Badania nad technologią detekcji i metodami analizy częściowego wyładowania w obwodniku przel amatcznym SF6

Przewodnik naziemny typu zbiornikowy to kluczowe urządzenie sterujące i ochronne w podstacjach i systemach energetycznych. Służy głównie do przerwania, zamknięcia i przeprowadzania normalnych prądów obciążeniowych w liniach oraz do odłączenia prądów zwarciowych podczas awarii systemu. Składa się z elementów takich jak elementy przerzucające, izolatory, transformatory prądowe typu izolatorowego, komory gaszące łuki elektryczne, mechanizmy napędowe i obudowy ziemne. Komora gasząca łuk elektryczny przewodnika naziemnego typu zbiornikowego jest umieszczona w metalowej obudowie ziemnej.

SF₆ służy zarówno jako środek izolacyjny, jak i gaszący łuki elektryczne dla przewodników typu zbiornikowego. W jednorodnym polu elektrycznym jego siła izolacyjna jest około trzy razy większa niż powietrza, a zdolność do gaszenia łuków elektrycznych wynosi około 100 razy więcej niż powietrze. W rezultacie przewodniki SF₆ charakteryzują się zwartą konstrukcją i małym wymiarem. Dodatkowo, przewodniki naziemne typu zbiornikowego mają zalety takie jak niski środek ciężkości urządzenia, stabilna konstrukcja, dobra odporność sejsmiczna, wbudowane transformatory prądowe, duża odporność na brud i łatwa konserwacja.

Jednakże podczas produkcji, montażu, transportu i eksploatacji przewodników typu zbiornikowego mogą wystąpić defekty izolacji z powodu czynników takich jak nieodpowiednie przetwarzanie, kolizje, uderzenia i operacje przełączania. Typowe defekty izolacji obejmują wystające obiekty metalowe na przewodnikach lub obudowach, pływające elektrody i wolne cząstki metalowe. Gdy natężenie pola elektrycznego skupione na defekcie izolacji osiąga natężenie pola rozładowania obszaru pod napięciem próbującym lub nominalnym, następuje częściowe rozładowanie (PD). Częściowe rozładowanie jest główną przyczyną degradacji izolacji w przewodnikach i poprzednikiem awarii izolacji. Dlatego monitorowanie online sygnałów częściowego rozładowania może wykryć defekty izolacji przed wystąpieniem awarii, co jest kluczowym środkiem zapewnienia bezpiecznej i stabilnej pracy przewodników naziemnych typu zbiornikowego i systemu energetycznego.

Na podstawie fizycznych sygnałów generowanych podczas rozładowania, główne metody detekcji częściowego rozładowania dla przewodników to metoda impulsowego prądu, metoda ultradźwiękowa (AE), metoda przejściowego napięcia ziemnego (TEV) i metoda ultra-wysokiej częstotliwości (UHF) [2 - 3]. Ten artykuł łączy doświadczenie eksperymentalne i terenowe, aby omówić różne techniki detekcji i analizy częściowego rozładowania dla przewodników SF₆ naziemnych typu zbiornikowego i podsumować cechy każdej metody.

Metoda Impulsowego Prądu

Gdy występuje częściowe rozładowanie, ruch ładunków generuje impuls prądu, który można wykryć za pomocą sprzętu sprzężonego lub czujnika prądowego podłączonego do obwodu testowego. Metoda impulsowego prądu jest jedyną metodą określoną w normie IEC 60270 i odpowiednich standardach do ilościowego pomiaru częściowego rozładowania. Inne metody są głównie używane do detekcji lub lokalizacji częściowego rozładowania. Metoda impulsowego prądu cechuje się wysoką czułością, ale jest bardzo podatna na zakłócenia elektromagnetyczne na miejscu. Dlatego konieczne jest wyodrębnienie słabych sygnałów rozładowania z wykrytych sygnałów. Fizyczną wielkością reprezentującą wielkość częściowego rozładowania jest widoczny ładunek q, który można uzyskać za pomocą następującego wzoru.

