Istraživanje tehnologije detekcije i metode analize delimičnog iskora u prekidaču sa SF6 podstaničnim spremnikom

Podna montirani rezervoarski prekidač je ključno uređenje za kontrolu i zaštitu u transformatorskim staniciama i elektroenergetskim sistemima. Glavne funkcije su prekid, zatvaranje i prenos normalnih radnih struja na linijama, kao i prekid kratkih struja tokom grešaka sistema. Sastavljen je od elemenata poput prekidnih elemenata, izolacionih čevlja, čevljastih transformatora struje, komora za gasenje lukova, mehanizama za upravljanje i oklopne kuće. Komora za gasenje luka podnog montiranog rezervoarskog prekidača nalazi se unutar oklopljene metaličke kuće.

SF₆ služi kao sredstvo za izolaciju i gasenje luka kod rezervoarskih prekidača. U uniformnom električnom polju, njegova izolaciona snaga je približno tri puta veća od one vazduha, a sposobnost gasenja luka oko 100 puta veća od one vazduha. Kao rezultat, SF₆ prekidači imaju kompaktnu strukturu i mali prostorni zahtev. Takođe, podni montirani rezervoarski prekidači nude prednosti poput niske centralne težine opreme, stabilne strukture, dobre seizmičke performanse, ugrađenih transformatora struje, snažne otpornosti na prljavštinu i praktičnu održavanje.

Međutim, tokom proizvodnje, montaže, transporta i rada rezervoarskih prekidača, mogu nastati defekti izolacije zbog faktora poput loše obrade, sudara, udaraca i operacija preklapanja. Tipični defekti izolacije uključuju izbacedene metalne objekte na vodilima ili kućištima, plivajuće elektrode i slobodne metalne čestice. Kada se jakost električnog polja koncentriše na defektu izolacije i dostigne razbijnu jakost pod ispitnim ili nominalnim naponom, javlja se delimični ispit (DI). Delimični ispit je glavni uzrok degradacije izolacije prekidača i prethodnik poraza izolacije. Stoga, online nadzor signala delimičnog ispite može otkriti defekte izolacije pre nego što dođe do poraza, što je ključno sredstvo za osiguranje bezbednog i stabilnog rada podnih montiranih rezervoarskih prekidača i elektroenergetskega sistema.

Na osnovu fizičkih signala generisanih tokom ispite, glavne metode detekcije delimičnog ispite za prekidače su impulsna metoda struje, ultrazvučna metoda (AE), metoda privremenog zemljinskog napona (TEV) i ultra visokofrekventna metoda (UHF) [2 - 3]. Ovaj članak kombinuje eksperimentalne i terenske iskustva kako bi pregledao različite metode detekcije i analize delimičnog ispite za SF₆ podne montirane rezervoarske prekidače i sažeto izveo karakteristike svake metode.

Impulsna metoda struje

Kada se dogodi delimični ispit, kretanje nabojâ generiše impulsnu struju, koja se može detektovati pomoću spojnog uređaja ili senzora struje povezanog u ispitnom krugu. Impulsna metoda struje je jedina metoda specificirana u IEC 60270 i relevantnim standardima za kvantitativnu meru delimičnog ispite. Ostale metode uglavnom se koriste za detekciju ili lokaciju delimičnog ispite. Impulsna metoda struje ima visoku osetljivost, ali je vrlo osetljiva na elektromagnetnu interferenciju na mestu. Stoga je potrebno da se blagi ispitni signali izdvoje iz detektovanih signala. Fizička veličina koja predstavlja intenzitet delimičnog ispite je aparentni naboj q, koji se može dobiti preko sledeće formule.

U formuli, i(t ) predstavlja impulsnu struju delimičnog ispite, Um(t) je impulsni napon, Rm je vrednost detektorskog otpora, a q je aparentni naboj, sa jedinicom pC (pikokulon).

Impulsna metoda struje bazirana na senzorima struje prikladna je za online detekciju delimičnog ispite. Visokofrekventni senzori struje obično rade u frekvenci od 16 kHz do 30 MHz i dizajnirani su sa strukturama za klešta, što olakšava njihovu instalaciju na zemljištu podnih montiranih rezervoarskih prekidača.

Ultrazvučna metoda

Delimični ispit dovodi do intenzivnih molekulskih sudara, generišući ultrazvučne talase koji se šire unutar prekidača. Ultrazvučni senzori instalirani na kućištu prekidača mogu detektovati signale delimičnog ispite. Piezoelektrični elementi unutar ultrazvučnih senzora pretvaraju ultrazvučne signale generisane delimičnim ispitom u naponske signale, koji se zatim prenose na detektorski krug. Detektorski krug za ultrazvučnu metodu uglavnom se sastoji od decupleera (koristi se za odvajanje signala napajanja od ultrazvučnih signala), pojačavača signala i filtera.

Vremenski i frekventni signali ultrazvučnih talasa od delimičnog ispite unutar podnih montiranih rezervoarskih prekidača prikazani su na Slici 2, sa frekvencijskim opsegom uglavnom raspodeljenim između 50 i 250 kHz. Ultrazvučna metoda nudi prednosti poput niske cene, lakše instalacije, snažne otpornosti na elektromagnetnu interferenciju i prikladnosti za lokaciju delimičnog ispite. Međutim, unutrašnja izolaciona struktura prekidača je složena, a ultrazvučni talasi se sporo kreću i iskusavaju značajnu slabljenje u SF₆ gasu, što zahteva identifikaciju optimalne pozicije za detekciju.

