Onderzoek naar detectietechnologie en analysemethoden van partiële ontlading in SF6 vloertank schakelaar
De vloer-geplaatste tank-circuitbreker is een cruciaal controle- en beschermingsapparaat in onderstations en elektriciteitsnetwerken. Het wordt voornamelijk gebruikt om normale belastingsstromen in lijnen te onderbreken, af te sluiten en te geleiden, en om kortsluitstromen tijdens systeemfouten af te snijden. De circuitbreker bestaat uit componenten zoals onderbrekende elementen, isolerende bushings, bushing-stroomtransformatoren, boogextinctie-kamers, bedieningsmechanismen en aardingsbehuizingen. De boogextinctie-kamer van de vloer-geplaatste tank-circuitbreker zit in een aangederde metalen behuizing.
SF₆ dient als zowel isolatiemedium als boogextinctiemedium voor tank-circuitbrekers. In een uniform elektrisch veld is de isolatiesterkte ongeveer drie keer die van lucht, en de boogextinctievermogen is ongeveer honderd keer dat van lucht. Daarom zijn SF₆-circuitbrekers gekenmerkt door een compacte constructie en een kleine oppervlakte. Bovendien bieden vloer-geplaatste tank-circuitbrekers voordelen zoals een laag zwaartepunt, stabiele constructie, goede seismische prestaties, ingebouwde stroomtransformatoren, sterke weerstand tegen vuil en gemakkelijke onderhoudsbehandeling.
Tijdens de productie, assemblage, transport en bedrijf van tank-circuitbrekers kunnen echter isolatiefouten optreden door factoren zoals slechte verwerking, botsingen, schokken en schakeloperaties. Typische isolatiefouten omvatten uitstekende metalen objecten op geleiders of behuizingen, zwevende elektroden en vrije metalen deeltjes. Wanneer de elektrisch veldsterkte bij de isolatiefout het inslagveld bereikt onder de testspanning of de nominale spanning, treedt gedeeltelijke ontlaading (PD) op. Gedeeltelijke ontlaading is de hoofdoorzaak van isolatieafbraak in circuitbrekers en een voorbode van isolatiefouten. Daarom kan online monitoring van gedeeltelijke ontlaadingsignalen isolatiefouten detecteren voordat een fout optreedt, wat een cruciale methode is om de veilige en stabiele werking van vloer-geplaatste tank-circuitbrekers en het elektriciteitsnetwerk te waarborgen.
Op basis van de fysische signalen die tijdens de ontlading worden gegenereerd, zijn de belangrijkste methoden voor de detectie van gedeeltelijke ontlaading in circuitbrekers de gepulseerde stroommethode, de ultrageluidsmethode (AE), de tijdelijke aardspanningsmethode (TEV) en de ultra-hoge frequentiemethode (UHF) [2 - 3]. Dit artikel combineert experimentele en ter plaatse verkregen ervaringen om verschillende methoden voor de detectie en analyse van gedeeltelijke ontlaading in SF₆ vloer-geplaatste tank-circuitbrekers te overzien en de kenmerken van elke methode te samenvatten.
Gepulseerde Stroommethode
Wanneer gedeeltelijke ontlaading optreedt, genereert de beweging van ladingen een gepulseerde stroom, die kan worden gedetecteerd door een koppelingseenheid of stroomsensor die in het testcircuit is aangesloten. De gepulseerde stroommethode is de enige methode die in IEC 60270 en gerelateerde standaarden wordt gespecificeerd voor kwantitatieve meting van gedeeltelijke ontlaading. Andere methoden worden voornamelijk gebruikt voor de detectie of locatie van gedeeltelijke ontlaading. De gepulseerde stroommethode heeft een hoge gevoeligheid, maar is zeer gevoelig voor elektromagnetische storingen ter plaatse. Het is daarom nodig om de zwakke ontladingsignalen uit de gedetecteerde signalen te extraheren. De fysische grootheid die de grootte van de gedeeltelijke ontlaading vertegenwoordigt, is de apparente lading q, die kan worden verkregen met de volgende formule.
In de formule stelt i(t ) de gepulseerde stroom van gedeeltelijke ontlaading voor, Um(t) is de gepulseerde spanning, Rm is de waarde van de detectieimpedantie, en q is de apparente lading, met de eenheid pC (picocoulomb).