W wzorze i(t ) reprezentuje impuls prądu częściowego rozładowania, Um(t) to impulsowe napięcie, Rm to wartość impedancji detekcyjnej, a q to widoczny ładunek, wyrażony w pC (picoculomb).

Metoda impulsowego prądu oparta na czujnikach prądowych jest odpowiednia do detekcji częściowego rozładowania online. Czujniki prądowe o wysokiej częstotliwości zwykle działają w zakresie częstotliwości od 16 kHz do 30 MHz i są zaprojektowane w strukturze typu klamra, co ułatwia ich montaż na końcówce ziemnej przewodników naziemnych typu zbiornikowego.

Metoda Ultradźwiękowa

Częściowe rozładowanie powoduje intensywne zderzenia molekuł, generując fale ultradźwiękowe, które rozprzestrzeniają się w przewodniku. Czujniki ultradźwiękowe zamontowane na obudowie przewodnika mogą wykrywać sygnały częściowego rozładowania. Elementy piezoelektryczne w czujnikach ultradźwiękowych przekształcają fale ultradźwiękowe generowane przez częściowe rozładowanie w sygnały napięciowe, które są następnie przesyłane do obwodu detekcyjnego. Obwód detekcyjny dla metody ultradźwiękowej składa się głównie z dekoderu (używanego do oddzielenia sygnałów zasilania od sygnałów ultradźwiękowych), wzmacniacza sygnałów i filtru.

Sygnały czasowe i częstotliwościowe fal ultradźwiękowych z częściowego rozładowania w przewodnikach naziemnych typu zbiornikowego pokazane są na Rysunku 2, z zakresem częstotliwości głównie rozłożonym między 50 a 250 kHz. Metoda ultradźwiękowa ma zalety takie jak niska cena, łatwa instalacja, silna odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i odpowiedniość do lokalizacji częściowego rozładowania. Jednak wewnętrzna struktura izolacyjna przewodników jest skomplikowana, a fale ultradźwiękowe poruszają się wolno i doświadczają znacznej atenuacji w gazie SF₆, co wymaga identyfikacji optymalnej pozycji detekcji.

Metoda Ultra-Wysokiej Częstotliwości (UHF)

Czas narastania i trwania impulsów prądowych generowanych przez częściowe rozładowanie mieści się w skali nanosekund, pobudzając fale elektromagnetyczne o równoważnych częstotliwościach w zakresie ultra-wysokiej częstotliwości od 300 MHz do 3 GHz. Obecnie, większość czujników UHF dostępnych na rynku działa w zakresie częstotliwości od 300 MHz do 1,5 GHz. Ze względu na słabe i wysokie częstotliwości sygnałów, metoda UHF wymaga warunkowania sygnałów wejściowych przez obwody filtrujące, wzmacniające i integrujące, zanim zostaną one przesłane do karty akwizycji danych do dalszej analizy.

Ponadto, stosując metodę UHF, konieczne jest eliminowanie zakłóceń, takich jak sygnały komunikacyjne i sygnały zasilania oświetlenia, zarówno ze stroną oprogramowania, jak i sprzętu. Metoda UHF cechuje się wysoką czułością, silną odpornością na zakłócenia i jest odpowiednia do lokalizacji częściowego rozładowania. Wzorzec fazowego rozdzielania częściowego rozładowania (PRPD) sygnałów UHF z częściowego rozładowania na pływającym potencjale pokazany jest na Rysunku 3, zawierając informacje o amplitudzie, fazie i liczbie wystąpień rozładowania.

Metoda Przejściowego Napięcia Ziemi (TEV)

Gdy fale elektromagnetyczne generowane przez częściowe rozładowanie rozprzestrzeniają się do metalowej obudowy przewodnika naziemnego typu zbiornikowego, powstaje indukowany prąd na powierzchni obudowy, powodując przejściowe napięcie ziemi na impedancji falowej obudowy ziemnej. Zasada działania czujnika TEV może być porównana do dzielnika napięcia kondensatorskiego. Wykrywa on wystąpienie częściowego rozładowania, wykrywając napięcie na równoważnym kondensatorze między elektrodą czujnika a warstwą izolacyjną. Sygnały przejściowego napięcia ziemi z częściowego rozładowania w przewodniku SF₆ pokazane są na Rysunku 4, z głównym zakresem częstotliwości od 1 do 100 MHz. Metoda TEV charakteryzuje się łatwą obsługą i brakiem potrzeby dodatkowego obwodu detekcyjnego.

