Ricerca sulla tecnologia di rilevamento e sul metodo di analisi della scarica parziale nel circuit breaker a serbatoio a pavimento SF6

L'interruttore a serbatoio da pavimento è un dispositivo di controllo e protezione cruciale nelle sottostazioni e nei sistemi elettrici. È principalmente utilizzato per interrompere, chiudere e trasportare correnti di carico normali nelle linee, e per tagliare le correnti di cortocircuito durante i guasti del sistema. Composto da componenti come elementi di interruzione, bushing isolanti, trasformatori di corrente a bushing, camere di estinzione dell'arco, meccanismi di comando e involucri di terra, la camera di estinzione dell'arco dell'interruttore a serbatoio da pavimento è alloggiata all'interno di un involucro metallico a terra.

Il SF₆ funge da mezzo isolante e di estinzione dell'arco per gli interruttori a serbatoio. In un campo elettrico uniforme, la sua forza isolante è circa tre volte quella dell'aria, e la sua capacità di estinzione dell'arco è circa 100 volte quella dell'aria. Di conseguenza, gli interruttori a SF₆ sono caratterizzati da una struttura compatta e un piccolo ingombro. Inoltre, gli interruttori a serbatoio da pavimento offrono vantaggi come un centro di gravità basso, una struttura stabile, buone prestazioni sismiche, trasformatori di corrente integrati, forte resistenza alla sporcizia e manutenzione conveniente.

Tuttavia, durante la fabbricazione, l'assemblaggio, il trasporto e l'operazione degli interruttori a serbatoio, possono verificarsi difetti di isolamento a causa di fattori come lavorazioni scadenti, collisioni, impatti e operazioni di commutazione. I difetti di isolamento tipici includono oggetti metallici sporgenti sui conduttori o sugli involucri, elettrodi galleggianti e particelle metalliche libere. Quando la forza del campo elettrico concentrata nel difetto di isolamento raggiunge la forza di rottura del campo nell'area sotto tensione di prova o tensione nominale, si verifica la scarica parziale (PD). La scarica parziale è la principale causa della degradazione dell'isolamento negli interruttori e un precursore dei guasti di isolamento. Pertanto, il monitoraggio in linea dei segnali di scarica parziale può rilevare i difetti di isolamento prima che si verifichi un guasto, che è un mezzo vitale per garantire il funzionamento sicuro e stabile degli interruttori a serbatoio da pavimento e del sistema elettrico.

In base ai segnali fisici generati durante la scarica, i principali metodi di rilevamento della scarica parziale per gli interruttori sono il metodo a corrente impulso, il metodo ultrasonoro (AE), il metodo a tensione terrestre transitoria (TEV) e il metodo a frequenza ultra alta (UHF) [2 - 3]. Questo articolo combina l'esperienza sperimentale e sul campo per rivedere varie tecniche di rilevamento e analisi della scarica parziale per gli interruttori a serbatoio da pavimento a SF₆ e riassumere le caratteristiche di ciascun metodo.

Metodo a Corrente Impulso

Quando si verifica una scarica parziale, il movimento delle cariche genera una corrente impulso, che può essere rilevata da un dispositivo di accoppiamento o da un sensore di corrente connesso nel circuito di prova. Il metodo a corrente impulso è l'unico metodo specificato nella norma IEC 60270 e nelle norme correlate per la misurazione quantitativa della scarica parziale. Altri metodi sono principalmente utilizzati per il rilevamento o la localizzazione della scarica parziale. Il metodo a corrente impulso presenta una elevata sensibilità, ma è altamente suscettibile all'interferenza elettromagnetica in loco. Pertanto, è necessario estrarre i deboli segnali di scarica dai segnali rilevati. La grandezza fisica che rappresenta l'entità della scarica parziale è la carica apparente q, che può essere ottenuta dalla seguente formula.