De gepulseerde stroommethode op basis van stroomsensoren is geschikt voor online detectie van gedeeltelijke ontlaading. Hoogfrequente stroomsensoren werken meestal binnen een frequentiebereik van 16 kHz tot 30 MHz en zijn ontworpen met een klemsluitstructuur, waardoor ze gemakkelijk kunnen worden geïnstalleerd aan de aardingsside van vloer-geplaatste tank-circuitbrekers.
Ultrageluidsmethode
Gedeeltelijke ontlaading veroorzaakt heftige moleculaire botsingen, waardoor ultrasone golven worden gegenereerd die zich binnen de circuitbreker verspreiden. Ultrasone sensoren die op de behuizing van de circuitbreker zijn geïnstalleerd, kunnen gedeeltelijke ontlaadingsignalen detecteren. De piezo-elektrische elementen binnen ultrasone sensoren zetten de ultrasone signalen die door gedeeltelijke ontlaading worden gegenereerd, om in spanningssignalen, die vervolgens naar het detectiecircuit worden verzonden. Het detectiecircuit voor de ultrageluidsmethode bestaat voornamelijk uit een decoupler (gebruikt om netspanningssignalen van ultrasone signalen te scheiden), een signaalversterker en een filter.
De tijd- en frequentiedomeinsignalen van ultrasone golven van gedeeltelijke ontlaading binnen vloer-geplaatste tank-circuitbrekers staan weergegeven in Figuur 2, met een frequentiebereik dat voornamelijk tussen 50 en 250 kHz is verdeeld. De ultrageluidsmethode biedt voordelen zoals lage kosten, eenvoudige installatie, sterke weerstand tegen elektromagnetische storingen en geschiktheid voor de locatie van gedeeltelijke ontlaading. Echter, de interne isolatieconstructie van circuitbrekers is complex, en ultrasone golven reizen langzaam en ondervinden aanzienlijke demping in SF₆-gas, waardoor het noodzakelijk is om een optimale detectiepositie te identificeren.
Ultra-Hoge Frequentie (UHF) Methode
De stijgtijd en duur van de stroompulsen die door gedeeltelijke ontlaading worden gegenereerd, liggen in de nanoseconde-orde, wat elektromagnetische golven met equivalente frequenties in het ultra-hoge frequentiebereik van 300 MHz tot 3 GHz opwekt. Momenteel ligt het detectiefrequentiebereik van de meeste UHF-sensoren op de markt tussen 300 MHz en 1,5 GHz. Vanwege de zwakke en hoogfrequente aard van de signalen vereist de UHF-methode het voorwaarts conditieën van de ingangssignalen via filterschakelingen, versterkingschakelingen en integratieschakelingen voordat ze naar een gegevensverzamelkaart worden verzonden voor latere analyse.
Tegelijkertijd is het, wanneer de UHF-methode wordt gebruikt, nodig om geluiden zoals communicatiesignalen en verlichtingsvoedingssignalen zowel van software- als hardwareaspecten te elimineren. De UHF-methode heeft een hoge gevoeligheid, sterke weerstand tegen storingen en is geschikt voor de locatie van gedeeltelijke ontlaading. Het fasegeresolveerde patroon van UHF-signalen van gedeeltelijke ontlaading bij zwevend potentieel staat weergegeven in Figuur 3, dat informatie bevat over de ontladingsamplitude, fase en aantal voorkomens.
Tijdelijke Aardspanning (TEV) Methode
Wanneer de elektromagnetische golven die door gedeeltelijke ontlaading worden gegenereerd, zich naar de metalen behuizing van een vloer-geplaatste tank-circuitbreker voortplanten, wordt er een geïnduceerde stroom op het oppervlak van de behuizing gegenereerd, wat resulteert in een tijdelijke aardspanning over de golfimpedantie van de aarding. Het werkingsprincipe van een TEV-sensor kan worden vergeleken met dat van een capacitaire spansverdeler. Het detecteert de voorkoming van gedeeltelijke ontlaading door de spanning over de equivalente condensator tussen de sensor-elektrode en de isolatielaag te meten. De tijdelijke aardspanningsignalen van gedeeltelijke ontlaading binnen een SF₆-circuitbreker staan weergegeven in Figuur 4, met een hoofdfrequentiebereik van 1 tot 100 MHz. De TEV-methode wordt gekenmerkt door haar gemakkelijke gebruik en het ontbreken van een extra detectiecircuit.
