Pesquisa sobre Tecnologia de Detecção e Método de Análise de Descarga Parcial em Interruptor de Circuito de Tanque no Chão SF6

O disjuntor de tipo tanque montado no chão é um dispositivo de controle e proteção crucial em subestações e sistemas de energia. É principalmente usado para interromper, fechar e conduzir correntes de carga normais em linhas, e para cortar correntes de curto-circuito durante falhas do sistema. Composto por componentes como elementos de interrupção, buchas isolantes, transformadores de corrente de bucha, câmaras de extinção de arco, mecanismos de operação e caixas de aterramento, a câmara de extinção de arco do disjuntor de tipo tanque montado no chão está alojada em uma caixa metálica aterrada.

SF₆ serve tanto como meio isolante quanto de extinção de arco para disjuntores de tipo tanque. Em um campo elétrico uniforme, sua resistência ao isolamento é aproximadamente três vezes maior que a do ar, e sua capacidade de extinção de arco é cerca de 100 vezes maior que a do ar. Como resultado, os disjuntores SF₆ são caracterizados por uma estrutura compacta e um pequeno espaço ocupado. Além disso, os disjuntores de tipo tanque montados no chão oferecem vantagens como centro de gravidade baixo do equipamento, estrutura estável, bom desempenho sísmico, transformadores de corrente embutidos, forte resistência à sujeira e manutenção conveniente.

No entanto, durante a fabricação, montagem, transporte e operação dos disjuntores de tipo tanque, podem ocorrer defeitos de isolamento devido a fatores como processamento inadequado, colisões, impactos e operações de comutação. Defeitos de isolamento típicos incluem objetos metálicos salientes em condutores ou cascos, eletrodos flutuantes e partículas metálicas livres. Quando a intensidade do campo elétrico concentrada no defeito de isolamento atinge a intensidade de campo de ruptura da área sob a tensão de teste ou tensão nominal, ocorre a descarga parcial (DP). A descarga parcial é a principal causa da degradação do isolamento nos disjuntores e um precursor de falhas de isolamento. Portanto, o monitoramento online de sinais de descarga parcial pode detectar defeitos de isolamento antes que ocorra uma falha, sendo um meio vital para garantir a operação segura e estável dos disjuntores de tipo tanque montados no chão e do sistema de energia.

Com base nos sinais físicos gerados durante a descarga, os principais métodos de detecção de descarga parcial para disjuntores são o método de corrente pulsada, o método ultrassônico (AE), o método de tensão terrestre transitória (TEV) e o método de ultra-alta frequência (UHF) [2-3]. Este artigo combina experiência experimental e em campo para revisar várias técnicas de detecção e análise de descarga parcial para disjuntores SF₆ de tipo tanque montados no chão e resumir as características de cada método.

Método de Corrente Pulsada

Quando ocorre uma descarga parcial, o movimento de cargas gera uma corrente pulsada, que pode ser detectada por um dispositivo de acoplamento ou sensor de corrente conectado no circuito de teste. O método de corrente pulsada é o único método especificado na IEC 60270 e em normas relevantes para a medição quantitativa de descarga parcial. Outros métodos são principalmente usados para a detecção ou localização de descarga parcial. O método de corrente pulsada tem alta sensibilidade, mas é altamente suscetível a interferências eletromagnéticas no local. Assim, é necessário extrair os fracos sinais de descarga dos sinais detectados. A quantidade física que representa a magnitude da descarga parcial é a carga aparente q, que pode ser obtida pela seguinte fórmula.

Na fórmula, i(t ) representa a corrente pulsada de descarga parcial, Um(t) é a tensão pulsada, Rm é o valor de impedância de detecção, e q é a carga aparente, com unidade de pC (picocoulomb).

O método de corrente pulsada baseado em sensores de corrente é adequado para a detecção online de descarga parcial. Sensores de corrente de alta frequência geralmente operam em uma faixa de frequência de 16 kHz a 30 MHz e são projetados com uma estrutura de pinça, facilitando sua instalação no extremo de aterramento dos disjuntores de tipo tanque montados no chão.

Método Ultrassônico

A descarga parcial causa colisões moleculares intensas, gerando ondas ultrassônicas que se propagam dentro do disjuntor. Sensores ultrassônicos instalados no casco do disjuntor podem detectar sinais de descarga parcial. Os elementos piezelétricos dentro dos sensores ultrassônicos convertem os sinais ultrassônicos gerados pela descarga parcial em sinais de tensão, que são então transmitidos ao circuito de detecção. O circuito de detecção para o método ultrassônico consiste principalmente em um decoupler (usado para separar sinais de alimentação de sinais ultrassônicos), um amplificador de sinal e um filtro.

Os sinais no domínio do tempo e da frequência das ondas ultrassônicas de descarga parcial dentro dos disjuntores de tipo tanque montados no chão são mostrados na Figura 2, com a faixa de frequência distribuída principalmente entre 50 e 250 kHz. O método ultrassônico oferece vantagens como baixo custo, fácil instalação, forte resistência a interferências eletromagnéticas e adequação para localização de descarga parcial. No entanto, a estrutura interna de isolamento dos disjuntores é complexa, e as ondas ultrassônicas se propagam lentamente e sofrem atenuação significativa no gás SF₆, necessitando a identificação de uma posição ótima de detecção.