Nella formula, i(t ) rappresenta la corrente impulso della scarica parziale, Um(t) è la tensione impulso, Rm è il valore di impedenza di rilevamento, e q è la carica apparente, con unità di pC (picocoulomb).

Il metodo a corrente impulso basato su sensori di corrente è adatto per il rilevamento in linea della scarica parziale. I sensori di corrente ad alta frequenza operano generalmente in un intervallo di frequenza da 16 kHz a 30 MHz e sono progettati con una struttura a morsetto, facilitandone l'installazione all'estremità di terra degli interruttori a serbatoio da pavimento.

Metodo Ultrasonoro

La scarica parziale causa intense collisioni molecolari, generando onde ultrasonore che si propagano all'interno dell'interruttore. I sensori ultrasonori installati sull'involucro dell'interruttore possono rilevare i segnali di scarica parziale. Gli elementi piezoelettrici all'interno dei sensori ultrasonori convertono i segnali ultrasonori generati dalla scarica parziale in segnali di tensione, che vengono poi trasmessi al circuito di rilevamento. Il circuito di rilevamento per il metodo ultrasonoro è costituito principalmente da un decoupler (utilizzato per separare i segnali di alimentazione dai segnali ultrasonori), un amplificatore di segnale e un filtro.

I segnali nel dominio del tempo e della frequenza delle onde ultrasonore da scarica parziale all'interno degli interruttori a serbatoio da pavimento sono mostrati nella Figura 2, con l'intervallo di frequenza distribuito principalmente tra 50 e 250 kHz. Il metodo ultrasonoro offre vantaggi come costo basso, facile installazione, forte resistenza all'interferenza elettromagnetica e idoneità per la localizzazione della scarica parziale. Tuttavia, la struttura interna di isolamento degli interruttori è complessa, e le onde ultrasonore viaggiano lentamente e subiscono un'attenuazione significativa nel gas SF₆, rendendo necessario l'identificazione di una posizione ottimale di rilevamento.

Metodo a Frequenza Ultra Alta (UHF)

Il tempo di salita e la durata degli impulsi di corrente generati dalla scarica parziale sono sull'ordine di nanosecondi, eccitando onde elettromagnetiche con frequenze equivalenti nell'intervallo ultra alto di 300 MHz a 3 GHz. Attualmente, l'intervallo di frequenza di rilevamento di molti sensori UHF sul mercato è da 300 MHz a 1,5 GHz. A causa della natura debole e ad alta frequenza dei segnali, il metodo UHF richiede la condizionamento dei segnali di ingresso attraverso circuiti di filtraggio, amplificazione e integrazione prima di trasmetterli a una scheda di acquisizione dati per l'analisi successiva.

Inoltre, quando si utilizza il metodo UHF, è necessario eliminare rumori come segnali di comunicazione e segnali di alimentazione luminosa sia dal punto di vista software che hardware. Il metodo UHF presenta una elevata sensibilità, una forte resistenza all'interferenza e si presta bene alla localizzazione della scarica parziale. Il pattern di scarica parziale risolto in fase (PRPD) dei segnali UHF da scarica parziale a potenziale galleggiante è mostrato nella Figura 3, che contiene informazioni sull'ampiezza, la fase e il numero di occorrenze della scarica.

Metodo a Tensione Terrestre Transitoria (TEV)

Quando le onde elettromagnetiche generate dalla scarica parziale si propagano all'involucro metallico di un interruttore a serbatoio da pavimento, viene generata una corrente indotta sulla superficie dell'involucro, risultando in una tensione terrestre transitoria attraverso l'impedenza d'onda del corpo di terra. Il principio di funzionamento di un sensore TEV può essere equivalente a quello di un divisore di tensione capacitivo. Determina l'occurrenza della scarica parziale rilevando la tensione attraverso il condensatore equivalente tra l'elettrodo del sensore e lo strato isolante. I segnali di tensione terrestre transitoria della scarica parziale all'interno di un interruttore a SF₆ sono mostrati nella Figura 4, con l'intervallo di frequenza principale tra 1 e 100 MHz. Il metodo TEV è caratterizzato dalla facilità d'uso e dall'assenza di necessità di un circuito di rilevamento aggiuntivo.

