Pagsasaliksik sa Teknolohiya ng Pagdedetekta at Pamamaraan ng Pagsusuri ng Partial Discharge sa SF6 Floor Tank Circuit Breaker

Ang floor-mounted tank-type circuit breaker ay isang mahalagang kontrol at proteksyon na aparato sa mga substation at power system. Ginagamit ito upang paghatiin, sarado, at dalhin ang normal na load current sa mga linya, at upang putulin ang short-circuit current sa panahon ng sistema failure. Binubuo nito ng mga komponente tulad ng interrupting elements, insulating bushings, bushing-type current transformers, arc-extinguishing chambers, operating mechanisms, at grounding casings, ang arc-extinguishing chamber ng floor-mounted tank-type circuit breaker ay nakakalat sa loob ng isang grounded metal casing.

Ang SF₆ ay ginagamit bilang insulating at arc-extinguishing medium para sa tank-type circuit breakers. Sa uniform electric field, ang kanyang insulation strength ay humigit-kumulang tatlong beses ang lakas ng hangin, at ang kanyang arc-extinguishing capacity ay humigit-kumulang isang daan beses ang lakas ng hangin. Dahil dito, ang mga SF₆ circuit breakers ay may kompakto na struktura at maliit na footprint. Bukod dito, ang floor-mounted tank-type circuit breakers ay nagbibigay ng mga benepisyo tulad ng mababang equipment center of gravity, matatag na struktura, mabuting seismic performance, built-in current transformers, malakas na resistance sa dirt, at convenient maintenance.

Gayunpaman, sa panahon ng paggawa, pagsasama, paglalakbay, at operasyon ng mga tank-type circuit breakers, maaaring magkaroon ng insulation defects dahil sa mga kadahilanan tulad ng hindi magandang processing, collisions, impacts, at switching operations. Ang mga typical na insulation defects ay kinabibilangan ng lumalabas na metal objects sa mga conductor o casings, floating electrodes, at free metal particles. Kapag ang elektrikong lakas na naka-concentrate sa insulation defect ay umabot sa breakdown field strength ng lugar sa ilalim ng test voltage o rated voltage, nagkakaroon ng partial discharge (PD). Ang partial discharge ay ang pangunahing sanhi ng insulation degradation sa mga circuit breakers at isang precursor sa insulation failures. Kaya, ang online monitoring ng partial discharge signals ay maaaring detekta ang insulation defects bago magkaroon ng failure, na isang vital na paraan upang tiyakin ang ligtas at matatag na operasyon ng floor-mounted tank-type circuit breakers at power system.

Batay sa physical signals na nalilikha sa panahon ng discharge, ang pangunahing mga paraan ng partial discharge detection para sa mga circuit breakers ay ang pulsed current method, ultrasonic method (AE), transient earth voltage method (TEV), at ultra-high frequency method (UHF) [2 - 3]. Ang artikulong ito ay sumasama ng experimental at on-site experience upang suriin ang iba't ibang partial discharge detection at analysis techniques para sa SF₆ floor-mounted tank-type circuit breakers at buuin ang mga katangian ng bawat paraan.

Pulsed Current Method

Kapag nagkaroon ng partial discharge, ang paggalaw ng mga charge ay naglilikha ng pulsed current, na maaaring makilala ng isang coupling device o current sensor na konektado sa test circuit. Ang pulsed current method ay ang tanging paraan na inispeksyon sa IEC 60270 at mga relevant na standards para sa quantitative measurement ng partial discharge. Ang iba pang mga paraan ay pangunahing ginagamit para sa detection o location ng partial discharge. Ang pulsed current method ay may mataas na sensitivity, ngunit ito ay napakasusceptible sa on-site electromagnetic interference. Kaya, kinakailangan na i-extract ang mababang discharge signals mula sa detected signals. Ang physical quantity na kumakatawan sa magnitude ng partial discharge ay ang apparent charge q, na maaaring makuhang gamit ang sumusunod na formula.

