Forskning på deteksjonsteknologi og analysemetode for delvis utslipp i SF6 gulvbeholderbryter

Gulvmonterte tankbrytere er et viktig kontroll- og beskyttelsesutstyr i understasjoner og kraftsystemer. De brukes hovedsakelig til å avbryte, lukke og overføre normale laststrømmer i ledninger, samt skåre kortslutningsstrømmer under systemfeil. Tankbryteren består av komponenter som avbrytningselementer, isolerende bushinger, bushing-strømtransformatorer, bukseringskammer, operasjonsmekanismer og jordede kasseringer. Bukseringskammeret i gulvmonterte tankbrytere er plassert inni en jordet metallkasse.

SF₆ fungerer både som isolerende medium og buksringmedium for tankbrytere. I et uniform elektrisk felt er dens isolasjonstyrke omtrent tre ganger sterkere enn luft, og dens buksringkapasitet er rundt 100 ganger sterkere enn luft. Dette gjør at SF₆-brytere har en kompakt struktur og tar lite plass. I tillegg til dette har gulvmonterte tankbrytere fordeler som lav utstyrsgravitasjonssenter, stabil struktur, god seismisk ytelse, innebygde strømtransformatorer, sterk motstandsdyktighet mot forurensning og enkel vedlikehold.

Imidlertid kan isolasjonsdefekter oppstå under produksjon, montering, transport og drift av tankbrytere på grunn av faktorer som dårlig behandling, kollisjoner, påkrengete og skifteoperasjoner. Typiske isolasjonsdefekter inkluderer fremstikkende metaller på ledere eller kasseringer, flytende elektroder og frie metallpartikler. Når det elektriske feltet konsentreres ved isolasjonsdefekten og når nedbrytningsfeltstyrken i området under testspenning eller nominalspenning, forekommer delvis boksring (PD). Delvis boksring er den hovedmessige årsaken til isolasjonsnedbryting i brytere og en precursor for isolasjonsfeil. Derfor kan online-overvåking av delvis boksringssignaler oppdage isolasjonsdefekter før en feil oppstår, noe som er en viktig måte å sikre trygg og stabil drift av gulvmonterte tankbrytere og kraftsystemet.

Basert på de fysiske signalene generert under boksring, er de hovedlige metodene for delvis boksringdeteksjon for brytere pulsjert strømmetode, ultralydmethode (AE), transiente jordspenningmetode (TEV) og ultra-høyfrekvensmetode (UHF) [2 - 3]. Denne artikkelen kombinerer eksperimentell og på-sted erfaring for å gjennomgå ulike delvis boksringdeteksjon- og analysemetoder for SF₆ gulvmonterte tankbrytere og summerer karakteristika for hver metode.

Pulsjert Strømmetode

Når det forekommer delvis boksring, genererer bevegelsen av ladninger en pulsjert strøm, som kan detektes av en koblingsenhet eller strømsensor koblet i testkretsen. Pulsjert strømmetoden er den eneste metoden spesifisert i IEC 60270 og relevante standarder for kvantitativ måling av delvis boksring. Andre metoder brukes hovedsakelig for deteksjon eller lokalisering av delvis boksring. Pulsjert strømmetoden har høy sensitivitet, men er svært følsom for stedlig elektromagnetisk støy. Derfor er det nødvendig å trekke de svake boksringssignalene fra de detekte signalene. Fysisk størrelse som representerer størrelsen på delvis boksring er den synlige ladningen q, som kan oppnås ved følgende formel.

I formelen representerer i(t) pulsjert strøm av delvis boksring, Um(t) er pulsjert spenning, Rm er deteksjonens impedansverdi, og q er den synlige ladningen, med enheten pC (picocoulomb).

Pulsjert strømmetoden basert på strømsensorer er egnet for online delvis boksringdeteksjon. Høyfrekvens strømsensorer opererer vanligvis i en frekvensområde mellom 16 kHz og 30 MHz og er designet med en klampeoppsett, som gjør dem lett å installere ved jordende slutt på gulvmonterte tankbrytere.

Ultralydmethode

Delvis boksring fører til intense molekylærkollisjoner, som genererer ultralyd som propagerer inni bryteren. Ultralydsensorer installert på bryterkassen kan detektere delvis boksringssignaler. Piezoelektriske elementer inne i ultralydsensorer konverterer ultralydsignalene generert av delvis boksring til spenningssignaler, som deretter sendes til deteksjonsekretet. Deteksjonsekretet for ultralydmethode består hovedsakelig av en dekobler (brukt for å separere strømforsyningsignaler fra ultralydsignaler), en signalamplifikator og en filter.

Tidsdomenet og frekvensdomenet ultralydsignalene fra delvis boksring inni gulvmonterte tankbrytere vises i figur 2, med frekvensområdet hovedsakelig fordelt mellom 50 og 250 kHz. Ultralydmethode har fordeler som lav kostnad, enkel installasjon, sterk motstandsdyktighet mot elektromagnetisk støy og egnet for lokaliseringsdelvis boksring. Imidlertid er den interne isolasjonsstrukturen av brytere kompleks, og ultralyd reiser sakte og opplever betydelig demping i SF₆-gass, noe som krever identifisering av en optimal deteksjonsposisjon.

