การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการตรวจจับและการวิเคราะห์วิธีการของการปล่อยประจุบางส่วนในเบรกเกอร์วงจรแบบถังพื้น SF6

ตู้ตัดวงจรแบบติดพื้นเป็นอุปกรณ์ควบคุมและป้องกันที่สำคัญในสถานีไฟฟ้าและระบบพลังงาน มันใช้ในการตัดวงจร ปิดวงจร และขนส่งกระแสโหลดปกติในสายไฟ และตัดกระแสลัดวงจรเมื่อมีความผิดพลาดในระบบ ส่วนประกอบหลักได้แก่ องค์ประกอบการตัดวงจร ปลอกฉนวน ทรานส์ฟอร์มเมอร์กระแสประเภทปลอก ห้องดับอาร์ก การทำงานของกลไก และโครงสร้างโลหะที่ต่อลงดิน ห้องดับอาร์กของตู้ตัดวงจรแบบติดพื้นจะถูกบรรจุอยู่ภายในโครงสร้างโลหะที่ต่อลงดิน

SF₆ เป็นสารฉนวนและสารดับอาร์กสำหรับตู้ตัดวงจร ในสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอ แรงฉนวนของมันประมาณสามเท่าของอากาศ และความสามารถในการดับอาร์กประมาณหนึ่งร้อยเท่าของอากาศ ดังนั้น ตู้ตัดวงจร SF₆ มีโครงสร้างที่กะทัดรัดและพื้นที่ใช้งานเล็ก นอกจากนี้ ตู้ตัดวงจรแบบติดพื้นยังมีข้อดีเช่น ศูนย์กลางอุปกรณ์ต่ำ โครงสร้างมั่นคง ทนทานต่อแรงสั่นสะเทือน ทรานส์ฟอร์มเมอร์กระแสที่ติดตั้งไว้ภายใน ทนทานต่อฝุ่น และบำรุงรักษาง่าย

อย่างไรก็ตาม ระหว่างการผลิต การประกอบ การขนส่ง และการทำงานของตู้ตัดวงจร อาจเกิดข้อบกพร่องทางฉนวนเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การแปรรูปที่ไม่ดี การชน การกระทบ และการเปลี่ยนแปลงวงจร ข้อบกพร่องทางฉนวนที่พบบ่อยรวมถึงวัสดุโลหะที่ยื่นออกมาบนสายไฟหรือโครงสร้าง การลอยของขั้วไฟฟ้า และอนุภาคโลหะที่เคลื่อนที่ได้ เมื่อความเข้มของสนามไฟฟ้าที่สะสมที่ข้อบกพร่องทางฉนวนถึงความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกหักภายใต้แรงดันทดสอบหรือแรงดันกำหนด จะเกิดการปล่อยประจุบางส่วน (PD) การปล่อยประจุบางส่วนเป็นสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพฉนวนและการเตือนภัยก่อนการเสียหายของฉนวน ดังนั้น การตรวจสอบออนไลน์ของสัญญาณการปล่อยประจุบางส่วนสามารถตรวจพบข้อบกพร่องทางฉนวนก่อนที่จะเกิดการเสียหาย ซึ่งเป็นวิธีที่สำคัญในการรับประกันการทำงานอย่างปลอดภัยและมั่นคงของตู้ตัดวงจรแบบติดพื้นและระบบพลังงาน

ตามสัญญาณทางกายภาพที่เกิดขึ้นระหว่างการปล่อยประจุ วิธีการตรวจสอบการปล่อยประจุบางส่วนหลักสำหรับตู้ตัดวงจรคือ วิธีการกระแสกระชาก วิธีการคลื่นเสียงความถี่สูง (AE) วิธีการแรงดันชั่วคราวต่อโลก (TEV) และวิธีการความถี่สูงมาก (UHF) [2-3] บทความนี้รวมประสบการณ์ทดลองและประสบการณ์ในสถานที่เพื่อดูทบทวนเทคนิคการตรวจสอบและวิเคราะห์การปล่อยประจุบางส่วนสำหรับตู้ตัดวงจร SF₆ แบบติดพื้นและสรุปคุณลักษณะของแต่ละวิธี

