות ניתוח כדי לשפר את הדיוק והאמינות של מעקב מקוון. במקביל, בהתאם לדרישות בניית האינטרנט האוניברסלי של חשמל, יישום טכנולוגיות מפתח כמו חיישני רשת אלחוטיים ללא חשמל, רשתות תקשורת אלחוטיות נמוכות צריכת חשמל, חישוב קצה ונתונים גדולים מייצגים את מגמת הפיתוח העתידית של גילוי פיזורים חלקים עבור משטחי SF₆ היבשים מסוג מיכל.