Ultra-Høyfrekvens (UHF) Metode

Oppstigningstiden og varigheten av strømpulser generert av delvis boksring er på nanosekundskala, som utløser elektromagnetiske bølger med ekvivalente frekvenser i ultra-høyfrekvensområdet på 300 MHz til 3 GHz. For øyeblikket er deteksjonfrekvensområdet for de fleste UHF-sensorer på markedet 300 MHz til 1,5 GHz. På grunn av de svake og høyfrekvente signalene, krever UHF-metoden kondisjonering av inngående signaler gjennom filtreringskretser, forsterkningskretser og integrasjonskretser før de sendes til en datainnsamlingskort for senere analyse.

Samtidig, når UHF-metoden brukes, er det nødvendig å eliminere støy som kommunikasjonssignaler og lysstrømforsyningsignaler både fra programvare- og maskinvareperspektiv. UHF-metoden har høy sensitivitet, sterk motstandsdyktighet mot støy og er egnet for lokaliseringsdelvis boksring. Faseoppløst delvis boksring (PRPD) mønster av UHF-signaler fra delvis boksring ved flytende potensial vises i figur 3, som inneholder informasjon om boksringens amplitud, fase og antall forekomster.

Transient Jordspenning (TEV) Metode

Når elektromagnetiske bølger generert av delvis boksring propagerer til metallomhyllingen av en gulvmontert tankbryter, genereres en induksjonstrøm på overflaten av omhylningen, som resulterer i en transient jordspenning over bølgeimpedansen av jordlegemenet. Arbeidsprinsippet for en TEV-sensor kan være ekvivalent til en kapasitiv spenningdeler. Den fastsetter forekomsten av delvis boksring ved å detektere spenningen over den ekvivalente kondensatoren mellom sensor-elektroden og isolasjonslaget. Transiente jordspenningssignaler fra delvis boksring inni en SF₆-bryter vises i figur 4, med hovedfrekvensområdet på 1-100 MHz. TEV-metoden er kjennetegnet ved sin enkle bruk og behovet for ingen ekstra deteksjonsekret.

Analysemetoder for Delvis Boksring

Analysemetoder for delvis boksring brukes for å vurdere risikonivået for boksring, redusere støy i signaler og trekke ut boksringsegenskaper for feiltypklassifisering. Disse metodene inkluderer hovedsakelig pulsformmetoden, faseoppløst delvis boksring (PRPD) mønstermetode, tre-fase amplitudforholdsmønstermetode, tid-frekvensmønstermetode og tidbasert statistisk karakteristikkmetode.

Pulsformmetoden analyserer en enkelt boksringbølgeform basert på parametre som oppstigningstid, nedgangstid, pulsbredde, kurtose og skevhet. PRPD-mønstermetoden akkumulerer delvis boksringssignaler under AC strømfrekvensspenning for å få fasen, amplituden og forekomstnummerfordelingsegenskapene til boksringene. Derfor kalles den også \(\varphi -q -n\) mønstermetode. Tre-fase amplitudforholdsmønstermetoden brukes for å analysere delvis boksring under tre-fase AC spenning. Den samler inn boksringfordelingsegenskapene ved å samle inn boksringamplitudene av en enhetlig boksringssignal under forskjellige fase spenninger. Tid-frekvensmønstermetoden samler inn boksringpulser, beregner deres ekvivalente tid og ekvivalente frekvens, og tegner boksringfordelingsmønsteret i ekvivalente tid-ekvivalente frekvensdomenet. Tidbasert statistisk karakteristikkmetode er anvendbar for analyse av delvis boksring under høyspenning direkte strøm. Den statistisk analyserer boksringfordelingsegenskapene basert på størrelsen på boksringmengden og tidsforskjellen mellom boksringpulser.

For lokaliseringsdelvis boksring inni SF₆ gulvmonterte tankbrytere, kan absolutt tidsforskjellsmetode eller relativ tidsforskjellsmetode benyttes. Absolutt tidsforskjellsmetode bruker boksringstrømpulsensignal eller ultra-høyfrekvens (UHF) signal som starttiden for boksring. Etter å ha beregnet tidsforskjellen mellom ultralydsignal og boksringstartsignal, lokalisere den boksringkilden. Relativ tidsforskjellsmetode bruker bare flere ultralydsensorer installert på forskjellige posisjoner på brytertanken. Den bestemmer lokaliteten av isolasjonsdefekter ved å beregne tidsforskjellen mellom hvert ultralydsignal og referanse ultralydsignal.

Konklusjon

Online-overvåking av delvis boksring kan effektivt vurdere isolasjonsprestasjonen av SF₆ gulvmonterte tankbrytere før en feil oppstår, og det er en av de viktige måtene for å sikre deres trygge og stabile drift. Denne artikkelen gjennomgår deteksjon- og analysemetoder for delvis boksring i gulvmonterte tankbrytere, kombinert med eksperimentell og på-sted erfaring.

Under på-sted anvendelse, skal flere deteksjonmidler og analysemetoder brukes for å forbedre nøyaktigheten og påliteligheten av online-overvåking. Samtidig, i tråd med kravene til bygging av ubiquitous power Internet of Things, implementering av nøkkleteknologier som trådløs passiv sensering, lav energiforbrukende trådløse kommunikasjonsnettverk, kantberegning og store data representerer fremtidig utviklingstrening for delvis boksringdeteksjon for gulvmonterte tankbrytere.