Ultra visokofrekventna (UHF) metoda

Vreme uspona i trajanje impulsa struje generisanih delimičnim ispitom su nanosekundnog skalira, ekscitirajući elektromagnetske talase sa ekvivalentnim frekvencijama u ultra visokofrekventnom opsegu od 300 MHz do 3 GHz. Trenutno, detektorski frekvencijski opseg većine UHF senzora na tržištu je 300 MHz do 1.5 GHz. Zbog slabih i visokofrekventnih signala, UHF metoda zahteva kondicionisanje ulaznih signala putem filtra, pojačavača i integratora pre no što se prenese na karticu za prikupljanje podataka za kasniju analizu.

Takođe, korišćenjem UHF metode, potrebno je eliminirati buke, kao što su signali komunikacije i napajanja rasvetljenja, sa softverskog i hardverskog aspekta. UHF metoda ima visoku osetljivost, snažnu otpornost na interferenciju i prikladnu je za lokaciju delimičnog ispite. PRPD (fazno rešen pattern) UHF signala od delimičnog ispite na plivajućem potencijalu prikazan je na Slici 3, koji sadrži informacije o amplitudama, fazama i broju pojavljivanja ispite.

Metoda privremenog zemljinskog napona (TEV)

Kada se elektromagnetski talasi generisani delimičnim ispitom šire do metaličke kućišta podnog montiranog rezervoarskog prekidača, generiše se indukovana struja na površini kućišta, rezultirajući privremenim zemljinskim naponom preko valovitog otpora zemljišta. Radni princip TEV senzora može se ekvivalentno smatrati radnim principom kapacitivnog delioca napona. On utvrđuje pojavu delimičnog ispite detektovanjem napona preko ekvivalentnog kondenzatora između elektrode senzora i izolacionog sloja. Privremeni zemljinski napon signala delimičnog ispite unutar SF₆ prekidača prikazan je na Slici 4, sa glavnim frekvencijskim opsegom od 1 - 100 MHz. Metoda TEV se karakteriše lakošću korišćenja i nepotrebom dodatnog detektorskog kruga.

Metode analize delimičnog ispite

Metode analize delimičnog ispite se koriste za procenu rizika od ispite, uklanjanje buke i izdvajanje karakteristika ispite radi klasifikacije tipa greške. Ove metode uključuju metodu impulsnog talasa, metodu fazno rešenog patterna delimičnog ispite (PRPD), metodu patterna odnosa amplituda u tri faze, metodu vremensko-frekventnog patterna i metodu statističkih karakteristika vremenskih intervala.

Metoda impulsnog talasa analizira pojedinačni talas ispite na osnovu parametara poput vremena uspona, pada, širine impulsa, kurtoze i skosnosti. Metoda PRPD patterna akumulira signale delimičnog ispite pod AC strujnim naponom kako bi se dobile karakteristike faze, amplitude i broja pojavljivanja ispite. Stoga se takođe naziva \(\varphi -q -n\) metodom. Metoda patterna odnosa amplituda u tri faze koristi se za analizu delimičnog ispite pod trofaznim AC naponom.

Ona prikuplja karakteristike raspodele ispite prikupljanjem amplituda jedinstvenog signala ispite pod različitim faznim napajanjima. Metoda vremensko-frekventnog patterna prikuplja impulse ispite, izračunava njihove ekvivalentne vreme i frekvencije, i crta pattern raspodele ispite u domenu ekvivalentnog vremena-ekvivalentne frekvencije. Metoda statističkih karakteristika vremenskih intervala primenjiva je za analizu delimičnog ispite pod visokim DC naponom. Ona statistički analizira karakteristike raspodele ispite na osnovu veličine količine ispite i vremenske razlike između impulsa ispite.

Za lokaciju delimičnog ispite unutar SF₆ podnih montiranih rezervoarskih prekidača, može se koristiti apsolutna metoda vremenske razlike ili relativna metoda vremenske razlike. Apsolutna metoda vremenske razlike koristi signal impulsa struje ispite ili UHF signal kao početno vreme ispite. Nakon izračunavanja vremenske razlike između ultrazvučnog signala i signala početka ispite, lokalizuje se izvor ispite. Relativna metoda vremenske razlike koristi samo više ultrazvučnih senzora instaliranih na različitim pozicijama na rezervoaru prekidača. Ona određuje lokaciju defekata izolacije izračunavanjem vremenske razlike između svakog ultrazvučnog signala i referentnog ultrazvučnog signala.

Zaključak

Online nadzor delimičnog ispite može efektivno oceniti izolacione performanse SF₆ podnih montiranih rezervoarskih prekidača pre nego što dođe do greške, i to je jedno od važnih sredstava za osiguranje njihovog bezbednog i stabilnog rada. Ovaj članak pregleda metode detekcije i analize delimičnog ispite podnih montiranih rezervoarskih prekidača, kombinujući eksperimentalna i terenska iskustva.

Tokom terenske primene, treba koristiti više sredstava detekcije i metoda analize kako bi se poboljšala tačnost i pouzdanost online nadzora. Takođe, u skladu sa zahtevima za izgradnjom omniprizentnog Internet of Things (IoT) u energetskom sektoru, implementacija ključnih tehnologija poput bežičnog pasivnog senziranja, niskopotrosnog bežičnog komunikacionog mreže, ivičnog računanja i big data predstavlja buduću razvojnu tendenciju detekcije delimičnog ispite podnih montiranih rezervoarskih prekidača.