Forskning om detektionsteknik och analysmetod för partiell utsläppning i SF6-golv-tankbrytare

Golvmontad tanktyp brytare är en viktig kontroll- och skyddsenhet i ombordssättningar och elkraftsystem. Den används huvudsakligen för att avbryta, stänga och bära normala lastströmmar i ledningar, samt för att avbryta kortslutningsströmmar vid systemfel. Består av komponenter som avbrottsdelar, isolerande busshästar, busstyp strömtransformatorer, bågningskammare, drivmekanismer och jordade kassett, är bågningskammaren i golvmontad tanktyp brytare inuti en jordad metallhölje.

SF₆ fungerar som både isolerande medium och bågningsmedium för tanktyp brytare. I ett jämnt elektriskt fält är dess isoleringsstyrka ungefär tre gånger så hög som luftens, och dess bågningskapacitet är cirka 100 gånger så stor som luftens. Därför kännetecknas SF₆ brytare av en kompakt struktur och liten fotavtryck. Dessutom erbjuder golvmontade tanktyp brytare fördelar som låg utrustnings tyngdpunkt, stabil struktur, bra seismisk prestanda, inbyggda strömtransformatorer, stark motståndskraft mot smuts och bekväm underhållning.

Men under tillverkning, montering, transport och drift av tanktyp brytare kan isolationsdefekter uppstå på grund av faktorer som dålig bearbetning, kollisioner, stötar och växlingsoperationer. Typiska isolationsdefekter inkluderar utstickande metallföremål på ledare eller kassett, flytande elektroder och fria metallpartiklar. När det elektriska fältets styrka koncentrerat vid isolationsdefekten når nedbrytningsfältets styrka i området under provspänningen eller nominalspänningen inträffar partiell utsläpp (PD). Partiell utsläpp är den huvudsakliga orsaken till isoleringsdegradering i brytare och en förlopp till isoleringsfel. Därför kan onlineövervakning av partiella utsläppssignaler upptäcka isoleringsdefekter innan ett fel inträffar, vilket är en viktig metod för att säkerställa den säkra och stabila driften av golvmontade tanktyp brytare och elkraftsystemet.

Baserat på de fysiska signalerna genererade under utsläpp, är de huvudsakliga metoderna för partiell utsläppsidentifiering för brytare pulserande strömmetod, ultraljudsmetoden (AE), transitorisk jordspänningsmetoden (TEV) och ultra-högfrekvensmetoden (UHF) [2 - 3]. Detta artikel kombinerar experimentell och platsupplevelse för att granska olika partiella utsläppsidentifierings- och analysmetoder för SF₆ golvmontade tanktyp brytare och sammanfattar varje metods egenskaper.

Pulserande Strömmetod

När partiell utsläpp inträffar genererar laddningsrörelse en pulserande ström, vilken kan identifieras av en kopplingsenhet eller strömsensor ansluten i provcirkeln. Pulserande strömmetod är den enda metoden specificerad i IEC 60270 och relevanta standarder för kvantitativ mätning av partiell utsläpp. Andra metoder används huvudsakligen för identifiering eller lokalisering av partiell utsläpp. Pulserande strömmetod har hög känslighet, men är mycket känslig för platsbaserad elektromagnetisk interferens. Därför är det nödvändigt att extrahera de svaga utsläppssignalerna från de identifierade signalerna. Fysiska mängden som representerar partiell utsläpps storlek är den synliga laddningen q, vilken kan erhållas genom följande formel.

I formeln, i(t) representerar partiell utsläppspulsström, Um(t) är pulsspänningen, Rm är identifieringsimpedansvärdet, och q är den synliga laddningen, med enheten pC (picocoulomb).

Pulserande strömmetod baserad på strömsensorer är lämplig för online partiell utsläppsidentifiering. Högfrekvens strömsensorer fungerar vanligtvis inom frekvensområdet 16 kHz till 30 MHz och är utformade i en klampanstrukturen, vilket underlättar deras installation vid jordningsänden av golvmontade tanktyp brytare.

Ultraljudsmetod

Partiell utsläpp orsakar intensiva molekylära kollisioner, vilket genererar ultraljudsvågor som sprider sig inuti brytaren. Ultraljudssensorer installerade på brytarkassett kan identifiera partiella utsläppssignaler. Piezoelektriska element inuti ultraljudssensorer konverterar ultraljudssignalerna genererade av partiell utsläpp till spänningsignaler, vilka sedan skickas till identifieringscirkeln. Identifieringscirkeln för ultraljudsmetoden består huvudsakligen av en decoupler (används för att separera strömförsörjningssignaler från ultraljudssignaler), en signalförstärkare och en filter.

Tidsdomänen och frekvensdomänen signaler för ultraljud från partiell utsläpp inuti golvmontade tanktyp brytare visas i figur 2, med frekvensområdet huvudsakligen fördelat mellan 50 och 250 kHz. Ultraljudsmetoden erbjuder fördelar som låg kostnad, enkel installation, stark motståndskraft mot elektromagnetisk interferens och lämplig för partiell utsläppslokalisering. Men den interna isoleringsstrukturen hos brytare är komplex, och ultraljudsvågor sprider sig långsamt och upplever betydande dämpning i SF₆ gas, vilket kräver identifiering av en optimal identifieringsposition.