Metody Analizy Częściowego Rozładowania

Metody analizy częściowego rozładowania są stosowane do oceny poziomu ryzyka rozładowania, redukcji szumów, wyodrębniania cech rozładowania do klasyfikacji typów uszkodzeń. Te metody obejmują głównie metodę formy impulsu, metodę fazowego rozdzielania częściowego rozładowania (PRPD), metodę relacji amplitudy trójfazowej, metodę wzorca czas-częstotliwość i metodę statystycznej charakterystyki czasowej.

Metoda formy impulsu analizuje pojedynczą formę impulsu rozładowania na podstawie parametrów takich jak czas narastania, czas spadku, szerokość impulsu, kurtoza i skośność. Metoda PRPD gromadzi sygnały częściowego rozładowania pod napięciem sieciowym zmiennoprądowym, aby uzyskać rozkład fazy, amplitudy i liczby wystąpień rozładowań. Stąd też nazywana jest metodą \(\varphi -q -n\). Metoda relacji amplitudy trójfazowej służy do analizy częściowego rozładowania pod napięciem zmiennoprądowym trójfazowym.

Zbiera ona cechy rozkładu rozładowań, zbierając amplitudy jednolitego sygnału rozładowania pod różnymi napięciami fazowymi. Metoda wzorca czas-częstotliwość zbiera impulsy rozładowania, oblicza ich równoważny czas i równoważną częstotliwość, i rysuje wzorzec rozkładu rozładowania w dziedzinie równoważnego czasu-równoważnej częstotliwości. Metoda statystycznej charakterystyki czasowej jest stosowana do analizy częściowego rozładowania pod wysokim napięciem stałoprądowym. Statystycznie analizuje ona cechy rozkładu rozładowań na podstawie wielkości ładunku rozładowania i różnicy czasu między impulsami rozładowania.

Dla lokalizacji częściowego rozładowania wewnątrz przewodników SF₆ naziemnych typu zbiornikowego, można zastosować metodę absolutnej różnicy czasu lub względną różnicę czasu. Metoda absolutnej różnicy czasu używa sygnału impulsu prądu rozładowania lub sygnału UHF jako punkt początkowy rozładowania. Po obliczeniu różnicy czasu między sygnałem ultradźwiękowym a sygnałem początkowym rozładowania, określa położenie źródła rozładowania. Metoda względnej różnicy czasu używa tylko wielu czujników ultradźwiękowych zamontowanych w różnych pozycjach na zbiorniku przewodnika. Określa ona położenie defektów izolacji, obliczając różnicę czasu między każdym sygnałem ultradźwiękowym a referencyjnym sygnałem ultradźwiękowym.

Podsumowanie

Monitorowanie online częściowego rozładowania może efektywnie ocenić wydajność izolacji przewodników SF₆ naziemnych typu zbiornikowego przed wystąpieniem uszkodzenia, co jest jednym z kluczowych środków zapewnienia ich bezpiecznej i stabilnej pracy. Ten artykuł przegląda metody detekcji i analizy częściowego rozładowania w przewodnikach naziemnych typu zbiornikowego, łącząc doświadczenie eksperymentalne i terenowe.

Podczas zastosowań terenowych należy używać wielu metod detekcji i analiz, aby zwiększyć dokładność i niezawodność monitorowania online. Ponadto, w ramach wymogów budowy wszechobecnego Internetu Rzeczy dla energii, implementacja kluczowych technologii, takich jak bezprzewodowe czujniki pasywne, niskonapędowe sieci komunikacyjne bezprzewodowe, obliczenia na krawędzi i big data, reprezentuje przyszły trend rozwoju detekcji częściowego rozładowania dla przewodników naziemnych typu zbiornikowego.