Sa formula, i(t) kumakatawan sa pulsed current ng partial discharge, Um(t) ay ang pulsed voltage, Rm ay ang detection impedance value, at q ay ang apparent charge, na may unit ng pC (picocoulomb).

Ang pulsed current method batay sa current sensors ay angkop para sa online partial discharge detection. Ang high-frequency current sensors ay karaniwang gumagana sa frequency range ng 16 kHz hanggang 30 MHz at disenyo sa clamp-on structure, na nagpapadali sa kanilang pag-install sa grounding end ng floor-mounted tank-type circuit breakers.

Ultrasonic Method

Ang partial discharge ay nagdudulot ng matinding molecular collisions, na naglilikha ng ultrasonic waves na nag-propagate sa loob ng circuit breaker. Ang mga ultrasonic sensors na nai-install sa circuit breaker casing ay maaaring detekta ang partial discharge signals. Ang piezoelectric elements sa loob ng ultrasonic sensors ay nag-convert ng ultrasonic signals na nilikha ng partial discharge sa voltage signals, na pagkatapos ay ipinapadala sa detection circuit. Ang detection circuit para sa ultrasonic method ay pangunahing binubuo ng decoupler (ginagamit para hiwalayin ang power supply signals mula sa ultrasonic signals), signal amplifier, at filter.

Ang time-domain at frequency-domain signals ng ultrasonic waves mula sa partial discharge sa loob ng floor-mounted tank-type circuit breakers ay ipinapakita sa Figure 2, na ang frequency range ay pangunahing distributo sa pagitan ng 50 at 250 kHz. Ang ultrasonic method ay may mga benepisyo tulad ng mababang cost, madaling installation, malakas na resistance sa electromagnetic interference, at angkop para sa partial discharge location. Gayunpaman, ang internal insulation structure ng mga circuit breakers ay komplikado, at ang ultrasonic waves ay naglalakbay nang mabagal at may malaking attenuation sa SF₆ gas, kaya kinakailangan ang pag-identify ng optimal detection position.

Ultra-High Frequency (UHF) Method

Ang rise time at duration ng mga current pulses na nilikha ng partial discharge ay nasa nanosecond scale, na nag-eexcite ng electromagnetic waves na may equivalent frequencies sa ultra-high frequency range ng 300 MHz hanggang 3 GHz. Kasalukuyan, ang detection frequency range ng karamihan sa UHF sensors sa merkado ay 300 MHz hanggang 1.5 GHz. Dahil sa mahina at mataas na frequency ng mga signals, ang UHF method ay nangangailangan ng pag-condition ng input signals sa pamamagitan ng filtering circuits, amplifying circuits, at integrating circuits bago ipinapadala sa data acquisition card para sa subsequent analysis.

Sama-sama, kapag gumagamit ng UHF method, kinakailangan na alisin ang mga noise tulad ng communication signals at lighting power supply signals mula sa software at hardware aspects. Ang UHF method ay may mataas na sensitivity, malakas na anti-interference ability, at angkop para sa partial discharge location. Ang phase-resolved partial discharge (PRPD) pattern ng UHF signals mula sa partial discharge sa floating potential ay ipinapakita sa Figure 3, na naglalaman ng impormasyon tungkol sa discharge amplitude, phase, at bilang ng occurrences.

Transient Earth Voltage (TEV) Method

Kapag ang electromagnetic waves na nilikha ng partial discharge ay nagpropagate sa metal enclosure ng floor-mounted tank-type circuit breaker, naglilikha ng induced current sa surface ng enclosure, na nagreresulta sa isang transient earth voltage sa across wave impedance ng grounding body. Ang working principle ng TEV sensor ay maaaring equivalent sa capacitive voltage divider. Itinutukoy nito ang occurrence ng partial discharge sa pamamagitan ng pagdetekta ng voltage sa across equivalent capacitor sa pagitan ng sensor electrode at insulating layer. Ang transient earth voltage signals ng partial discharge sa loob ng SF₆ circuit breaker ay ipinapakita sa Figure 4, na ang pangunahing frequency range ay 1-100 MHz. Ang TEV method ay kilala sa kanyang madaling paggamit at walang pangangailangan ng additional detection circuit.