วิธีการกระแสกระชาก

เมื่อเกิดการปล่อยประจุบางส่วน การเคลื่อนที่ของประจุจะสร้างกระแสกระชาก ซึ่งสามารถตรวจจับได้โดยอุปกรณ์คู่มือหรือเซ็นเซอร์กระแสที่เชื่อมต่อในวงจรทดสอบ วิธีการกระแสกระชากเป็นวิธีเดียวที่ระบุใน IEC 60270 และมาตรฐานที่เกี่ยวข้องสำหรับการวัดปริมาณการปล่อยประจุบางส่วนอย่างแม่นยำ วิธีอื่น ๆ ใช้ในการตรวจสอบหรือระบุตำแหน่งการปล่อยประจุบางส่วน วิธีการกระแสกระชากมีความไวสูง แต่ก็ไวต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าในสถานที่ ดังนั้น จำเป็นต้องแยกสัญญาณปล่อยประจุที่อ่อนแอออกจากสัญญาณที่ตรวจจับได้ ปริมาณทางกายภาพที่แทนขนาดของการปล่อยประจุบางส่วนคือประจุปรากฏ q ซึ่งสามารถได้มาจากการคำนวณด้วยสูตรดังต่อไปนี้

ในสูตร i(t ) แทนกระแสกระชากของการปล่อยประจุบางส่วน Um(t) คือแรงดันกระชาก Rm คือค่าความต้านทานการตรวจจับ และ q คือประจุปรากฏ หน่วยเป็น pC (picocoulomb)

วิธีการกระแสกระชากที่ใช้เซ็นเซอร์กระแสเหมาะสมสำหรับการตรวจสอบการปล่อยประจุบางส่วนออนไลน์ เซ็นเซอร์กระแสความถี่สูงทั่วไปทำงานในช่วงความถี่ 16 kHz ถึง 30 MHz และออกแบบในโครงสร้างคลิป ทำให้สะดวกในการติดตั้งที่ปลายต่อลงดินของตู้ตัดวงจรแบบติดพื้น

วิธีการคลื่นเสียงความถี่สูง

การปล่อยประจุบางส่วนทำให้เกิดการชนโมเลกุลที่รุนแรง สร้างคลื่นเสียงความถี่สูงที่กระจายภายในตู้ตัดวงจร เซ็นเซอร์คลื่นเสียงที่ติดตั้งบนโครงสร้างตู้ตัดวงจรสามารถตรวจจับสัญญาณการปล่อยประจุบางส่วน เซ็นเซอร์คลื่นเสียงภายในมีองค์ประกอบ piezoelectric ที่แปลงสัญญาณคลื่นเสียงที่เกิดจากการปล่อยประจุบางส่วนเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า แล้วส่งไปยังวงจรตรวจจับ วงจรตรวจจับสำหรับวิธีการคลื่นเสียงส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวแยก (ใช้แยกสัญญาณไฟฟ้าออกจากรางคลื่นเสียง) ตัวขยายสัญญาณ และตัวกรอง

สัญญาณเวลาและสัญญาณความถี่ของคลื่นเสียงจากการปล่อยประจุบางส่วนภายในตู้ตัดวงจรแบบติดพื้นแสดงในรูปที่ 2 ความถี่ส่วนใหญ่อยู่ระหว่าง 50 ถึง 250 kHz วิธีการคลื่นเสียงมีข้อดีคือต้นทุนต่ำ ติดตั้งง่าย ทนทานต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และเหมาะสมสำหรับการระบุตำแหน่งการปล่อยประจุบางส่วน อย่างไรก็ตาม โครงสร้างฉนวนภายในตู้ตัดวงจรซับซ้อน และคลื่นเสียงเดินทางช้าและเสื่อมสภาพอย่างมากในก๊าซ SF₆ จึงจำเป็นต้องระบุตำแหน่งการตรวจจับที่เหมาะสม

วิธีการความถี่สูงมาก (UHF)