Ultra-Högfrekvens (UHF) Metod

Uppstigningstiden och varaktigheten av strömpulserna genererade av partiell utsläpp är på nanosekundskala, vilket exciterar elektromagnetiska vågor med motsvarande frekvenser i ultra-högfrekvensområdet 300 MHz till 3 GHz. För närvarande är det identifieringsfrekvensområdet för de flesta UHF-sensorer på marknaden 300 MHz till 1,5 GHz. På grund av de svaga och högfrekventa signalerna kräver UHF-metoden att indatasignalerna konditioneras genom filtreringscirkuit, förstärkningscirkuit och integreringscirkuit innan de skickas till en datainsamlingskort för efterföljande analys.

Samtidigt, när man använder UHF-metoden, är det nödvändigt att eliminera brus som kommunikationssignaler och belysningsströmförsörjningssignaler både från programvara och hårdvara. UHF-metoden har hög känslighet, stark motståndskraft mot interferens och är lämplig för partiell utsläppslokalisering. PRPD-mönster (Phase-Resolved Partial Discharge) av UHF-signaler från partiell utsläpp vid flytande potential visas i figur 3, vilket innehåller information om utsläpps amplitud, fas och antal förekomster.

Transient Jordspänning (TEV) Metod

När elektromagnetiska vågor genererade av partiell utsläpp sprider sig till metallomhöljet av en golvmontad tanktyp brytare, genereras en inducerad ström på ytan av omhöljet, vilket resulterar i en transient jordspänning över vågimpedansen av jordningskroppen. TEV-sensorns arbetsprincip kan vara ekvivalent med en kapacitiv spänningsdelares. Den fastställer partiell utsläpp genom att identifiera spänningen över den ekvivalenta kondensatorn mellan sensor-elektroden och isoleringslagret. Transient jordspänningssignalerna för partiell utsläpp inuti en SF₆ brytare visas i figur 4, med huvudfrekvensområdet 1-100 MHz. TEV-metoden kännetecknas av sin lätthanterlighet och saknar behov av en extra identifieringscirkel.

Partiell Utsläppsanalysmetoder

Partiell utsläppsanalysmetoder används för att bedöma utsläpps risknivå, rensa signaler och extrahera utsläppsegenskaper för feltypklassificering. Dessa metoder inkluderar huvudsakligen pulswaveform-metoden, phase-resolved partial discharge (PRPD) mönstermetoden, trefas amplitud relation mönstermetoden, tids-frekvens mönstermetoden och tidbaserad statistisk karaktäristikmetod.

Pulswaveform-metoden analyserar en enskild utsläppswaveform baserat på parametrar som uppgångstid, nedgångstid, pulsvidd, kurtois och skevhet. PRPD-mönstermetoden ackumulerar partiella utsläppssignaler under AC-nätspänning för att få fas, amplitud och förekomstnummer fördelningskaraktäristika för utsläpp. Därför kallas den också för φ-q-n-mönstermetoden. Trefas amplitud relation mönstermetoden används för att analysera partiella utsläpp under trefas AC-spänning. Den får utsläppsfördelningskaraktäristika genom att samlar utsläpps amplituden av en enhetlig utsläppssignal under olika fas spänningar. Tids-frekvens mönstermetoden samlar utsläppspulser, beräknar deras ekvivalent tid och ekvivalent frekvens, och ritar utsläppsfördelningsmönster i ekvivalent tid-ekvivalent frekvens domänen. Tidbaserad statistisk karaktäristikmetod är tillämplig för analys av partiella utsläpp under högspännings likström. Den analyserar statistiskt utsläppsfördelningskaraktäristika baserat på utsläpps kvantitet och tidskillnaden mellan utsläppspulser.

För lokaliserings av partiella utsläpp inuti SF₆ golvmontade tanktyp brytare, kan absolut tidskillnadsmetoden eller relativ tidskillnadsmetoden användas. Absolut tidskillnadsmetoden använder utsläppscurrentpuls-signalen eller ultra-högfrekvens (UHF) signalen som utsläppets starttid. Efter att ha beräknat tidskillnaden mellan ultraljudssignalen och utsläppets startsignal, lokaliseras utsläppskällan. Relativ tidskillnadsmetoden använder endast flera ultraljudssensorer installerade vid olika positioner på brytartanken. Den fastställer insulatiosdefektens plats genom att beräkna tidskillnaden mellan varje ultraljudssignal och referensultraljudssignalen.

Slutsats

Onlineövervakning av partiella utsläpp kan effektivt bedöma isoleringsprestandan av SF₆ golvmontade tanktyp brytare innan ett fel inträffar, och det är en av de viktiga metoderna för att säkerställa deras säkra och stabila drift. Denna artikel granskar identifierings- och analysmetoder för partiella utsläpp i golvmontade tanktyp brytare, kombinerat med experimentell och platsupplevelse.

Under platsanvändning bör flera identifieringsmedel och analysmetoder användas för att förbättra noggrannheten och tillförlitligheten i onlineövervakning. Samtidigt, i linje med kraven för byggnad av allmän elinternet, implementering av nyckeltekniker som trådlös passiv sensering, lågkonsumtionstrådlös kommunikationsnät, edge computing och big data representerar framtida utvecklingstrenden för partiell utsläppsidentifiering för golvmontade tanktyp brytare.