Metodi di Analisi della Scarica Parziale

I metodi di analisi della scarica parziale vengono utilizzati per valutare il livello di rischio delle scariche, ridurre i rumori dei segnali ed estrarre le caratteristiche delle scariche per la classificazione del tipo di guasto. Questi metodi comprendono principalmente il metodo della forma d'onda impulso, il metodo del pattern di scarica parziale risolto in fase (PRPD), il metodo del pattern delle relazioni ampiezza trifase, il metodo del pattern tempo-frequenza e il metodo delle caratteristiche statistiche basate sul tempo.

Il metodo della forma d'onda impulso analizza una singola forma d'onda di scarica in base a parametri come tempo di salita, tempo di discesa, larghezza d'impulso, curtosi e asimmetria. Il metodo PRPD accumula i segnali di scarica parziale sotto tensione alternata di rete per ottenere le caratteristiche di distribuzione della fase, ampiezza e numero di occorrenze delle scariche. Pertanto, è anche noto come il metodo \(\varphi -q -n\). Il metodo del pattern delle relazioni ampiezza trifase è utilizzato per l'analisi delle scariche parziali sotto tensione alternata trifase. Acquisisce le caratteristiche di distribuzione della scarica raccogliendo le ampiezze della scarica di un segnale di scarica unificato sotto diverse tensioni di fase. Il metodo del pattern tempo-frequenza raccoglie i pulsanti di scarica, calcola il loro tempo e la loro frequenza equivalenti, e traccia il pattern di distribuzione della scarica nel dominio tempo-frequenza equivalente. Il metodo delle caratteristiche statistiche basate sul tempo è applicabile all'analisi delle scariche parziali sotto corrente continua ad alta tensione. Analizza statisticamente le caratteristiche di distribuzione della scarica in base alla quantità di scarica e alla differenza temporale tra i pulsanti di scarica.

Per la localizzazione delle scariche parziali all'interno degli interruttori a serbatoio da pavimento a SF₆, può essere adottato il metodo della differenza di tempo assoluta o il metodo della differenza di tempo relativa. Il metodo della differenza di tempo assoluta utilizza il segnale impulso di corrente di scarica o il segnale a frequenza ultra alta (UHF) come tempo di inizio della scarica. Dopo aver calcolato la differenza di tempo tra il segnale ultrasonoro e il segnale di inizio della scarica, localizza la sorgente della scarica. Il metodo della differenza di tempo relativa utilizza solo più sensori ultrasonori installati in posizioni diverse sul serbatoio dell'interruttore. Determina la posizione dei difetti di isolamento calcolando la differenza di tempo tra ciascun segnale ultrasonoro e il segnale ultrasonoro di riferimento.

Conclusione

Il monitoraggio in linea delle scariche parziali può valutare efficacemente le prestazioni di isolamento degli interruttori a serbatoio da pavimento a SF₆ prima che si verifichi un guasto, ed è uno dei mezzi importanti per garantirne il funzionamento sicuro e stabile. Questo articolo rivede i metodi di rilevamento e analisi delle scariche parziali negli interruttori a serbatoio da pavimento, combinando l'esperienza sperimentale e sul campo.

Durante le applicazioni in loco, dovrebbero essere utilizzati più mezzi di rilevamento e metodi di analisi per migliorare l'accuratezza e l'affidabilità del monitoraggio in linea. Nel contempo, in linea con i requisiti per la costruzione dell'Internet delle cose ubiquitaria, l'implementazione di tecnologie chiave come il rilevamento senza fili passivo, reti di comunicazione wireless a basso consumo, calcolo edge e big data rappresenta la tendenza futura del rilevamento delle scariche parziali per gli interruttori a serbatoio da pavimento.