เวลาขึ้นและเวลาลงของกระแสกระชากที่เกิดจากการปล่อยประจุบางส่วนอยู่ในระดับนาโนวินาที กระตุ้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่เทียบเท่าในช่วงความถี่สูงมาก 300 MHz ถึง 3 GHz ปัจจุบัน ช่วงความถี่การตรวจจับของเซ็นเซอร์ UHF ที่จำหน่ายส่วนใหญ่อยู่ระหว่าง 300 MHz ถึง 1.5 GHz ด้วยสัญญาณที่อ่อนและมีความถี่สูง วิธีการ UHF ต้องปรับปรุงสัญญาณขาเข้าผ่านวงจรกรอง วงจรขยาย และวงจรรวมก่อนส่งไปยังการ์ดรวบรวมข้อมูลสำหรับการวิเคราะห์ต่อไป

ในขณะเดียวกัน เมื่อใช้วิธีการ UHF จำเป็นต้องกำจัดเสียงรบกวนเช่น สัญญาณการสื่อสารและสัญญาณไฟฟ้าแสงสว่างจากทั้งซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ วิธีการ UHF มีความไวสูง ทนทานต่อการรบกวน และเหมาะสมสำหรับการระบุตำแหน่งการปล่อยประจุบางส่วน รูปแบบ PRPD ของสัญญาณ UHF จากการปล่อยประจุบางส่วนที่มีศักย์ลอยแสดงในรูปที่ 3 ซึ่งมีข้อมูลเกี่ยวกับขนาดของปล่อยประจุ เฟส และจำนวนครั้งที่เกิด

วิธีการแรงดันชั่วคราวต่อโลก (TEV)

เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการปล่อยประจุบางส่วนกระจายไปยังโครงสร้างโลหะของตู้ตัดวงจรแบบติดพื้น จะเกิดกระแสเหนี่ยวนำบนผิวของโครงสร้าง ทำให้เกิดแรงดันชั่วคราวต่อโลกที่แรงดันต้านทานคลื่นของโครงสร้างต่อลงดิน หลักการทำงานของเซ็นเซอร์ TEV สามารถเทียบเท่ากับการแบ่งแรงดันแบบความจุ เซ็นเซอร์ตรวจสอบการเกิดการปล่อยประจุบางส่วนโดยตรวจจับแรงดันที่เกิดขึ้นที่ความจุเทียบเท่าระหว่างขั้วของเซ็นเซอร์และชั้นฉนวน รูปแบบสัญญาณแรงดันชั่วคราวต่อโลกของการปล่อยประจุบางส่วนภายในตู้ตัดวงจร SF₆ แสดงในรูปที่ 4 ความถี่หลักอยู่ระหว่าง 1-100 MHz วิธีการ TEV มีข้อดีคือใช้งานง่ายและไม่จำเป็นต้องใช้วงจรตรวจจับเพิ่มเติม

วิธีการวิเคราะห์การปล่อยประจุบางส่วน

วิธีการวิเคราะห์การปล่อยประจุบางส่วนใช้ในการประเมินระดับความเสี่ยงของการปล่อยประจุ ลดสัญญาณรบกวน และสกัดลักษณะการปล่อยประจุสำหรับการจำแนกประเภทของความผิดพลาด วิธีการเหล่านี้รวมถึงวิธีการรูปคลื่นกระชาก วิธีการรูปแบบ PRPD วิธีการรูปแบบความสัมพันธ์ของแอมพลิจูดในสามเฟส วิธีการรูปแบบเวลา-ความถี่ และวิธีการสถิติตามเวลา

วิธีการรูปคลื่นกระชากวิเคราะห์รูปคลื่นการปล่อยประจุเดี่ยวตามพารามิเตอร์เช่น เวลาขึ้น เวลาลง ความกว้างของพัลส์ ค่า kurtosis และ skewness วิธีการรูปแบบ PRPD สะสมสัญญาณการปล่อยประจุบางส่วนภายใต้แรงดันไฟฟ้า AC เพื่อได้รูปแบบการแจกแจงของเฟส แอมพลิจูด และจำนวนครั้งที่เกิด ดังนั้นจึงเรียกว่าวิธีการรูปแบบ \(\varphi -q -n\) วิธีการรูปแบบความสัมพันธ์ของแอมพลิจูดในสามเฟสใช้สำหรับการวิเคราะห์การปล่อยประจุบางส่วนภายใต้แรงดันไฟฟ้า AC สามเฟส