Methoden voor Analyse van Gedeeltelijke Ontlaading
Methoden voor de analyse van gedeeltelijke ontlaading worden gebruikt om het risiconiveau van ontladingen te beoordelen, signalen te dempen en ontladingskenmerken te extraheren voor de classificatie van fouttypes. Deze methoden omvatten voornamelijk de pulswaveformmethode, de fasegeresolveerde gedeeltelijke ontlaadingspatroonmethode, de driefase amplitude relatiepatroonmethode, de tijd-frequentiepatroonmethode en de tijdgebaseerde statistische kenmerkmethoden.
De pulswaveformmethode analyseert een enkele ontladingswaveform op basis van parameters zoals stijgtijd, valtijd, pulsduur, kurtosis en skewness. De fasegeresolveerde gedeeltelijke ontlaadingspatroonmethode cumuleert gedeeltelijke ontlaadingsignalen onder wisselspanning om de fase-, amplitude- en voorkomen-distributiekenmerken van de ontladingen te verkrijgen. Daarom wordt het ook wel de \(\varphi -q -n\)-patroonmethode genoemd. De driefase amplitude relatiepatroonmethode wordt gebruikt voor de analyse van gedeeltelijke ontlaadingen onder driefase wisselspanning. Het verkrijgt de ontladingsdistributiekenmerken door de ontladingsamplituden van een geünificeerd ontladingsignaal onder verschillende fase-spanningen te verzamelen. De tijd-frequentiepatroonmethode verzamelt ontladingspulsen, berekent hun equivalente tijd en equivalente frequentie, en tekent het ontladingsdistributiepatroon in het equivalente tijd-equivalente frequentiedomein. De tijdgebaseerde statistische kenmerkmethoden zijn toepasbaar voor de analyse van gedeeltelijke ontlaadingen onder hoge spanning directe stroom. Ze analyseren statistisch de ontladingsdistributiekenmerken op basis van de grootte van de ontladingshoeveelheid en de tijdsverschillen tussen ontladingspulsen.
Voor de locatie van gedeeltelijke ontlaadingen binnen SF₆ vloer-geplaatste tank-circuitbrekers kan de absolute tijdsverschillenmethode of de relatieve tijdsverschillenmethode worden toegepast. De absolute tijdsverschillenmethode gebruikt het ontladingsstroompuls-signaal of het ultra-hoge frequentie (UHF)-signaal als starttijd van de ontlading. Na het berekenen van het tijdsverschil tussen het ultrasone signaal en het ontladingsstartsignaal, lokaliseert het de ontladingsbron. De relatieve tijdsverschillenmethode gebruikt alleen meerdere ultrasone sensoren die op verschillende posities op de circuitbreker-tank zijn geïnstalleerd. Het bepaalt de locatie van isolatiefouten door het tijdsverschil tussen elk ultrasone signaal en het referentie-ultrasone signaal te berekenen.
Conclusie
Online monitoring van gedeeltelijke ontlaadingen kan effectief de isolatieprestaties van SF₆ vloer-geplaatste tank-circuitbrekers beoordelen voordat een fout optreedt, en is een van de belangrijke middelen om hun veilige en stabiele werking te waarborgen. Dit artikel overziet de detectie- en analysismethoden van gedeeltelijke ontlaadingen in vloer-geplaatste tank-circuitbrekers, in combinatie met experimentele en ter plaatse verkregen ervaringen.
Tijdens ter plaatse toepassingen moeten meerdere detectiemiddelen en analysismethoden worden gebruikt om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van online monitoring te verbeteren. Tegelijkertijd, in overeenstemming met de eisen van de bouw van het alomtegenwoordige energie-Internet der Dingen, vertegenwoordigen sleuteltechnologieën zoals draadloze passieve sensoren, laagenergieverbruik draadloze communicatienetwerken, edge computing en big data de toekomstige ontwikkelingstrend van de detectie van gedeeltelijke ontlaading voor vloer-geplaatste tank-circuitbrekers.