Método de Ultra-Alta Frequência (UHF)

O tempo de subida e duração dos pulsos de corrente gerados pela descarga parcial estão na escala de nanosegundos, excitando ondas eletromagnéticas com frequências equivalentes na faixa de ultra-alta frequência de 300 MHz a 3 GHz. Atualmente, a faixa de detecção de frequência de maioria dos sensores UHF no mercado é de 300 MHz a 1,5 GHz. Devido à natureza fraca e de alta frequência dos sinais, o método UHF requer a condição dos sinais de entrada através de circuitos de filtragem, amplificação e integração antes de transmiti-los para uma placa de aquisição de dados para análise subsequente.

Ao mesmo tempo, ao usar o método UHF, é necessário eliminar ruídos, como sinais de comunicação e sinais de alimentação de iluminação, tanto do ponto de vista de software quanto de hardware. O método UHF apresenta alta sensibilidade, forte resistência a interferências e é adequado para localização de descarga parcial. O padrão de descarga parcial resolvida em fase (PRPD) dos sinais UHF de descarga parcial em potencial flutuante é mostrado na Figura 3, que contém informações sobre a amplitude, fase e número de ocorrências da descarga.

Método de Tensão Terrestre Transitória (TEV)

Quando as ondas eletromagnéticas geradas pela descarga parcial se propagam até a carcaça metálica do disjuntor de tipo tanque montado no chão, é gerada uma corrente induzida na superfície da carcaça, resultando em uma tensão terrestre transitória através da impedância de onda do corpo de aterramento. O princípio de funcionamento de um sensor TEV pode ser equivalente ao de um divisor de tensão capacitivo. Ele determina a ocorrência de descarga parcial detectando a tensão através do capacitor equivalente entre o eletrodo do sensor e a camada de isolamento. Os sinais de tensão terrestre transitória de descarga parcial dentro de um disjuntor SF₆ são mostrados na Figura 4, com a faixa de frequência principal sendo de 1 a 100 MHz. O método TEV é caracterizado por sua facilidade de uso e ausência de necessidade de um circuito de detecção adicional.

Métodos de Análise de Descarga Parcial

Os métodos de análise de descarga parcial são usados para avaliar o nível de risco das descargas, reduzir ruídos, e extrair características de descarga para classificação de tipos de falhas. Esses métodos incluem principalmente o método de forma de onda de pulso, o método de padrão de descarga parcial resolvida em fase (PRPD), o método de padrão de relação de amplitude trifásica, o método de padrão de tempo-frequência e o método de característica estatística baseada em tempo.

O método de forma de onda de pulso analisa uma única forma de onda de descarga com base em parâmetros como tempo de subida, tempo de queda, largura de pulso, curtose e assimetria. O método PRPD acumula sinais de descarga parcial sob tensão de frequência de rede CA para obter as características de distribuição de fase, amplitude e número de ocorrências das descargas. Portanto, também é conhecido como o método \(\varphi -q -n\). O método de relação de amplitude trifásica é usado para analisar descargas parciais sob tensão CA trifásica.

Ele adquire as características de distribuição de descarga coletando as amplitudes de descarga de um sinal de descarga unificado sob diferentes tensões de fase. O método de padrão de tempo-frequência coleta pulsos de descarga, calcula seu tempo equivalente e frequência equivalente, e traça o padrão de distribuição de descarga no domínio de tempo equivalente-frequência equivalente. O método de característica estatística baseada em tempo é aplicável à análise de descargas parciais sob corrente contínua de alta tensão. Ele analisa estatisticamente as características de distribuição de descarga com base na magnitude da quantidade de descarga e na diferença de tempo entre os pulsos de descarga.

Para a localização de descargas parciais dentro de disjuntores SF₆ de tipo tanque montados no chão, pode-se adotar o método de diferença de tempo absoluta ou o método de diferença de tempo relativa. O método de diferença de tempo absoluta usa o sinal de pulso de corrente de descarga ou o sinal de ultra-alta frequência (UHF) como o tempo de início da descarga. Após calcular a diferença de tempo entre o sinal ultrassônico e o sinal de início da descarga, ele localiza a fonte da descarga. O método de diferença de tempo relativa usa apenas múltiplos sensores ultrassônicos instalados em diferentes posições no tanque do disjuntor. Ele determina a localização de defeitos de isolamento calculando a diferença de tempo entre cada sinal ultrassônico e o sinal ultrassônico de referência.

Conclusão

O monitoramento online de descargas parciais pode avaliar eficazmente o desempenho do isolamento de disjuntores SF₆ de tipo tanque montados no chão antes que ocorra uma falha, e é um dos meios importantes para garantir sua operação segura e estável. Este artigo revisa os métodos de detecção e análise de descargas parciais em disjuntores de tipo tanque montados no chão, combinando experiência experimental e em campo.

Durante as aplicações em campo, devem ser usados múltiplos meios de detecção e métodos de análise para melhorar a precisão e confiabilidade do monitoramento online. Ao mesmo tempo, de acordo com os requisitos da construção da Internet das Coisas ubíqua de energia, a implementação de tecnologias-chave, como sensores sem fio passivos, redes de comunicação sem fio de baixo consumo, computação de borda e big data, representa a tendência futura de detecção de descargas parciais para disjuntores de tipo tanque montados no chão.