มันได้รับลักษณะการแจกแจงของการปล่อยประจุโดยรวบรวมแอมพลิจูดของสัญญาณการปล่อยประจุเดียวกันภายใต้แรงดันเฟสที่แตกต่างกัน วิธีการรูปแบบเวลา-ความถี่รวบรวมพัลส์การปล่อยประจุ คำนวณเวลาเทียบเท่าและความถี่เทียบเท่า และวาดรูปแบบการแจกแจงการปล่อยประจุในโดเมนเวลาเทียบเท่า-ความถี่เทียบเท่า วิธีการสถิติตามเวลาเหมาะสมสำหรับการวิเคราะห์การปล่อยประจุบางส่วนภายใต้แรงดันไฟฟ้าตรงความสูง วิธีการนี้ทำการวิเคราะห์สถิติลักษณะการแจกแจงการปล่อยประจุตามขนาดของการปล่อยประจุและความต่างเวลาระหว่างพัลส์การปล่อยประจุ

สำหรับการระบุตำแหน่งการปล่อยประจุบางส่วนภายในตู้ตัดวงจร SF₆ แบบติดพื้น สามารถใช้วิธีการเวลาที่แตกต่างอย่างสัมบูรณ์หรือวิธีการเวลาที่แตกต่างอย่างสัมพันธ์ วิธีการเวลาที่แตกต่างอย่างสัมบูรณ์ใช้สัญญาณพัลส์กระแสการปล่อยประจุหรือสัญญาณ UHF เป็นเวลาเริ่มต้นของการปล่อยประจุ หลังจากคำนวณเวลาที่แตกต่างระหว่างสัญญาณคลื่นเสียงและความเริ่มต้นของการปล่อยประจุ วิธีการนี้จะระบุตำแหน่งแหล่งปล่อยประจุ วิธีการเวลาที่แตกต่างอย่างสัมพันธ์ใช้เฉพาะเซ็นเซอร์คลื่นเสียงหลายตัวที่ติดตั้งที่ตำแหน่งต่างๆ บนตู้ตัดวงจร วิธีการนี้ระบุตำแหน่งข้อบกพร่องฉนวนโดยคำนวณเวลาที่แตกต่างระหว่างสัญญาณคลื่นเสียงแต่ละตัวและสัญญาณคลื่นเสียงอ้างอิง

สรุป

การตรวจสอบออนไลน์ของการปล่อยประจุบางส่วนสามารถประเมินประสิทธิภาพฉนวนของตู้ตัดวงจร SF₆ แบบติดพื้นได้อย่างมีประสิทธิภาพก่อนที่จะเกิดความผิดพลาด และเป็นหนึ่งในวิธีการสำคัญในการรับประกันการทำงานอย่างปลอดภัยและมั่นคง บทความนี้ทบทวนวิธีการตรวจสอบและวิเคราะห์การปล่อยประจุบางส่วนในตู้ตัดวงจรแบบติดพื้น โดยรวมประสบการณ์ทดลองและประสบการณ์ในสถานที่

ในการใช้งานในสถานที่จริง ควรใช้วิธีการตรวจจับและวิธีการวิเคราะห์หลายวิธีเพื่อเพิ่มความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการตรวจสอบออนไลน์ นอกจากนี้ ตามความต้องการในการสร้าง Internet of Things ที่ครอบคลุมสำหรับระบบพลังงาน การใช้เทคโนโลยีสำคัญเช่น การตรวจจับแบบไร้สายที่ไม่ต้องใช้พลังงาน การสื่อสารไร้สายที่ใช้พลังงานต่ำ การคำนวณขอบ และ Big Data คือแนวโน้มการพัฒนาอนาคตของการตรวจสอบการปล่อยประจุบางส่วนสำหรับตู้ตัดวงจรแบบติดพื้น