Partial Discharge Analysis Methods

Ang mga paraan ng partial discharge analysis ay ginagamit upang asesahin ang risk level ng discharges, denoise signals, at i-extract ang discharge characteristics para sa fault type classification. Ang mga paraan na ito ay pangunahing kasama ang pulse waveform method, phase-resolved partial discharge (PRPD) pattern method, three-phase amplitude relationship pattern method, time-frequency pattern method, at time-based statistical characteristic method.

Ang pulse waveform method ay nag-aanalisa ng single discharge waveform batay sa mga parameter tulad ng rise time, fall time, pulse width, kurtosis, at skewness. Ang PRPD pattern method ay nag-accumulate ng partial discharge signals sa ilalim ng AC power-frequency voltage upang makakuha ng phase, amplitude, at occurrence number distribution characteristics ng mga discharges. Kaya, ito rin ay kilala bilang φ-q-n pattern method. Ang three-phase amplitude relationship pattern method ay ginagamit para sa pag-analyze ng partial discharges sa ilalim ng three-phase AC voltage.

Nagkuha ito ng discharge distribution characteristics sa pamamagitan ng pag-collect ng discharge amplitudes ng unified discharge signal sa iba't ibang phase voltages. Ang time-frequency pattern method ay nag-collect ng discharge pulses, kalkula ang kanilang equivalent time at equivalent frequency, at plot ang discharge distribution pattern sa equivalent time-equivalent frequency domain. Ang time-based statistical characteristic method ay angkop para sa pag-analyze ng partial discharges sa ilalim ng high-voltage direct current. Ito ay statistically analyzes ang discharge distribution characteristics batay sa magnitude ng discharge quantity at ang time difference sa pagitan ng discharge pulses.

Para sa location ng partial discharges sa loob ng SF₆ floor-mounted tank-type circuit breakers, maaaring gamitin ang absolute time-difference method o relative time-difference method. Ang absolute time-difference method ay gumagamit ng discharge current pulse signal o ang ultra-high frequency (UHF) signal bilang starting time ng discharge. Pagkatapos ng pagkalkula ng time difference sa pagitan ng ultrasonic signal at discharge starting signal, ito ay lokasyon ng discharge source. Ang relative time-difference method ay gumagamit lamang ng maraming ultrasonic sensors na nai-install sa iba't ibang posisyon sa circuit breaker tank. Ito ay nagtatakda ng lokasyon ng insulation defects sa pamamagitan ng pagkalkula ng time difference sa pagitan ng bawat ultrasonic signal at reference ultrasonic signal.

Conclusion

Ang online monitoring ng partial discharges ay maaaring epektibong asesahin ang insulation performance ng SF₆ floor-mounted tank-type circuit breakers bago magkaroon ng fault, at ito ay isa sa mga mahalagang paraan upang tiyakin ang kanilang ligtas at matatag na operasyon. Ang artikulong ito ay sumasama ng mga paraan ng detection at analysis ng partial discharges sa floor-mounted tank-type circuit breakers, na sumasama ng experimental at on-site experience.

Sa panahon ng on-site applications, dapat gamitin ang maramihang detection means at analysis methods upang mapataas ang accuracy at reliability ng online monitoring. Sama-sama, sa pag-ugnayan sa mga requirement ng construction ng ubiquitous power Internet of Things, ang pag-implement ng mga key technologies tulad ng wireless passive sensing, low-power-consumption wireless communication networks, edge computing, at big data ay kumakatawan sa future development trend ng partial discharge detection para sa floor-mounted tank-type circuit breakers.